王志鋼,歐　明

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

基于GPSTk的區(qū)域電離層TEC地圖重構

王志鋼,歐明

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

摘要：電離層是影響衛(wèi)星導航系統(tǒng)傳輸時延的重要因素之一,電離層總電子含量(TEC)地圖重構是消除電離層傳輸時延的重要手段。GPSTk作為GPS數據處理的重要軟件之一,可以滿足區(qū)域電離層TEC地圖的重構要求。本文針對GPSTk的特點,深入研究了GPSTk的電離層TEC計算原理、數據處理流程及具體的軟件操作方法,該研究對基于GPS數據的電離層數據處理軟件的研制具有一定的參考意義。

關鍵詞：電離層;總電子含量;GPSTk

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.014

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：： A

文章編號：： 1008-9268(2015)02-0062-05

收稿日期：2015-02-11

作者簡介

Abstract:Ionospheric delay is one of the most important resources in satellite navigation systems, and TEC map reconstruction is the major way to eliminate the delay effect of the satellite navigation systems. As an important tool for GPS data processing, GPSTk software can be used to fulfill the requirement of the TEC map reconstruction. Based on the analysis of the characteristic of GPSTk, the principle of the TEC calculation, the flowchart of the data processing and the operational approach of the GPSTk were demonstrated in this paper, which will be helpful in the development of the GPS-based software for ionospheric data processing.

0引言

電離層延遲是衛(wèi)星導航系統(tǒng)重要的誤差源之一,嚴重影響著用戶的定位精度。對于衛(wèi)星導航系統(tǒng)來說,因電離層折射引起電磁波傳播路徑的距離差,沿天頂方向最大可達50 m,而沿水平方向最大可達150 m[1]。通?？刹捎秒p頻或多頻組合方式有效地消除這種影響。但對于單頻用戶來說,由于傳輸時延與電離層電子總含量(TEC)密切相關,需要利用電離層TEC分布信息盡可能地消除電離層帶來的影響。構建電離層TEC地圖,一方面可以為單頻用戶提供電離層延遲修正,另一方面可以研究電離層不同時空尺度的分布與變化特征[2]。目前對電離層TEC地圖已有大量的研究工作。在國際全球衛(wèi)星系統(tǒng)服務中心(IGS)主持下,美國的噴氣動力實驗室(JPL)、瑞士歐洲定軌中心(CODE)、加拿大自然資源部(NRCAN)、德國歐洲空間局(ESA),以及西班牙卡塔魯尼亞理工大學(UPC)等[3]機構,利用IGS全球觀測站的觀測數據,利用不同算法,建立了電離層TEC現(xiàn)報系統(tǒng),監(jiān)測全球電離層TEC變化.

GPSTk是由位于德克薩斯大學奧斯汀分校應用研究實驗室(ARL)在GPS 處理軟件的基礎上開發(fā)的一個開源軟件項目,其主要目標是為GPS研究、分析和發(fā)展提供非常好的GPS“類”套件[4]。

GPSTk庫通過使用ANSI標準的C++編程語言盡可能地實現(xiàn)平臺獨立性。同時,面向對象編程的原則貫穿了整個GPSTk代碼庫的設計,用來確保代碼的模塊化,可擴展性和可維護性。GPSTk 套件包括核心庫、輔助庫以及一系列應用程序。GPSTk庫為解決與GPS相關的問題提供了一系列的功能,其中主要包括:RINEX工具箱(Utilities),能夠對GPS觀測數據格式RINEX進行檢查和操作、RINEX繪圖、周跳修正、數據殘差分析、時間轉換,Octave捆綁、電離層建模等應用[5]。

基于GPSTk庫的特點,本文主要研究了基于GPSTk的區(qū)域電離層TEC的重構方法,并給出了基于GPSTk庫的電離層TEC的估算過程和重構結果。

1電離層TEC計算原理

電離層TEC的計算主要基于電離層薄層模型,即認為電離層主要集中在某個固定高度上(一般取350 km或400 km)。對于GPS雙頻測量:

(1)

聯(lián)系人： 王志鋼E-mail: 304554011@qq.com

P4=P2-P1.

