北斗系統(tǒng)電離層模型參數(shù)改正精度分析

李耿浩,趙夢琪

(75711部隊,廣東 廣州 510515)

0 引 言

電離層分布于地球表面以上60～1000 km空間,對衛(wèi)星導航信號的時延效應一般在白天可達15 m,夜晚可達3 m;在天頂方向最大可達50 m,在水平方向最大可達150 m,是衛(wèi)星導航定位中主要的誤差源之一[1-3]。對于大眾單頻實時導航定位用戶,必須采用有效的電離層延遲模型才可削弱該誤差源的影響。目前,衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要通過建立電離層修正模型,通過廣播星歷向單頻用戶播發(fā)模型參數(shù),模型參數(shù)精度將直接影響導航系統(tǒng)定位、測速和授時精度[4-6]。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BNSY)是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),計劃2020年左右建成覆蓋全球的衛(wèi)星導航系統(tǒng),屆時將為全球北斗用戶提供定位、授時和報文通信一體化服務[7-8]。2012年12月27日,基于5GEO+5IGSO+4MEO完整星座的北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)開放運行,提供亞太地區(qū)的定位測速授時(PVT)服務[9]，BDS所采用的電離層模型與GPS類似為Klobuchar 8參數(shù)模型,但是,BDS發(fā)播的電離層參數(shù)模型是基于日固地理坐標系,且每兩小時更新1組,GPS系統(tǒng)發(fā)播的Klobuchar電離層模型是基于日固地磁系的,每天更新1組。因此,BDS發(fā)播的電離層模型參數(shù)的改正精度受到了極大的關注[9-10]。

本文討論了常用的電離層模型參數(shù)改正精度的評估方法,介紹了BDS電離層模型參數(shù)的計算電離層延遲改正量的方法和歐洲定軌中心(CODE)提供的全球電離層圖(GIM)數(shù)據(jù)計算電離層延遲改正量方法,采用實測數(shù)據(jù)分析了BDS電離層模型參數(shù)白天和晚上的改正精度。

1 原理及算法

1.1 常用評估方法

目前常用的電離層模型參數(shù)改正精度評估方法主要有電離層垂直電子總含量(VTEC)比較法和單頻單點定位法。VTEC比較法是指利用廣播星歷播發(fā)的電離層模型求得任一時刻任意位置上的VTEC與其他更高精度的電離層模型計算的結果進行比較。單頻單點定位法就是直接用定位結果檢驗模型精度,利用單頻單點定位試驗可以獲得電離層延遲模型在實際定位問題中的改正精度,進而驗證由廣播星歷播發(fā)的電離層延遲模型參數(shù)精度。本文利用VTEC比較法進行實驗,采用CODE模型計算的電離層時延對BDS廣播星歷電離層參數(shù)進行評估。

1.2 BDS電離層延遲量計算

根據(jù)BDS ICD,用戶利用BDS Klobuchar模型參數(shù)計算電離層垂直延遲改正Iz(t)

(1)

式中:Iz為電離層垂直天頂延遲,單位為s,相應頻率為B3;t為以秒為單位的接收機至衛(wèi)星連線與電離層交點(M)處的地方時(取值范圍為0～86 400).對于計算不同頻率的Iz,需要乘以一個與頻率有關的因子k(f).電離層參考高度為375 km.

其中,A2為白天余弦曲線的幅度,由αn系數(shù)計算得到:

(2)

式中,A4為余弦曲線的周期,單位為s,用βn系數(shù)求得

(3)

1.3 CODE電離層延遲量計算

CODE采用全球150個GPS站點的觀測數(shù)據(jù)后處理得到15階球諧系數(shù),進而可得到2h一組的全球電離層地圖(GIM)。CODE提供的電離層產(chǎn)品格式有兩種,1)直接提供15階球諧系數(shù),求解某時刻某地理位置的電離層延遲改正量直接簡化為求解某時刻的展開函數(shù);2)給出地磁坐標框架下,緯度范圍-87.5～87.5,間隔2.5°;經(jīng)度范圍-180～180,間隔5°格網(wǎng)點上的垂直電子含量VTEC,某時刻某地理位置的電離層延遲改正量通過內(nèi)插獲得。

2 算例分析

2.1 數(shù)據(jù)及統(tǒng)計方法

采集了2012年9月1日-2012年11月30日共3個月BDS廣播電離層參數(shù)(Klobuchar8模型參數(shù))數(shù)據(jù),同時采集了對應時刻的CODE提供的2 h一組的全球電離層地圖(GIM)數(shù)據(jù)。采用CODE提供的GIM數(shù)據(jù),計算出西安站與各衛(wèi)星的視線方向的電離層改正量,再與采用大地系Klobuchar 8參數(shù)模型參數(shù)計算得到的電離層改正量進行比較。

統(tǒng)計方法:以采集的BDS電離層參數(shù)為對象,計算站星視線方向的電離層延遲改正值Dion1,采用CODE模型計算對應時刻穿刺點的電離層延遲改正值Dion2,則改正比例p計算公式為

(4)

其中:白天為(UTC8∶00-20∶00),夜間為(UTC21∶00-07∶00)

2.2 精度分析

以西安站為例,采用上述方法統(tǒng)計9月份-11月份電離層改正精度,如表1和圖1所示,與CODE模型進行比較統(tǒng)計結果表明:

1)Klobuchar 8參數(shù)模型的電離層改正比例,白天為80%左右,10月份改正比率略偏差,平均為67.72%,11月份改正比率較高,達到90.01%。

2)Klobuchar 8參數(shù)模型的電離層改正比例,夜間為75%左右,11月份改正比率較高,達到84.16%。

3 結束語

本文介紹了常用的電離層精度評估方法和BDS發(fā)播的電離層模型參數(shù)的使用方法,利用CODE提供的2 h一組GIM數(shù)據(jù),評估了BDS發(fā)播的Klobuchar模型的電離層參數(shù)改正精度,評估結果表明:BDS Klobuchar 8參數(shù)模型在西安地區(qū)的電離層改正比例,白天為80%左右,夜間為75%左右。

由于CODE模型建模過程中僅選用了5個國內(nèi)站,CODE模型在國內(nèi)精度不高,如何提高BDS電離層模型評估基準精度是下一步需要研究的內(nèi)容。

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