[科普中国]-电离层折射改正

电离层折射改正（correction l'or the ionospheric refraction）是指对电磁波通过电离层时由于传播速度的变化及传播路线弯曲而产生的折射误差进行的改正。

简介电磁波在电离层中产生的各种延迟，都与其传播路径上的电子总量有关，而电离层中的电子密度将随太阳黑子的活动、地理位置的不同、季节的变化及时间（如白天与晚上）的差异而产生变化，且与电磁波传到天线的方位有关。计算分析表明：电离层延迟的影响在天顶方向可达50米，在水平方向可达150米。

方法可通过三条途径解决：利用导航电文中提供的电离层模型加以改正，一般用于单频接收机，可将其影响减少75%；使用双频接收机以减少电离层延迟，观测并经双频观测值改正后，伪距的残差可达厘米级；采用两个观测站的同步观测量求差，可削弱其影响，如两地面点相距10千米以内，求差后测定的基线长度残差可达1×10-6，但当基线较长时，电磁波通过电离层的传播路径的相似性较差，测定的基线长度残差仍将较大，故单频接收机仅用于15千米以内的基线测量。

原理在电离层中，相折射率和群折射率是不同的，GPS定位中，对于码相位测量和载波相位测量的修正量，应采用群折射率和相折射率分别计算。当电磁波沿天顶方向通过电离层时，由于折射率的变化而引起的传播路径距离差和相位延迟，一般可写为：

由相折射率和群折射率引起的路径传播误差(m)和时间延迟(ns)分别为

式中，N∑为沿电磁波传播路径的电子总量，单位：电子数/m2。

在电离层中产生的各种延迟量，对确定的电磁波频率，只有电子密度是唯一的独立变量。实际资料分析表明，电离层的电子密度，白天约为夜间的5倍，一年中冬季与夏季相差4倍，太阳活动高峰期约为低峰期的4倍。电离层电子密度的大致变化范围在109 ~3×1012电子数/m3。沿天顶方向电子密度总量，日间为5×1017电子数/m2，夜间为5×1016电子数/m2。此外，电子密度在不同高度、不同时间都有明显差别。1

由于影响电离层电子密度的因素复杂（时间、高度、太阳辐射及黑子活动、季节和地区等），难以可靠地确定观测时刻沿电磁波传播路线的电子总量。对GPS单频接收用户，一般均利用电离层模型来近似计算改正量，但目前有效性不会优于75%。即当电离层的延迟为50m，经过模型改正后，仍含有约12.5m的残差。

减弱电离层影响的措施利用两种不同的频率进行观测两种频率电磁波同步观测时电离层对传播路径的影响分别为

可得消除电离层折射影响的距离：

不同频率电磁波的相位延迟关系以及经过电离层折射改正后的相位值：

目前，为进行高精度卫星定位，普遍采用双频观测技术，以便有效减弱电离层折射影响；不同的双频组合，对电离层影响的改善程度也不同。

两观测站同步观测量求差用两台接收机在基线的两端进行同步观测，取其观测量之差。因为当两观测站相距不太远时，卫星至两观测站电磁波传播路径上的大气状况相似，大气状况的系统影响可通过同步观测量的差分而减弱。2

该方法对小于20km的短基线效果尤为明显，经过电离层折射改正后，基线长度的相对残差约为10-6。故在短基线相对定位中，即使使用单频接收机也能达到相当高精度。但随着基线长度的增加，精度将明显降低。

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学