(2)

將式(1)代入式(2),為此有:

P4=ζ4I+c(ΔbS-ΔbR),

(3)

(4)

電離層TEC可以通過垂直TEC乘于轉換因子得到,具體表示為

(5)

式中: TECv表示垂直TEC; Re表示地球半徑; ele表示衛(wèi)星與接收機之間的仰角,Hion表示電離層等效高度,一般取350km.GPSTk利用二維泰勒級數展開式表示區(qū)域垂直TEC的隨緯度和經度空間變化[6],表示為

TECv(φ,λ)= A0+A1φ+A2λ+B0φ2+

B1φλ+B2λ2+C0φ3+C1φ2λ+

C2φλ2+C3λ3,

(6)

式中: (φ,λ)為電離層穿刺點在太陽-地磁坐標參考框架下的緯度和經度； A,B,C為泰勒級數展開式待估的參數。將式(4)、(5)、(6)代入式(3)有:

c(ΔbS-ΔbR).

(7)

利用多次GPS測量,式(7)可以表示為矩陣方程的形式,利用最小二乘法可求解得到未知系數Ai，Bi,Cj(i=0,1,2;j=0,…,3)和衛(wèi)星及接收機差分碼誤差ΔbS,ΔbR,將Ai;Bi;Cj代入式(6)即可重構區(qū)域電離層TEC變化。

2電離層TEC地圖處理流程

為實現(xiàn)區(qū)域電離層TEC的重構,GPSTk的處理流程如下:1) 首先需要對原始觀測文件進行預處理,GPSTk庫提供有ResCor工具包,可預先對雙頻GPS觀測文件進行處理,得到電離層傾斜TEC(未消除硬件延遲),穿刺點經緯度,衛(wèi)星仰角方位角等信息,預處理結果將保存于擴展RINEX文件中；2) 利用GPSTk庫提供的差分碼偏差DCB估算工具包IonoBias,利用泰勒級數法和最小二乘法估算GPS衛(wèi)星和接收的硬件延遲DCB;3) 利用GPSTk庫提供的TECMaps工具包,讀取前兩步操作處理后的數據,重構產生電離層TEC地圖文件。具體處理流程如下圖所示。

圖1　GPSTk電離層TEC地圖處理流程

3Windows平臺下GPSTk的操作方法

3.1　目錄創(chuàng)建

安裝成功GPSTk后,打開GPSTk源代碼目錄,手動新建三個文件夾,分別命名為alldata、processed、out.

3.2　GPS觀測文件下載

GPSTk主要處理標準格式的GPS觀測文件,批量數據下載主要代碼在getigs文件中。Windows環(huán)境下需要的支持軟件包括wget.exe、mv.exe、gzip.exe、ls.exe、xargs.exe(gnuwin32工具包包含以上可執(zhí)行程序,gnu是Linux/UNIX環(huán)境下的命令行,gnuwin32為移植到Windows平臺下的工具包)、crx2rnx(RINEX格式轉換程序,主要將*.d文件轉換為*.o文件,可從網站免費下載)。

打開getigs文件,將里面不適合Windows平臺下的命令刪除,如帶#的注解等,將文件重新命名為getigs.bat(Windows下的批處理文件),在確保電腦與外界互聯(lián)的情況下,將自動下載數據。可將對文件下載地址進行更改,以下載自己想要的數據文件。數據下載完成后,將自動保存在alldata目錄下,并自動將文件解壓縮和數據格式轉換,最終產生*.o文件。

3.3　數據預處理

所有數據下載完成以后,即可執(zhí)行數據預處理的工作,數據預處理主要命令包含在gopre文件中,主要調用preprocess.pl程序進行處理,運行本步驟需要安裝perl環(huán)境,可在網站下載perl Windows安裝環(huán)境ActivePerl,安裝完后,將gopre命令行中的#注釋命令去除,保存為gopre.bat運行,程序將自動處理alldata文件下的*.o文件,中間處理結果將保存到processed文件夾中,每個*.o文件處理后產生兩個文件,后綴分別為.**o.sum和*o.RC.

