[科普中国]-电离层测量

电离层

电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域。电离层（ionosphere） 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。

大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当重要的作用。地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。

电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离，在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时，单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。

电离层对GPS测量影响电离层是高度位于60~1000 km之间的大气层。在太阳紫外线、X射线、Y射线和高能粒子等作用下，电离层中的中性气体分子被电离，产生大量的自由电子和正负离子，从而形成了一个电离区域。GPS信号在穿过电离层时，其传播速度会发生变化，变化的程度主要取决于电离层中的电子密度和信号频率;其传播路径也会略微弯曲，从而使得信号的传播时间乘上真空的光速后所得到的距离不等于信号至接收机的几何距离(一般情况下对测量结果影响不大，可以不考虑)。对GPS测量来讲这种差异引起的测距误差在天顶方向可达50m，在接近地平方向时(高度角为200)可超过100 m，在最恶劣的条件下可达150m，因此必须加以改正，否则会严重损害观测值的精度。

目前修正电离层延迟，国内外通常采取的方法:①双频改正法；②利用电离层延迟的空间相关性通过相对定位（差分GPS）来消除其影响；③半和改正法；④建立电离层延迟模型。

罗力等对此进行相关研究，主要结论如下：

（1）电离层折射表现为色散效应，因此双频接收机能较好改正电离层折射延迟.用双频观测值建立的VTEC模型其精度远高于单频用户常用的克罗布歇模型，用双频观测值建立电离层延迟模型代表了该领域的研究方向。

（2）VTEC模型是建立在实时状态下，并且具有短时间的预报能力，即使在电离层延迟变化较大时，也能获得较高的精度。

（3）要进一步提高VTEC模型的精度，可采用精度更高的观测值，如载波相位平滑伪距观测值、载波相位观测值等。

（4）通过电离层扰动对GPS信号影响的研究，不仅可以提高GPS电离层实时改正的精度，而且可以用GPS监测电离层的相对变化，这有助于研究电离层的变化规律，为电离层监测服务。1

测量方法基于北斗卫星信号的电离层测量设备主要由主机和天线组成，主机由北斗卫星信号接收处理模块、电离层数据处理模块和电源模块三个模块组成，设备组成原理框图如图所示。

北斗区域卫星导航系统发播三个导航信号，频率分别为1561. 098 MHz (B1 )、1207. 14 MHz（B2）和1268. 52MHz （B3），其中B1I和B2I为民用信号，码速率均为2. 046 cps。为了提取电离层TEC（电离层总电子含量）信息，设备中天线和接收处理模块均为双频体制。

天线接收来自卫星的双频导航信号，并通过馈缆传给北斗卫星信号接收处理模块;接收处理模块对信号进行处理后提取信号信息并送入电离层数据处理模块进行数据处理;经处理得到的电离层数据由基于TCP/IP协议的网络通信接口送出。北斗接收天线选择高增益、低噪声、极化方式为接近于半球增益覆盖的右旋圆极化天线。北斗卫星信号接收处理模块选择高精度、高采样率的测量型模块。电离层数据处理模块采用现成的PC模块，具有处理能力强、存储容量大、接口丰富、可运行Window s操作系统等特点。2