Tầng điện ly là một vùng của lớp khí quyển tại độ cao khoảng từ 50 tới 1000km so với mặt đất. Trong lớp này, tia cực tím của mặt trời ion hóa các nguyên
37
tử và phân tử. Kết quả là những electron và ion được tạo ra từ hạt neutral khí quyển trong suốt quá trình sự quang ion hóa[18]. Những electron tự do trong tầng điện ly gây ra những ảnh hưởng rất xấu trên quá trình truyền của tín hiệu vi sóng, bao gồm sự khúc xạ, phản xạ và hấp thụ. Khi tín hiệu GPS và GLONASS truyền qua tầng điện ly, tốc độ truyền thay đổi, và vì vậy dải đo đạc giữa một người dùng và một vệ tinh bị sai lệch bởi trễ tầng điện ly. Lỗi trễ tầng điện ly có thể đạt tới cực đại là 10m và trở thành nguồn lỗi vượt trội hơn hẳn khi bỏ qua tính sẵn sàng chọn lọc GPS. Để đạt được độ chính xác cao hơn trong định vị và điều hướng vệ tinh, ảnh hưởng của tầng điện ly phải được tính toán.
Hệ số khúc xạ là một trong những thông số quan trọng nhất mô tả đặc điểm của tầng điện ly. Tầng điện ly là một môi trường phân tán, và vì vậy hệ số khúc xạ của nó là một hàm của tần số. Kết quả là tầng điện ly có thể là nguyên nhân gây ra những trễ khác nhau cho những tần số L1 và L2 của GPS và GLONASS. Xấp xỉ bậc một của hệ số khúc xạ pha có thể được viết như sau[27]:
np = 1 −40.3∗Ne
𝑓2 (3.2.1)
Trong đó Ne là tổng mật độ electron (el/m3); f là tần số sóng (Hz) Hệ số khúc xạ nhóm bậc một được thể hiện bởi công thức:
ng = 1 +40.3∗Ne
𝑓2 (3.2.2)
Tốc độ truyền có thể được biểu diễn như một hàm của hệ số khúc xạ như sau: v=𝑐
𝑛 (2.2.3). Trong đó c là tốc độ ánh sáng.
Trễ nhóm tầng điện ly có thể được biểu diễn trong một đơn vị độ dài như sau[18]:
∆𝑔 = ∫(𝑛𝑔− 1)𝑑𝑙 (3.2.4)
Từ công thức (2.2.2), công thức (2.2.4) có thể viết như sau:
∆𝑔 =40.3
𝑓2 ∫ 𝑁𝑒𝑑𝑙 = 40.3
𝑓2 𝑇𝐸𝐶 (3.2.5)
Trong đó, TEC (Total Electron Content) là tổng số electron dọc theo đường đi giữa một trạm và vệ tinh. Tương tự, sự sớm pha sóng mang có thể được viết như sau:
38 ∆𝜙 = ∫(𝑛𝑝 − 1)𝑑𝑙 = −40.3
𝑓2 ∫ 𝑁𝑒𝑑𝑙 = −40.3
𝑓2 𝑇𝐸𝐶 (3.2.6)
Vì có thể được nhìn thấy từ dấu hiệu của trễ nhóm và sự sớm pha, giả cự ly pha được đo ngắn hơn so với dải hình học thực tế giữa vệ tinh và máy thu trong khi giả cự ly mã được đo dài hơn só với dải hình học thực tế. Vì vậy, giả cự ly pha sóng mang được coi là sớm pha trong khi giả cự ly mã được coi là trễ.
Với những người dùng GPS đơn tần số, một mô hình tầng điện ly Klobuchar, sử dụng một đường hình sin để điều chỉnh biến động trung bình hàng ngày của tầng điện ly, được sử dụng khá phổ biến để sửa chữa lỗi tầng điện ly. Những thông số của mô hình Klobuchar được truyền đi qua bản tin định vị. Một hạn chế của mô hình Klobuchar là nó chỉ có thể bù được 50-60% tổng ảnh hưởng tầng điện ly[16]. Chen and Gao (2005) so sánh mô hình Klobuchar với mô hình tầng điện ly toàn cầu (GIM) cung cấp bởi IGS và mô hình ước lượng trễ tầng điện ly, trong đó, trễ tầng điện ly cực đại được ước lượng sử dụng theo dõi pha và code[26]. Những kết quả chỉ ra rằng mô hình ước lượng tầng điện ly và GIM cho ra hiệu năng tốt hơn so với mô hình Klobuchar.
Với những người dùng GPS lưỡng tần số, ảnh hưởng tầng điện ly có thể được giảm bớt thông qua kết hợp tuyến tính của phép đo trên L1 và L2 dựa theo đặc tính tán sắc của tầng điện ly. Trong định vị điểm chính xác, sự kết hợp theo dõi tự do tầng điện ly thường được dùng để giảm bớt tác dụng của lỗi trễ tầng điện ly. Hai phương trình dưới đây thể hiện sự kết hợp theo dõi tự do tầng điện ly truyền thống[17]: 𝑃𝐼𝐹 = 𝑓𝐿12 𝑓𝐿12−𝑓𝐿22 𝑃𝐿1 − 𝑓𝐿22 𝑓𝐿12−𝑓𝐿22 𝑃𝐿2 (3.2.7) 𝜙𝐼𝐹 = 𝑓𝐿12 𝑓𝐿12−𝑓𝐿22 𝜙𝐿1− 𝑓𝐿22 𝑓𝐿12−𝑓𝐿22 𝜙𝐿2 (3.2.8)
Trong đó PIF và ϕIF tương ứng là theo dõi pha và mã tự do tầng điện ly; ϕL1 và ϕL2 tương ứng là theo dõi pha sóng mang trên L1 và L2 với đơn vị độ dài; PL1 và PL2 tương ứng là theo dõi code trên L1 và L2; fL1 và fL2 tương ứng là tần số sóng mang L1 và L2.
39