使用GPS网络的GPS接收机DCB预估方法的比较外文翻译资料

 2022-11-29 15:55:09

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使用GPS网络的GPS接收机DCB预估方法的比较

建议使用从韩国GPS网络（KGN）获得的GPS数据的接收机差分码偏移（DCB）预估的两种方法：相对和单（绝对）方法。相对方法使用GPS网络，而单一方法仅从单个站确定DCB。通过比较从相对方法获得的接收器DCB值与通过单一方法预估的接收器DCB值来评估其性能。从两种不同方法获得的每日平均接收器DCB显示7天的良好一致性。这些差异的均方根（RMS）值为0.83纳秒（ns）。通过相对方法预估的接收机DCB的标准偏差小于单一方法的标准偏差。从这些结果可以看出，与单一方法相比，相对方法可以在短期内获得更稳定的接收机DCB。此外，韩国天文学和空间科学研究所（KASI）获得的接收机DCB与IGS全球电离层地图（GIM）的接收机DCB之间的比较显示出0.3 ns的良好协议。由于DCB值的准确性显着影响电离层总电子含量（TEC）的准确性，因此需要更多的研究来确保预估的接收机DCB的可靠性和稳定性。

关键词：差分码偏移，接收机，总电子含量，GPS网络。

1.简介

可以从全球定位系统（GPS）数据的组合中轻松估算电离层中的总电子含量（TEC）。然而，从GPS测量得到的TEC数据具有不确定性，因为每个GPS信号具有严重影响电离层TEC预估精度的硬件相关偏差（Coco等人，1991; Lanyi和Roth，1988）。 GPS信号中的硬件偏差是由GPS卫星发射机和接收机引起的（Sardon等人，1994; Davies和Hartmann，1997）。

一般来说，GPS TEC是利用两个频率（L1-L2）的所谓几何自由线性组合来计算的。硬件偏差通常在相对方面确定，因为在减去不同频率的测量值后，它们保留在电离层TEC中。 GPS代码测量的硬件偏差中的这些差异称为差分代码偏差（DCB）（Mannucci等人，1998; Meza，1999）。崔等人（2011）显示，从GPS测量预估的接收器DCB达到几十纳秒。 GPS卫星DCB的范围在几纳秒（ns）的水平，并在几个月的时间内呈现非常缓慢的漂移。它们具有长期稳定性，均方根（RMS）误差约为0.2ns（Wilson和Mannucci，1994）。这些DCB可以严重影响电离层TEC预估。因此，有必要精确预估GPS卫星和接收机DCB，以提高TEC预估的准确性。

引入了许多研究来分离DCB与TEC。 DCB可以从GPS网络或单个站点的数据计算出来。 Ma和Maruyama（2003）提出了一种使用GPS地球观测网（GEONET）在日本预估GPS卫星和接收机DCB的方法。 Ma等人 （2005）还提出了使用国际GNSS服务（IGS）的全球电离层地图（GIM）的单接收机DCB预估方法。在这种情况下，仅预估接收器DCB。然而，所有GPS卫星的DCB值都可以从IGS GIM或其他GIM中得知。 IGS GIM的DCB是来自以下分析中心（AC）的综合解决方案：瑞士的欧洲轨道测定中心（CODE），美国的喷气推进实验室（JPL），欧洲航天局（ESA）在德国和加泰罗尼亚技术大学（UPC）在西班牙。 AC通过使用来自超过100个不同方法的IGS站的GPS数据，以垂直总电子内容（VTEC）和DCB值的通用交换格式，以“IONospheric EXchange”（IONEX）的形式提供全球地图（Schaer等，1998 ）。 GIM具有纬度和经度的空间分辨率和2小时的时间分辨率（Feltens和Jakowski，2002）。所有GPS卫星和IGS站的DCB值预估为每天的常数值。

Zhang等人最近研究了地磁风暴对中国地区接收机DCB预估的影响。 （2009年）。张等人（2010）也对中低纬度地区测量估算出的GPS DCB进行了精度分析。 GPS接收机DCB根据接收机的类型和硬件的温度而有所不同（Gao和Liu，2002）。 Hernandez-Pajares等人（2009）显示接收器DCB值范围从-20到 15ns，变化率高达几纳秒。

在本研究中，提出了接收机DCB预估的两种方法。一个是使用区域GPS网络来确定接收机DCB。然而，为了避免参数预估过程中的奇点，接收机DCB之一需要被设置为任意的参考值。另一种方法是仅从单个接收器计算DCB。我们直接比较两种方法预估的结果，我们考虑其统计值和稳定性。