本操作需要對preprocess.pl進行修改,將原文件中的對應位置改為如下:

if (＄＾O eq "MSWin32") {

＄slash="\";

# GPSTK prgms found here

＄prgmdir="C:\gpstk\bin";

}

其中的C:gpstkin為GPSTk軟件的安裝目錄,實際操作時應以實際的安裝目錄為準。

3.4　差分碼偏差DCB估計

差分碼偏差DCB估計的處理命令保存在gobias,執(zhí)行該文件需要ls.exe命令支持,命令通過調用GPSTk中的IonoBias工具進行衛(wèi)星和接收機DCB估計。IonoBias工具需要讀取bias.inp配置文件,該配置文件包括了讀取列表文件list.files的內容,而list.files主要保存*.o文件是否處理后的信息,若是成功處理后,則將狀態(tài)信息輸出到list.files文件中。gobias命令運行后,輸出狀態(tài)為bias.log文件,文件輸出結果為satbias.txt文件。

要想處理不同區(qū)域的電離層TEC數據,bias.inp文件中需要調整導航文件名稱,區(qū)域經緯度范圍等配置內容。具體為：nav導航文件名稱；MinLatitude 最小緯度；MaxLatitude最大緯度；-MinLongitude最小經度；MaxLongitude最大經度.

以上屬性更改完成后,將gobias文件中的注釋去除,保存為*.bat文件并雙擊運行即可。

3.5　電離層TEC重構

為得到電離層Map作圖信息,主要運行gomaps命令實現(xiàn)。gomaps需要調用GPSTk軟件中的TECMap工具。具體操作方法:將文件中的″/home/btolman/gpstk/dev/apps/ionosphere/″刪除,只剩下TECMaps-fmaps.inp即可,保存為gomaps.bat文件,雙擊運行即可。TECMap命令主要調用maps.inp配置文件中的內容。

要想處理得到不同位置的電離層TEC數據,Maps.inp文件中需要調整的地方包括:

調整基本配置參數:nav:導航文件名稱;RxLLH:對應的參考站緯度、經度、高度坐標.

調整相應的緯度點個數,緯度起始點坐標,每個點緯度間隔等。其中：NumLat:緯度點個數;BeginLat:起始緯度;DeltaLat:緯度間隔;調 整相應的經度點個數,經度起始點坐標,每個點經度間隔等:NumLon:經度點個數;BeginLon:起始經度;DeltaLon:經度間隔;

gomaps命令運行完后,out文件目錄下將產生電離層Map數據文件。

3.6　電離層TEC作圖

該步驟主要實現(xiàn)電離層TEC地圖的顯示和保存,GPSTk提供了相應的代碼實現(xiàn)這一功能,但需要GNUplot的支持。本步驟主要利用see文件中的命令進行作圖,see文件原始代碼為

#!/bin/bash

perl plotall.pl out/＄1 ＄2 ＄3 ＄4

這是Linux平臺下的命令,無法在Windows平臺下運行,需要修改為如下形式:

perl plotall.pl out/igs 1 2879 1

其中，out/為TEC輸出數據保存的文件目錄；igs為所有文件的共同名稱；1代表起始時間點,具體對應為igs.0001,2879為結束時間,具體對應為igs.2879；最后一位為時間間隔,具體命名表示為將igs.0001按照最后四位加1的數據進行操作直到igs.2879文件為止。為實現(xiàn)繪制圖片的輸出,需要將plotall.pl文件進行更新:

