基于RINEX格式GPS观测数据的周跳探测和修复外文翻译资料

 2022-12-26 19:01:28

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基于RINEX格式GPS观测数据的周跳探测和修复

摘要：本文提出了一种用于探测和修复在接收机独立交换（RINEX）格式化全球定位系统（GPS）观测器中的周跳算法的实现。周跳修复数据已经进行相位调平，以确定未差分GPS接收机的总电子含量（TEC）。开发的计算机代码的功效和准确性已经针对不同的电离层条件进行了测试。重要的是要注意，这是印度低纬度地区首次尝试实施的。

关键词：周跳；全球定位系统；接收机独立交换；总电子含量

简介

全球定位系统（GPS）卫星正在使用双频GPS接收机的网络进行地面定位和导航。由于双频相位测量可用于导出电离层总电子含量（TEC），这些接收机作为网络的一部分或单独使用，也用于研究各种电离层现象和评估太空天气现象对电离层的影响。考虑到使用的GPS接收机种类繁多，通用数据格式对于用户社区之间的数据交换至关重要。 Gurtner等人介绍了这种通用数据格式的理念，称为“接收器独立交换（RINEX）”格式，用格式化的ASCII写入，以保证不同计算机系统之间的简单交换。但是，使用RINEX数据文件并不简单，因为它需要非常复杂的算法和计算机代码，这些算法和计算机代码是获得专利的，或仅适用于国际GNSS接收机国际网络（如国际GNSS服务（IGS））的一部分） 。因此，尽管公共领域的IGS-RINEX数据可用，但像我们这样的独立GPS用户无法使用这些数据。这妨碍了与区域或全球尺度上的赤道传播（F）和空间天气等现象有关的研究。这是开发使用Blewitt等的算法来检索RINEX数据的计算机代码的唯一动机，特别是针对独立接收器而开发的。由Blewitt开发的算法用于由美国喷气推进实验室（JPL）开发的GIPSY软件包，用于大地测量目的。完整的GIPSY软件除了由Blewitt提供的算法和代码之外，还包含一组其他算法和计算机程序。 GIPSY软件包的源代码和算法在公共领域不可用。此外，该软件的主要任务是提供连接到独立接收器的GPS天线的精确坐标，而不提供电离层TEC。事实上，几乎所有开发用于预处理/处理GPS数据的软件包都是由大地测量应用程序驱动的，因此提供了对位置的精确估计。在所有这些应用中，电离层延迟（TEC）被认为只不过是一个烦扰参数。此外，在这种软件中，当使用来自多于一个GPS接收机的GPS观测器的所谓电离层自由组合时，TEC变得不那么重要。到目前为止，许多方法和包可用，采用GPS接收机网络来解决初始歧义问题，并纠正GPS信号中阻止精确估计位置的所有过度延迟，如BERNESE和GAMIT。最近，Horvath和Essex开发了用于估计TEC的软件，其中定义了从一个时期到另一个时期的TEC变化的公差水平，用于探测周跳。它被证明是一个非常繁琐和多方面多步骤的方法来探测和纠正周跳。与其他软件包类似，该软件迄今在公共领域还不可用;根据文件，它正在开发中。据我们所知，公有领域没有软件可用于电离层研究，特别是对于低纬度地区。对于电离层研究员来说，TEC是最重要的参数，因此我们被提示开发本文详细介绍的软件。

从GPS接收机获取的RINEX数据主要包含Cl（C/A码伪距，以米为单位，LI频率），P2（P码伪距，以米为单位，L2频率），LI（李载波相位，在L1频率上）和L2（L2载波相位，循环中，L2频率）可观测值，有助于导出GPS信号中的电离层延迟。由于这些代码的性质（代码频率），代码伪范围是嘈杂的，但同时，这些是从卫星发射机到接收机天线的距离的绝对测量。但由于相关噪声，这些不能直接用于计算TEC。另一方面，载波相位测量是非常精确的，但是不能直接使用，因为它们遭受初始相位模糊和周期滑移，如稍后解释的。由于无法确定与卫星通行证的第一阶段测量有关的周期数，因此产生初始歧义。随后的相位测量将具有相同的相关整数，只要接收器在GPS信号上保持锁定（相位）。锁定的损失在相位测量中导致整数不连续性，这被称为“周期滑移”。术语“周期滑移探测”是指在载波相位的连续时间序列数据中探测整数跳跃。 L1和L2信号都会发生周期滑移。周跳修复或修复是指对包括滑差的L1和L2频率周期的精确数量的估计，以及通过这些整数估计值对相位测量的实际修复。