2.GPS DCB估算方法

GPS卫星在L波段频率L1（1575.42 MHz）和L2（1227.60 MHz）上发送两个信号。双频GPS测量不仅用于消除电离层的影响，而且用于预估电离层中的TEC。

许多研究已经描述了电离层TEC预估的方法（Lanyi和Roth，1988; Davies和Harmann，1997; Sardon和Zarraoa，1997; Hernandez-Pajares等，1999; Mannucci等，1999; Otsuka等人 ，2002）。我们采用通常的模式，其中电离层由固定高度的薄壳组成，通常为350公里。 GPS接收机测量每颗卫星的倾斜TEC。

当GPS信号通过电离层时，电离层中的TEC对导航信号施加色散延迟。这个延迟可以很容易地从方程（1）计算：

其中Pi（i= 1,2）是伪距，和fi（i= 1,2）是GPS信号的频率。为了获得更好的GPS-TEC精度​​，载波相位平滑采用码和载波相位测量。

我们考虑在i = 1,2，...，s，j = 1,2，...，...的时刻，沿着卫星和k或接收机j之间的射线路径测量斜率TEC，STECi,j，k，i = 1,2，...，s，j=1,2,hellip;,r,k=1,2,hellip;,t，其中是可用卫星的数量，r是接收机的数量，t是时间序列数据的数量。假设垂直TEC是卫星，接收机和时代的函数，垂直TEC被写为VTECi,j，k。 STECi,j，k，VTECi,j，k和DCB之间的关系如下：

其中bj和bi分别是接收机和卫星的C1-P2 DCB。在方程（2）中，VTEC i,j，k，bj和bi是未知数，等于stimes;rtimes;t s r的未知数的数量超过方程数，这等于倾斜TEC的数量（stimes;rtimes;t）。在这种情况下，方程式不能解决。为了解决这个方程，我们假设垂直TEC与卫星和接收机是不变的。因此，未知数（VTECk，bj和bi）从数字为（s r t）的方程获得。使用日常数据，卫星和接收机DCB以小时计算为常数值。在我们的方法中，卫星DCB值被重新对准以使结果与基于零均值条件的IGS结果相当，即所有卫星DCB的总和被强制为零。 M是取决于卫星天顶角的电离层映射函数。考虑到测量噪声较低，天顶角度被限制在不大于70度。我们使用了一个改进的单层映射函数，如Grejner-Brzezinska等人 （2004）：

其中z是电离层穿透点（IPP）的天顶距离，R是地球的半径（6,371 km），H是电离层单层高度（350 km），a是校正因子（0.9782）。

崔等人（2011）提出了使用从GPS网络获得的双频GPS数据预估DCB的奇异值分解（SVD）方法。在本研究中，我们认为卫星和接收机DCB是使用加权最小二乘法（LSQ）预估方法使用VTEC预估的未知参数。

使用反向距离加权（IDW）方法预估每个IPP后的垂直TEC， （4）。 IDW为更靠近的点分配更多的重量，并减少距离更远的点的重量。

Z0是内插网格点的值，Z是已知值，S是已知点的总数，d是被预估点与采样点之间的距离，k被设置为2作为指数参数。在地理纬度和纬度分别位于32°至10o（N）至123°-131°（E）的区域之间，VTEC地图的空间分辨率为1.0°。

用于相对DCB预估的一种方法使用从GPS网络同时获得的数据，而单个DCB预估的方法仅使用一个GPS参考站。相对DCB预估要求GPS卫星定位站（以下称为“参考”）的GPS站点保持固定。由于参考接收机的值的选择是任意的，我们将其设置为零。这具有的优点是预估的其他接收机DCB直接与参考接收机DCB相关。也就是说，可以通过将预估值与参考接收机的真实值相移来获得所有接收机的绝对接收机DCB。使用累积的GPS观测，以一小时的间隔计算卫星和接收机DCB。卫星DCB值可以从IGS GIM获得，并且在几个月的时间内相对稳定（Coco等人，1991; Wilson和Mannucci，1994）。由于一些GIM产品仅为IGS站提供有限数量的接收机DCB，单个接收机DCB预估可能是有用的。

对于单个DCB预估，我们简单地将垂直TEC和一个接收器DCB值设置为未知数。该IGS GIM提供的外部卫星DCB值应用于单个DCB预估。当IGS GIM提供P1-P2卫星DCB值时，需要用于C1 / P2测量的PI-C1 DCB值。也就是说，我们同时考虑了P1-P2 DCB和PI-C1 DCB。对于相对DCB预估，也可以使用累积的GPS测量以一小时的间隔获得单个接收机DCB值。

