中国地质大学本科生课程论文封面课程名称：全球定位系统原理及应用班级：姓名：xxxx学号：专业：地理信息科学日期: 2015 年1 月19日评语注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。
基于GPS的电离层研究摘要本文主要介绍了电离层的基本特性，阐述了利用GPS观测量计算电离层TEC的三种方法的基本原理：包括码观测解算电离层TEC的基本原理，载波相位观测电离层TEC的基本原理以及码观测和载波相位观测联合解算电离层TEC的基本原理。
最后简单的介绍了基于基于GPS的三维电离层层析技术。
电离层层析成像技术是计算机层析成像技术在电离层监测中的一种新的应用。
该技术通过对电离层进行分层研究，不仅克服了薄层假设电离层层析模型的局限性，也克服了经验模型与传统地面探测手段的局限性，特别适合于监测大尺度电离层电子密度垂直分布及其扰动状态。
关键词：GPS 电离层 TEC目录第一章引言 (1)第二章电离层的基本特性 (2)§2.1 电离层结构 (2)§2.2 电离层骚扰 (2)第三章计算TEC的基本理论 (3)§3.1 TEC简介 (3)§3.2 GPS观测量及观测方程 (3)3.2.1 伪距及码观测方程 (3)3.2.2 载波相位及其观测方程 (4)§3.3 码观测解算电离层TEC的基本原理 (4)§3.4 载波相位观测解算电离层TEC的基本原理 (5)§3.5GPS码与相位观测联合解算电离层TEC (6)3.5.1 前因 (6)3.5.2 基本原理 (6)第四章基于GPS的三维电离层层析技术 (9)总结 (11)参考文献 (12)第一章引言电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域。
电离层（ionosphere）是受太阳高能辐射以及宇宙线的激励而电离的大气高层。
60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。
也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。
除地球外，金星、火星和木星都有电离层。
电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收[1]。
人类对电离层的研究历史已经持续了一个多世纪，随着科技的不断进步，电离层探测技术与方法不断的发展。
电离层形态监测有助于加深认识电离层活动规律及其变化机制。
长期以来，人们对电离层形态的监测与研究主要借助于电离层测高仪，雷达以及探空火箭等观测手段，并以电离层峰值电子密度（NmF2)，峰值高度（hmF2）以及临界频率为研究对象。
近二十年来，以美国全球定位系统（GPS）为代表的全球导航卫星系统（GNSS）观测技术的兴起以及全球分布的GNSS跟踪站连续观测的海量数据的累积，使得利用GNSS监测电离层时空变化规律成为可能。
电离层层析成像技术是计算机层析成像技术在电离层监测中的一种新的应用[2]。
该技术通过对电离层进行分层研究，不仅克服了薄层假设电离层层析模型的局限性，也克服了经验模型与传统地面探测手段的局限性，特别适合于监测大尺度电离层电子密度垂直分布及其扰动状态。
近十多年来，基于GPS的电离层层析技术逐渐发展起来。
借助于GPS的巨大优势，基于GPS的电离层层析技术可以实现三维甚至四维电离层结构的重构，从而克服了二维电离层层析模型的局限性，并逐渐形成了一种新的电离层监测手段，在电离层形态与扰动监测研究方面具有重大的科学意义和应用价值，是目前大地测量，空间物理与无线电科学等领域中的一个研究热点和重点。
第二章电离层的基本特性§2.1 电离层结构电离层结构可用电离层特性参量电子密度、离子密度、电子温度、离子温度等的空间分布来表征[3]。
但其研究主要是电子密度随高度的分布.电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数.电子密度随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。
电离层在垂直方向上呈分层结构,一般划分为D层、 E 层和F层,F层又分为F1 层和F2层.最大电子密度约为106厘米-3,大约位于300千米高度附近.除正规层次外,电离层区域还存在不均匀结构,如偶发E层（Es）和扩展F.偶发E层较常见,是出现于E层区域的不均匀结构.厚度从几百米至一二千米,水平延伸一般为0.10千米,高度大约在110千米处,最大电子密度可达106厘米-3.扩展F是一种出现于F层的不均匀结构,在赤道地区,常沿地磁方向延伸,分布于250～1000千米或更高的电离层区域.电离层分层结构只是电离层状态的理想描述,实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化,并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化.由于电离层各层的化学结构、热结构不同,各层的形态变化也不尽相同。
§2.2 电离层骚扰太阳扰动以及其他原因导致对电离层正常状态的显著偏离[4]。