最小周期滑差接收是理想的，因为对于测量到厘米或亚厘米精度，需要保持来自每个可用的GPS卫星的载波信号的相位的恒定轨迹。即使像纳秒一样短暂的信号丢失也可能导致周期滑落。循环滑落降低飞行中获取的测量数据的质量和精度。因此，为了能够使用载波相位数据，需要在卫星通过期间进行周跳的修复。这样的周跳修复相位数据可以用于计算TEC，称为TECCD。如前所述，如此计算的TEC ^是任意单位，因为它已经使用具有固有初始模糊度的载波相位数据导出。然而，TECq可以用于平滑被称为TECP的噪声码伪距离导出TEC，导致初始相位模糊度的解析。

因此，为了使用和分析用于计算TEC的RINEX数据，主要工作是：（i）从载波相位数据中探测和去除周期滑移，（ii）使用代码伪距离和载波相位计算TEC， (iii）解决初始载波相位模糊度。

已经开发了各种技术来探测和修复周跳。由于本研究涉及使用静态，未差分GPS接收机获得的数据，所以采用Blewitthas提出的算法来探测和去除周期滑移。为了解决TEC的初始相位模糊和计算，Skone提出的算法由Liu等人精制。已被雇用。

GPS实际观测量

在保守的Blewitt之后，GPS实际观测量被定义为

其中Ф1和Ф2是循环中记录的载体相; L1和L2表示为载波相位; P1和P2为P码伪范围; c为光速;载波频率f1 = 1575.42MHz和f2 = 1227.60MHz分别对应于波长lambda;1= 19.0cm和lambda;2 = 24.4cm。术语“p”指非均匀延迟 - 将几何延迟，对流层延迟，时钟签名，选择性可用性（10.23 MHz GPS参考频率的快速变化）以及影响所有数据类型的任何其他延迟组合在一起。术语I是电离层延迟参数; b1和b2是可以自发改变整数值（周期滑移）的相位偏移。

宽巷和电离层组合

发生周期滑移，并使周期滑动后的模糊度的新值为b 1rsquo;和b 2rsquo;。那么周跳可以通过数量△n1和△n2（整数不连续性）来描述

在L1和L2通道上可能并发和不同地发生周期滑移。那么△n1和△n2的非零值呢？必须独立探测。

宽巷相位组合由下式给出

宽巷相位延迟可写为

宽巷波长在这里为

宽巷的偏差是

码伪距延迟Pdelta;为

从而

电离层相组合LI是

其中电离层波长或窄通道波长为

相应的伪距组合是

周跳探测

根据Blewitt的算法，在每个数据时期独立地估计宽巷偏差。通过递归公式计算bdelta;，lt;bdelta;gt;和RMS散点（sigma;）的平均值

该算法要求随后的时期估计值bdelta;i 1必须在运行平均值（bdelta;）i在4sigma;i以内。如果bdelta;i的单个值超出上述限制，则称为异常值，并删除特定数据时期。如果bdelta;i的两个连续值在两个连续的时期都超出了该极限，并且如果这两个值位于一个周期内，那么它被认为是在时期i的周期滑移。从这两点开始，新的平均值开始并持续到再次遇到潜在的周期滑移。因此，获得了在宽巷相位延迟Ldelta;中呈现的周跳的位置。