3.结果

我们处理了从韩国GPS网络获得的GPS数据来预估接收机DCB。 DCB预估中使用的所有GPS接收机都是Trimble双频大地测量接收机（NetRS，NetR5，NetR8和NetR9），用于输出码相位测量（C1，P2）。以30秒的采样速率记录GPS数据。我们还针对GPS卫星对我们的算法应用了仰角加权函数（W（Z）= cos2（Z））。 Ma和Maruyama（2003）使用的加权函数取决于倾斜因子。它有助于降低具有较低仰角的卫星测量中的多径效应。 Z代表朝向卫星的天顶距离。

由于太空天气可能影响DCB的结果，我们从2011年3月3日至2011年3月9日期间选择GPS数据。地磁活动大多是安静的时期。由于接收器DCB的日变化相对稳定，因此通常预估每天一次。在本研究中，使用加权LSQ预估接收机DCB值，并将其确定为小时值。每日平均值是通过将小时接收机DCB的总体平均值在一天内获得的。另外我们考虑了接收器DCB的小时变化。来自相对DCB方法的接收机DCB值与通过单个DCB方法的接收机DCB值之间的比较如图1所示。该图将接收器DCB的平均日平均值作为GPS位置的函数。一些GPS参考站的预估接收机DCB值达到超过25纳秒（ns），而一些GPS参考站的接收机DCB值小于-10 ns。这种广泛的变化作为电离层TEC预估中的大量误差源。

为了预估相对接收机DCB，我们选择了“DAEJ”GPS站点的DCB值作为参考。将参考DCB值（约20ns）应用于使用单个接收机DCB方法预估的结果。

图2显示了通过不同方法预估的接收机DCB值的差异。结果的最大差异达到约2 ns。此外，所有GPS站点的接收机DCB的均方根（RMS）值小于1ns（〜0.83ns）。图2中接收器DCB的差异的总体趋势,显示从单个DCB预估获得的值大于相对DCB预估的预估值。此外，两种方法似乎都有偏见。常见的DCB参考文献也可能会出现相应的变化。这些略有不同的偏差可能与GPS数据处理或电离层TEC建模的内在差异相关。

为了显示预估的小时接收机DCB值的稳定性，图3给出了GPS站点相对于平均值（在DCB中）得到的接收机DCB值的标准偏差。图3分为两个面板，以更清楚地说明结果。图中的上部图像图3示出了从单个DCB预估方法获得的标准偏差。所有GPS位置的标准差的平均值为0.52，以虚线划分为红色。图中较低的图像。图3给出了从相对DCB预估方法获得的标准偏差。通过相对DCB预估预估的接收器DCB的标准偏差小于单个DCB预估的标准偏差，小于总共0.5的值，平均值约为0.32。从上述结果可以看出，接收机DCB预估的相对方法在短期内导致更稳定的值。相比之下，使用单个DCB预估方法预估的值在所有GPS位置都显示出更大的波动。

为了评估从不同方法获得的接收机DCB值的短期稳定性，2011年3月3日至9日预估了小时接收机DCB。图4显示了通过不同方法预估的两个接收机DCB值。我们绘制了从位于韩国的两个GPS站点（BHAO和CHNG）获得的结果。单相DCB方法得出的结果与相对DCB方法相比，显示出小时的短期不稳定性。通过单一方法预估的接收机DCB的小时变化明显更高。然而，相对于7天的平均值，单个DCB和相对DCB预估方法之间没有差异。可以清楚地看到，相对预估方法提供更稳定的接收器DCB值。这些结果与图1的结果一致。图5显示了通过不同方法计算的两个GPS站点（BHAO和CHNG）的小时接收机DCB值的Allan偏差。图5中的蓝线参考单个预估方法，而红点线是从相对预估方法获得的。在短时间间隔内，长达两三个小时，单个DCB和相对DCB之间的Allan偏差显示出很大的差异。对于更长的时间间隔，两种方法之间的差异较小。这可能解释了通过单次预估计算的小时接收机DCB值具有较高的可变性。虽然单一预估方法显示出短期的不稳定性，但无疑是无论是日常还是长期产生准确度高的接收机DCB。

结果，如果接收机DCB被完全称为参考，则相对DCB预估方法可以在短期内给出更稳定的信息。

为了验证通过单个DCB预估预估的每日接收机DCB值，考虑了作为IGS站操作的一个接收机。图6显示了IGS预估的接收机DCB与韩国天文和空间科学研究所（KASI）使用DAEJ GPS数据获得的接收机DCB的比较。 X轴表示日期，Y轴范围设置为0〜25 ns。 KASI使用单一接收机DCB预估方法直接计算每日接收机DCB值。 IGS DCB值来自IGS GIMs。如图1

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