太阳扰动引起的电离层骚扰主要有电离层突然骚扰、电离层暴、极盖吸收、极光带吸收等.人为因素如核爆炸、大功率发射机对电离层加热也能引起电离层骚扰.电离层骚扰对无线电波传播会产生严重影响.①电离层突然骚扰.太阳色球在耀斑爆发期间发出强烈的紫外线和Χ射线辐射 ,使 D 层的电子密度突然增大 ,对通讯造成严重影响,甚至中断.突然骚扰持续时间一般为几分钟至几小时.②电离层暴.F2层状态的异常变化.③极盖吸收.在强烈的太阳耀斑爆发时,由太阳喷射出来的高能质子流沿地磁力线沉降到极盖区上空,使 D 层的电离急剧增大,以至通过该区的无线电波被强烈吸收,常造成无线电通讯中断.④极光带吸收.来自太阳扰动区的高能电子和质子沉降到极区上空,使极光带低电离层的电离增强,以至通过该区域的电磁波被强烈吸收.极光带吸收甚至使电波讯号中断。
第三章 计算TEC 的基本理论§3.1 TEC 简介电离层电子浓度总含量(TEC)又称电离层电子浓度柱含量、积分含量等，是一个非常重要的电离层参量，对电离层物理的理论研究及电离层电波传播的应用研究均具有十分重要的意义。
理论上，TEC 的空间分布及时间变化，反映了电离层的主要特性，因此通过探测与分析电离层TEC 参量，可以研究电离层不同时空尺度的分布与变化特性，如电离层扰动，电离层的周日、逐日变化，电离层年度变化，以及电离层的长期变化等[5]。
应用中，电离层的TEC 与穿透电离层传播的无线电波时间延迟与相位延迟密切相关，因此可用于在卫星定位、导航等空间应用工程中的电波传播修正。
电离层TEC 探测手段以卫星信标测量为主，如微分多普勒方法、法拉第旋转方法等。
随着全球定位系统（GPS ）的使用，采用GPS 双频信标的测量获取电离层TEC 参量成为当前最为重要的和广泛采用的方法。
利用局域与全球的GPS 台网观测，通过实时处理与传输，并采用不同的TEC mapping 方法，可以进行大范围电离层TEC 的现报，这在当前空间天气研究中具有特别意义[3]。
§3.2 GPS 观测量及观测方程3.2.1 伪距及码观测方程 伪距是GPS 接收机产生的伪随机信号与卫星发射的信号偏移的时间量乘以光速。
当接收机钟与卫星钟完全同步时，测定的就是信号传播的时间延迟量。
因信号传播受到多种误差源的影响，所测得的距离是一种包含多种误差的观测值，故称为伪距[3]。
伪距精度一般为码元宽带的1%，故对于C/A 码，精度约为2.9m ，对于P 码，精度约为0.29m 。
码的观测方程：k k a R T kR k q k q R T k R T k R T ji k B M B B T I r t c P εδδδδρ+++++++++=,,,T ,,,T R ,r )-r c()t -(（1式）P 为码伪距观测值；T ，R 分别代表卫星和接收机；下标k=1,2表示两个不同的载频L1和L2；ρ为信号发射时刻卫星至接收时刻的接收机天线的几何距离，称为站星距；c 为真空中的光速；δrR 为接收机相对论效应；I 为电离层折射误差；Tr 为对流层折射误差；Bq 为卫星和接收机的仪器偏差；M 为码观测中的多路径效应；Ba 接收机天线相位中心偏差；ε为码量测噪声。
设卫星在信号发射时刻s t 的坐标为),,(r st s t s t s t s s s s Z Y X =，接收机天线在信号接收时刻的坐标为)Z ,,(r r t r r t r t s t r r s Y X =，于是站星距ρ可记为： =ρ||r t s t rs r -r || =）（）（）（rt s t r t s r t s t r t s r t s t r t s r s r s r s r s r s r s Z Z Z Z Y Y Y Y X X X -⨯-+-⨯-+-⨯-)()()(X t t t (2式) 3.2.2 载波相位及其观测方程载波相位观测值是GPS 接收机接收到的，具有多普勒频移的载波信号与接收机本身产生的参考载波信号之间的相位差[3]。
在基于GPS 的三维电离层层析中，必须应用高精度载波相位观测和码观测联合解算电离层TEC 。
载波相位观测文件中提供的是卫星信号的相位与接收机本机振荡相位之差，即载波拍频相位。
通常，载波相位观测方程记为：k R T kR k q T k q R T R T k R T R t T k k R T k e m b b Tr r r c t t c N t +++++I --+-++=,,,,,,k )()()(δδδδλρφλ（10式）式中：λk 为相应载波波长；Nk 为对应频率fk 的相位观测常数，下标k=1,2,表示载波相位L1和L2；bq 为卫星和接收机的仪器偏差；m 为多路径效应对相位观测的影响；e 为相位观测值的噪声；其他符号的含义与1式相同。
§3.3 码观测解算电离层TEC 的基本原理由上文中的码的观测方程1式和p p n c /v =（相速度）给出的观测量，在忽略上标i,j 的前提下，通过频率间求差，可得：2,1212,1,2,1,121)()()()1(εγ+-+-+-+I -=-M M B B B B P P R q R q T q T q （3式）2,1212,1.2,1,221112211)()()()(-1--e m m b b b b N N R q R q T q T q +-+-+-+-+I =λλγφλφλ）（（4式） 在3式和4式中，ε1,2为两个频率上码测量的噪声之差；e1,2为两个频率上载波相位测量之差。