2005年12月14日，在国际地磁安静的一天，Uidipur的GPS卫星PRN 4在图1中已经举例说明了这一过程。图1的前两个面板显示了原始载波相位测量的曲线图L 1和L 2。虽然L1测量是连续的，但在93时期和152的L2中的不连续性是显而易见的。因此，在这个例子中，在时代93和152出现周期滑移。但是，前面讨论的过程不单独检查L1/L2中的不连续性;相反，它在宽通道相位延迟Ldelta;中这样做，使得确定L 1或L 2或两者中的不连续性。因此，如图1的底图所示，该过程已经导致分别在时间段93和152处的宽巷相位延迟Ldelta;中的周期滑移的探测。因此，宽巷相位延迟包括用不同的颜色，标记为1到3.这些被称为不同相位相连的弧。

周跳修复

周跳修复需要去除不同相位连续弧中的不连续性并产生连续曲线。

在卫星的给定通过中成功探测到所有周期滑移之后，必须分别在每个相位连接的电弧中对L1和L2载波相位测量中的整数模糊度△n1和△n2连接所有相连的电弧。为此，第一步是估计宽巷相位延迟Ldelta;中的整数不连续性△ndelta;。

我们采用的方案需要计算两个连续的相位连线之间的宽巷修复。同时，分别计算每相连接弧的bdelta;标准误差。选择具有最小标准误差的电弧作为参考电弧，关于相连电弧之间的相位调平。

然后，使用Blewitt给出的电离层相位修复方法，计算了L2载波相位中的整数不连续值。使用这两个整数值，即钻机△ndelta;和△n2，△n1 2的值已由公式计算

使用△n1和△n2的值，L 1，L2和Ldelta;中的不连续性（如果有的话）已被更正（图2）。

针对不同的太阳活动水平，分别从乌代浦2005年，2007年和2009年分别测试了用于周跳探测和修复的软件，分别为8568,11,148和9410次GPS卫星。该测试的结果在图3中给出，其显示了上述年份的百分比探测为100并且探测到的裂纹的修复为84.77,85.44和86.86。未修复的周跳对应于当仰角小于20°或通过的前15分之内的通过的开始或结束时的通过部分。 Blewitt还认为，算法至少需要15点才能有效，我们的结果表明算法有类似的限制。

从GPS可观测量计算TEC

周跳的探测和修复有助于L1和L2的连续段的可用性，这些段用于计算TEC Ф。真正的TECФ由下式给出

这里TEC Ф在TECU中，br和bs分别是用于载波相位测量的GPS接收机和卫星频率间偏移，N 1和N 2是L1和L2的整数相位模糊度。

使用代码伪测量P1和P2，使用TECP计算

这里TECP是TECU（1 TECU = 1016电子/ m2）; Br和BS分别是GPS接收机和卫星频率间偏置，用于码测量。

在描述等式（1） - （4）的同时，我们提到p表示所有其他延迟的块估计，多径被假定为包含在p中。 Blewitt已经注意到，多路径是GPS信号中的特定于站点的错误，并且不能在后处理模式中被修正;它仍然是TEC中未明确的差异误差。在Ciraolo等人的分析中获得了类似的结果。因此，我们通过使用物理系屋顶顶部大约30英尺的桅杆提高天线的高度来最小化我们的数据中的多径的影响乌罕布尔大学（Mohanlal Sukhadia University）（MLSU）。此外，GPS接收机附带的天线（NovAteTs GPS702）采用特殊技术来对抗多路径。因此，我们的数据中的多路径被最小化，并且其对TEC的影响（如果有的话）在所有方向上仍然远低于5-7°的仰角。在这个仰角之上没有多路径的影响，因此不会对我们的软件造成任何影响。此外，应该注意的是，多路径影响代码伪距比载波相位的100倍，并且由于我们使用调平的载波相位观测值作为估计的TEC，所以多路径效应处于最小的水平。

如前所述，TECP是精确但嘈杂的，而TEC Ф是平滑的，但是具有固有的初始模糊性。因此，可以通过TECP对TEC Ф进行平滑化，或者通过TEC Ф平滑TECP来获得精确平滑的TEC。为了平滑TECP，已经开发了各种方法。

在目前的工作中，刘等人讨论的方法已被用于平滑TECP。在此，使用递归公式计算了连续测量的平滑差值delta;（TECk）sm

其中k是任何给定时刻的时代号。

这个平滑的偏移delta;（TECk）m然后加到TEC Ф 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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