將原文件中的no改為yes,如下:

my ＄pngout='yes'; # set to something other than yes for no.png output

同時將以下代碼中下劃線的部分改為wgnuplot.exe所在的路徑即可。

if (＄＾O eq "MSWin32") {

#open(GP, "C:\bat\gp ＄base.gp |");

open(GP, " c:\gnuplot\bin\wgnuplot.exe ＄base.gp |");

}

若不采用GPSTk默認的GNUplot作圖,也可采用其它作圖軟件,如MATLAB、Surfer等也可實現(xiàn)類似的作圖效果。

4電離層TEC地圖重構結果

利用上述GPSTk操作流程,本文利用2004第313年積日的美國邁阿密的10個GPS觀測數據進行了區(qū)域電離層TEC地圖重構,數據下載地址為ftp://garner.ucsd.edu/pub/rinex,臺站位置如圖2所示。

基于GPSTk的區(qū)域電離層TEC重構結果如圖3所示,其中圖3(a)表示1900LT的重構結果,圖3(b)為2100LT的估算結果,從圖3(a)可以看出,在1900LT,電離層TEC表現(xiàn)了電離層TEC隨經度變化較為明顯,而圖3(b)則主要表現(xiàn)出電離層的緯度變化,重構結果呈現(xiàn)出了電離層TEC在夜間復雜的變化特征。

圖2　GPS觀測站位置分布

圖3　區(qū)域電離層TEC地圖重構結果 (a)Year 2004,DOY:313,1900LT; (b)Year 2004, DOY:313,2100LT

5結束語

GPSTk作為一個優(yōu)秀的開源軟件,可方便地利用其庫函數實現(xiàn)GPS觀測文件的預處理,包括周跳檢測與修復,偽距平滑等,同時利用處理好的數據文件進行電離層DCB估算和電離層TEC地圖的重構。本文通過對GPSTk的深入研究,給出了基于GPSTk的電離層TEC地圖重構方法,同時利用GPSTk實測數據實現(xiàn)了區(qū)域電離層TEC地圖的重構。

必須指出的是,由于GPSTk軟件的電離層垂直TEC采用非常簡單的泰勒級數展開模型,在實際的使用過程中存在一定的模型系統(tǒng)性偏差,因此在未來的開發(fā)過程中,可以通過對GPSTk的電離層TEC計算過程進行相應的改進,以獲得更高的TEC重構精度,這也是本文下一步的研究方向之一。

參考文獻

[1] 劉基余, 李征航, 王躍虎,等. 全球定位系統(tǒng)原理及應用[M]. 北京:測繪出版社,1993.

[2] 周忠謨, 易杰軍, 周琪，等. GPS 衛(wèi)星測量與應用[M].北京:測繪出版社, 2004:61-64.

[3] 翁利斌, 方涵先, 楊升高, 等. 基于IRI背景場的單站電離層TEC地圖重構技術[J].空間科學學報,2011,31(4), 453-458.

[4] 劉景瑞,石波,趙倩. 電離層對流層對GPS偽距單點定位精度影響的效果分析[J].城市勘測,2013,2(1),100-103.

[5] 德克薩斯大學奧斯汀分校應用研究實驗室. GPSTk開源軟件[EB/OL]. (2008-12)[2015-01-05]. http://www.gpstk.org.

[6] TOLMAN B, HARRIS R B, GAUSSIRAN T,etal. The GPS toolkit-open source GPS software[C]// Proceedings of the 17th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2004), Long Beach, 24 September，2004：9.

王志鋼(1981-),男,工程師,主要從事電波環(huán)境監(jiān)測及其數據處理技術研究。

歐明(1984-),男,碩士,工程師,主要從事電離層探測技術研究。

The Regional Ionospheric TEC Map Reconstruction

Based on GPSTk Software

WANG Zhigang,OU Ming

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Key words: Ionosphere; total electron content; GPSTk