GPS差分码的长期变化是因为电离层的变化影响的吗？外文翻译资料

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GPS差分码的长期变化是因为电离层的变化影响的吗？

Jiahao Zhong ,Jiuhou Lei,Xiankang Dou

摘要：IGS提供的2002到2013年的 GPS的差分码偏差可以反应太阳周期变化。本文来研究探讨这种GPS DCBS的变化的是否电离层变化有关。利用包括CHAMP，GRACE和Jason-1等低地球轨道（LEO）卫星的GPS观测资料，来对比发现这个问题。利用LEO卫星观测，比较出不同轨道高度得到的数据有类似的DCBS变化趋势。然而，当我们用13个一直连续运行未被替换的GPS卫星的DCBS在约束零均值的条件下综合分析，发现与太阳周期没有关系。我们的结果表明：电离层的变化与GPS整体DCBS的长期变化关系不大。相反，它在零均值的条件下与不同卫星类型的相关性很大，所以说DCBS的长期变化与GPS卫星替换有关。

关键字：差分编码偏差，长期变异，电离层变异，卫星置换

简介

卫星和接收机频率间的偏差或者叫差分码偏差（DCB）是对全球导航卫星系统（GNSS）的主要误差来源“总电子含量（TEC）”的探测因素。DCB的存在是由于双频信号经过不同的时间延迟在传播通过卫星和接收机的硬件影响。此外，为了准确的算定TEC,结合卫星–接收机DCB要达到纳秒量级。为了获取TEC，DCB必须精确校正。卫星–接收机DCB实际上可确定到每个卫星–接收器对上，然后TEC可以被精确校准。因此，卫星和接收机DCBS之间的绝对TEC反演是必要的。如果卫星和接收机DCBS需要从组合DCB进一步分离，则需要一个额外的约束条件。虽然附加约束条件不是真实存在的物理事物，但是它有助于统一在实际应用中的DCB值。

目前由IGS确定所有的零约束条件的卫星的DCBS。在大多数情况下， GPS社区提供直接用卫星DCBS计算TEC的服务。因此，如果有一个更好估计卫星DCBS，TEC结果的准确性将得到改善。尽管DCB推导被广泛研究，但是DCB的变化还不是很清楚。Coco等人。（1991）和Sardo acute;n和Zar- raoa（1997）研究了全球定位系统（GPS）卫星DCB的稳定性，但他们也无法评估其数据2年的长期变化。

IGS自1998起利用在全球地面架设的接收机网络提供了日常GPS DCBS。这个数据集提供的DCB数据提供了分析GPS DCBS变化的一个很好的机会，特别是它提供了一个长时间连续的数据。张等讨论了GPS DCBS的长期变化，他们和欧洲定轨中心都认为长期的下降的趋势是与1999到2010的电离层的变化有关。

如果GPS DCBS数据被电离层干扰而产生变化，那么计算出的TEC可能不适用于电离层长期趋势调查。为了明确描述GPS DCBS的长期变化， IGS提供的伪随机数的卫星DCB（星号03）的从2002到2013年的数据画图1a上。星号03卫星的 DCB从2002到2009单调下降，累计下降约7.5 TECU。然而它从2010到2013有增加趋势。“down-up”趋势清楚地显示了长期变化的DCB。有趣的是，DCB与太阳活动指数F107有着类似的长期趋势。由于电离层的电子密度受太阳活动和DCB影响，是未校准的电离层TEC。

对DCBS长期变化与电离层的相应变化的相关性分析还不能很好的解决。低地球轨道（LEO）和双频接收机可以测量一定海拔高度的TEC。因为LEO的高度通常高于F2区电离层峰值高度，低轨卫星GPS观测可以用来估计GPS DCBS进而减少电离层电离的影响。本研究的目的是比较三种不同的LEO卫星GPS DCBS与IGS的估计结果，理解对GPS DCBS长期趋势的电离层变化可能产生的影响。

数据与研究方法

利用challenging小卫星载荷的（CHAMP）、GRACE和Jason-1：400的平均轨道高度，490和1336公里的GPS观测数据，分别估计GPS DCBS。观测的采样率是0.1赫兹。以往的研究已经进行了详细的阐述了TEC的检索过程。在GPS数据处理前，周跳需要被检测和纠正用来描述Blewitt创造连续的圆弧。利用伪距观测（P2–P1）拉平载波相位测量（L1–L2）中整周模糊度造成的每个连接弧。相对TEC（tecrel）可以被导出，并具有绝对的关系（真实的）TEC（tecabs）可以用如下方法描述：

s和r代表GPS卫星和接收机，上标i代表GPS卫星星号。

基于电离层区域的球对称假设，LEO的倾斜TEC可以利用几何映射函数（foelsche和kirchengast建议（2002））转换为垂直TEC。对于每一个LEO的GPS接收机，同时观测2个LEO-GPS的相关性模型可以被表示为：

其中M是映射函数，而e则是观测的仰角。

假设两个GPS卫星和接收机在1天内不停顿。值得注意的是，尽管DCB可以包含大量因温度变化而改变的数据，但上述假设在观测DCBs长期趋势时还是有效的。为了满足电离层的球对称性假设，采用了40度为截止高度。所有1天中配对的观测都来创建线性方程组。

可以从这些线性方程组来确定，但卫星和接收机DCBS只能相对于特定的参考值。零均值条件一般介绍到单独的卫星和接收机DCBS如下：

其中n为观测到的GPS卫星数。

随后，GPS接收机DCBS可以通过求解线性方程组的成对观测值随着获得（3）。在下面的章节中，我们将专注于GPS DCBS的变化。利用LEO的GPS DCBS观测：根据上述方法，利用LEO的GPS观测数据计算每个卫星的GPS DCBS。这项研究从2002年1月至2013年12月。

