[论文解读] A GPS-based method to model the plasma effects in VLBI observations

E. Ros, J. M. Marcaide+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2000

GNSS positioning and interference被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于GPS的方法，通过使用双频GPS观测值估算VLBI站附近地基站点的总电子含量（TEC），从而对甚长基线干涉测量（VLBI）观测中的电离层延迟进行建模。将这些TEC值转换至VLBI的视线方向，可对群延迟和相位延迟实现精确校正，其均方根差异在跨大陆基线中低于0.15 ns，在大陆基线中低于0.10 ns，与双频VLBI测量结果高度一致。

ABSTRACT

Global Positioning System (GPS) satellites broadcast at frequencies of 1,575.42 MHz (L1) and of 1,227.60 MHz (L2). The dispersive property of the ionosphere can be used to combine independent measurements at the two frequencies to estimate the total electron content (TEC) between a GPS receiver site and a broadcasting satellite. Such measurements, made at sites near to Very Long Baseline Interferometry (VLBI) sites, can be used to estimate the ionospheric contribution to VLBI observables. For our 1991.9 astrometric VLBI experiment in which we obtained group-delay observations in the 8.4 and 2.3 GHz bands simultaneously, we found that the GPS and VLBI determinations of the ionosphere delays agreed with root-mean-square differences below 0.15 ns for intercontinental baselines and 0.10 ns for continental ones. We also successfully applied the GPS-based procedure to reduce the ionospheric effect in phase delays used for high precision differenced astrometry at 8.4 GHz for this same experiment.

研究动机与目标

• 为解决因地球电离层中自由电子引起的电离层延迟对VLBI观测造成的天体测量畸变问题。
• 通过使用外部TEC数据校正电离层效应，提高VLBI群延迟和相位延迟测量的精度。
• 验证利用GPS获取的TEC作为双频VLBI观测在电离层延迟估计中的可靠替代方案。
• 通过将基于GPS的TEC校正应用于相位延迟，实现在GPS数据稀疏情况下8.4 GHz频段的高精度天体测量。

提出的方法

• 利用L1（1,575.42 MHz）和L2（1,227.60 MHz）频段的双频GPS信号，估算从GPS接收机到卫星视线方向上的总电子含量（TEC）。
• 基于L1与L2信号之间频率相关的群延迟差，使用公式Δτ = + (κ / cν²) × TEC计算TEC，其中κ ≈ 40.3 m³s⁻²。
• 利用GPS卫星的几何与轨道参数，将位于VLBI站附近的GPS站点所获得的TEC值，转换至相应的VLBI视线方向。
• 利用相同的TEC值和频率标度定律，估算VLBI频段的电离层延迟，从而实现对群延迟和相位延迟的校正。
• 假设电离层为350 km高度的薄壳模型，沿卫星到接收机的射线路径对TEC进行积分。
• 使用RINEX格式的GPS数据，并校正GPS观测值中的偏差，以确保在短时间间隔内TEC精度达到0.01 TECU以内。

实验结果

研究问题

• RQ1 GPS获取的TEC估算值能否作为双频VLBI观测在天体测量VLBI中电离层延迟建模的可靠替代方案？
• RQ2 基于GPS的TEC估算值与双波段VLBI在2.3 GHz和8.4 GHz频段测得的群延迟所推导的电离层延迟测量值之间的匹配精度如何？
• RQ3 基于GPS的TEC校正能在多大程度上提升8.4 GHz高精度VLBI天体测量中相位延迟测量的精度？
• RQ4 GPS TEC估算中的不确定性对VLBI观测中残余电离层延迟的影响如何，特别是在大陆基线与跨大陆基线之间有何差异？

主要发现

• 双频VLBI与基于GPS的TEC估算之间电离层延迟的均方根（RMS）差异在跨大陆基线中低于0.15 ns。
• 在大陆基线中，GPS与VLBI估算的电离层延迟RMS差异低于0.10 ns。
• 基于GPS的方法成功减小了8.4 GHz相位延迟中的电离层效应，实现了高精度的差分天体测量。
• 该方法使残余电离层延迟贡献约为30 ps，低于8.4 GHz频段0.2 ps的相对误差，远低于2π相位模糊度阈值。
• GPS与VLBI TEC估算之间的一致性证实了GPS获取的TEC在VLBI电离层延迟校正中的可靠性。
• 自1991年以来，密集GPS网络的可用性及TEC精度的提升，使得本研究中采用的薄壳模型及近似方法在现代应用中已不再必要。