图2显示了13个连续运行卫星的星载GPS DCBS。相应的IGS DCBS地基GPS观测估计也描绘在这个图上进行比较。三低轨卫星观测的GPS DCBS与从2002到2009的IGS结果有着相似的变化趋势。CHAMP的DCBS一直呈上升趋势。GRANCE的DCBS从2010到2013也是增加的。很显然，用IGS结果和LEO低轨卫星数据结果比较， DCBS的变化是非常一致的。

利用低轨卫星观测GPS DCBS

由于低轨卫星接收机通常测量顶部电离层TEC，在相应的GPS观测电离层变化的影响应在LEO卫星轨道的增加变得越来越弱；尤其是Jason-1，其轨道高度约为1336公里，电离层的变化要比地面接收器的要少。但是，发现在长期趋势下，LEO和IGS DCBS之间没有明显的区别。这意味着接收器的高度不影响长期变化趋势。换句话说电离层的变化不是引起估计DCBS 时出现“down-up”倾向的原因。

GPS卫星替换带来的影响

由于零均值条件在公式（3）中涉及所有GPS卫星的DCBS，一个新的卫星进入服务或旧卫星情况坏了在GPS星座中会产生共同的DCB相应的转移（Herna acute;ndez-Pajares等人.2009）。

幸运的是，大约有13个全球定位系统的卫星在2002到2013整个期间一直连续地工作。

只处理这13个连续运行的卫星有助于减少因为更换而对全球卫星系统的影响。为了进一步了解导致“down-up”倾向，设这13个连续运行GPS卫星DCBS假定满足均值为零的条件。

在这种情况下，n是13（在公式3中）。如图3所示，低轨卫星GPS DCBS与IGS DCBS相比不呈现明显的长期变化。因为modified选择的卫星变化，DCB的结果就是在长期的时间尺度相当稳定。

对于其他的GPS卫星，其DCBS也有同样的规律，但他们没有上述模型显示的简洁。接下来，我们结合三低轨卫星观测估计DCBS。需要注意的是，在这种情况下，均值为零的条件也在13个连续运行GPS卫星DCBS强加。此外，他们的IGS站提供的DCBs的重建要考虑modified卫星的参考作用。在个别天里，计算偏移的方法是从原来的IGS DCBS减去那些13个连续运行GPS卫星的IGS站提供的DCBs的平均值。

如图4所示，为星号为03的DCBS从三低轨卫星联合观测比从一个低轨卫星更稳定（图3）。另一方面，他们普遍认同的重构（蓝线）。与原来的IGS DCBS相比， DCBS从三低轨卫星和重建DCBS并不是与太阳周期变化更像。这表明，“down-up”倾向在GPS DCBS主要是与卫星参考。

GPS卫星的相同类型的DCB值是相似的，不同类型的卫星的DCB非常不同。在2013年12月31日所有GPS卫星IGS的DCBS，如图5所示是所有的GPS卫星型号：Block II和IIA 2002和Block IIR（iir-a，B，M）和BLOCK IIF first在2003到2010的数据。这在图5中，显而易见Block IIR的DCBS大于Block IIA，而BLOCK IIF DCBS小于其他类型的卫星。当一个新的卫星替换老旧的卫星，所有卫星DCBS的日均值应该改变。然而，在所有卫星DCBS强加的均值为零的条件下，日平均值仍为零。

虽然一个GPS卫星更换只导致GPS DCBS的轻微的变化，但是多年来累积的变化可能足以导致GPS DCBS长期变化。值得注意的是，约有19个新的卫星发射和15个卫星星座在我们研究期间废弃。Block IIR取代了自2003具有较高的DCB值的Block II和IIA，因此在零均值的条件下，所有的DCB值下降DCB做补偿。Block IIF自2010加入运行，使DCB值低于以前的所有GPS卫星的类型，所以所有其他的DCB值开始上升，然后“down-up”倾向构成。因此，对GPS的长期变化DCBS看见了影响因素：卫星更换成不同卫星类型。

值得一提的是，结合卫星接收机DCB是绝对TEC反演的关键。不同的卫星参考下GPS DCB值是不同的。相应地，对接收机的估计DCBS值也会变化。因此，结合卫星–接收机DCBS要改变思路使DCBS不受电离层干扰。应该指出的是，接收机DCBS长期变化是将GPS的DCBS相反。例如，在岳等人所示。CHAMP 的DCB有一个长期的变化，这可能也与卫星置换相关。

因此，一个连续运行的GPS卫星参考当卫星发生替换时要加入改正。

在不久的将来会出现更多除了GPS和GLONASS全球导航卫星系统的星座（例如，北斗、伽利略）。计算从多个GNSS卫星计算TEC仍然是一个挑战。GNSS卫星和接收机DCBS的不确定性是一个在技术上的主要误差来源。更换GNSS卫星的影响应考虑在DCB的计算以提高GNSS的TEC计算的可靠性。

结论

由这篇文章可以看出：GPS DCBS三个LEO卫星轨道高度不同却和IGS DCBS有着类似的长期趋势。GPS的DCBS和太阳活动的长期变化发生有相似的趋势，但他们没有一个原因–效应的关系。换句话说，电离层的变化不是对GPS DCBS产生长期变化的原因。我们进一步的研究结果表明GPS DCBS的长期变化主要与GPS卫星替换相关。

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