基于SDCORS的區(qū)域電離層模型研究

劉智敏,李洋洋,李斐,郭金運(yùn),張海平,湯玉兵,孔昭龍

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590；2.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266590；3.山東省國土測繪院,濟(jì)南 250102)

基于SDCORS的區(qū)域電離層模型研究

劉智敏1,2,李洋洋1,李斐1,郭金運(yùn)1,2,張海平3,湯玉兵3,孔昭龍3

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590；2.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266590；3.山東省國土測繪院,濟(jì)南 250102)

區(qū)域電離層模型對實(shí)現(xiàn)GNSS高精度定位具有重要意義。本文基于SDCORS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理及分析系統(tǒng),利用SDCORS雙頻數(shù)據(jù),同時(shí)解算總電子含量和差分碼偏差,對比分析IAACs最終的差分碼偏差、電離層格網(wǎng)產(chǎn)品,并應(yīng)用于單頻精密單點(diǎn)定位。結(jié)果表明，衛(wèi)星差分碼偏差、電離層格網(wǎng)產(chǎn)品與CODE結(jié)果的一致性最相符,衛(wèi)星差分碼偏差差值在0.15 ns內(nèi),其它的在0.2 ns左右,山東范圍內(nèi)總電子含量差值的RMS值在2.2 TECU內(nèi),其它的在1.2～5.4 TECU;靜態(tài)PPP單天解的N、E方向偏差20 cm,U方向30 cm左右。

SDCORS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理及分析系統(tǒng);區(qū)域電離層模型;總電子含量;差分碼偏差

0 引 言

電離層是處于地面以上約60～1 000 km范圍內(nèi)的離子化的大氣層,電離層延遲改正是實(shí)現(xiàn)GNSS高精度定位的關(guān)鍵。GNSS應(yīng)用中采用電離層模型一般分為基函數(shù)模型、網(wǎng)格模型?；瘮?shù)模型主要是基于假定的數(shù)學(xué)函數(shù)模型,通過最優(yōu)估計(jì)模型系數(shù)獲得區(qū)域電離層電子濃度總含量(TEC),可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的外推與預(yù)測,主要包括多項(xiàng)式函數(shù)[1]、廣義三角級(jí)數(shù)函數(shù)[2-3]、球諧函數(shù)[4]等模型;格網(wǎng)模型是基于電離層穿刺點(diǎn)的TEC,按照一定數(shù)學(xué)內(nèi)插方法,得到格網(wǎng)點(diǎn)上的電離層TEC,可以有效地反映局部電離層TEC的精細(xì)變化,主要方法包括加權(quán)平均內(nèi)插[5]、Kriging內(nèi)插[6]、三角格網(wǎng)內(nèi)插[7]等。IGS包括四個(gè)電離層聯(lián)合分析中心(IAACs):歐洲定軌中心(CODE)、歐洲空間局操作中心(ESA)、美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL) 和加泰羅尼亞理工大學(xué)(UPC)。CODE、ESA采用基函數(shù)模型,JPL、UPC采用格網(wǎng)模型。

各省市CORS的快速發(fā)展,為利用區(qū)域CORS觀測數(shù)據(jù)建立高精度的區(qū)域電離層模型,進(jìn)一步研究區(qū)域電離層的物理特性,并應(yīng)用區(qū)域電離層模型提高定位精度提供了條件。國內(nèi)外眾多學(xué)者對區(qū)域電離層建模進(jìn)行深入研究[7-12],取得了一定的成果。建立區(qū)域電離層模型的關(guān)鍵在于總電子含量(TEC)的確定,而差分碼偏差(DCB)是精確計(jì)算TEC的最大誤差源,DCB分為衛(wèi)星差分碼偏差與接收機(jī)差分碼偏差。衛(wèi)星與接收機(jī)差分碼偏差參數(shù)存在兩種確定方式:一種是在電離層TEC建模過程中將差分碼偏差作為常數(shù)進(jìn)行同步估計(jì)[4],需要分布較為均勻且數(shù)量相當(dāng)?shù)腉NSS基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù);另外一種是采用經(jīng)驗(yàn)或已知的電離層模型修正電離層時(shí)延,進(jìn)而直接估計(jì)差分碼偏差參數(shù)[13-14],可選用IGS發(fā)布的全球電離層模型或區(qū)域電離層模型。

本文基于SDCORS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理及分析系統(tǒng)[15],利用SDCORS系統(tǒng)[16]雙頻觀測數(shù)據(jù),建立山東區(qū)域TEC電離層模型,同時(shí)解算衛(wèi)星和接收機(jī)的差分碼偏差,選取IAACs最終DCB、電離層TEC格網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)行對比,評定解算結(jié)果的精度。并將建立的區(qū)域電離層模型、差分碼偏差產(chǎn)品應(yīng)用于單頻精密單點(diǎn)定位(PPP),分析其對定位精度的影響。

1 GPS探測電離層模型

衛(wèi)星信號(hào)穿過電離層時(shí),傳播速度和方向會(huì)發(fā)生改變,產(chǎn)生所謂電離層延遲誤差。電離層延遲誤差與信號(hào)頻率以及信號(hào)傳播路徑上的TEC有關(guān)。對于雙頻觀測,可采用幾何無關(guān)線性組合來解算斜向電離層總電子含量(STEC),計(jì)算公式為

(1)

(2)

雖然載波相位觀測量精度高,但要顧及周跳、整周模糊度,過多的整周模糊度將加重計(jì)算負(fù)擔(dān)。所以本文采用偽距觀測值來解算STEC,為提高偽距觀測值的精度,采用相位平滑偽距的方法[4.17],可得總電子含量STEC:

(DCBs+DCBr)],

(3)

(4)

式中:R=6371.000 km;H為單層電離層高度(取H=450 km);z′為穿刺點(diǎn)處信號(hào)傳播路徑方向的天頂距;z為測站處信號(hào)傳播路徑方向的天頂距。為更好描述電離層TEC的分布和變化,本文采用低階球諧函數(shù)模型,其公式為[4,18]

(5)

2 SDCORS區(qū)域電離層模型建立與結(jié)果分析

2.1 模型建立與數(shù)據(jù)處理

選取SDCORS區(qū)域2015年1月1日50個(gè)基準(zhǔn)站,如圖1所示的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,經(jīng)緯度覆蓋范圍為8°×4°,采樣間隔為30s.選擇其中均勻分布的45個(gè)觀測站作為基準(zhǔn)站進(jìn)行區(qū)域電離層建模,其余5個(gè)作為流動(dòng)站進(jìn)行單頻PPP定位以驗(yàn)證區(qū)域電離層模型精度。電離層建模及定位處理中采用IGS事后精密星歷及鐘差。采用5階球諧函數(shù)模型進(jìn)行區(qū)域電離層擬合,同時(shí)解算衛(wèi)星、接收機(jī)的差分碼偏差。區(qū)域電離層模型產(chǎn)品按照標(biāo)準(zhǔn)IONEX格式輸出,時(shí)間分辨率為1h,空間分辨率為1°×1°．區(qū)域電離層建模采用SDCORS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理及分析系統(tǒng)如圖2所示,SDCORS、IAACs數(shù)據(jù)處理策略如表1所示。

圖1 SDCORS測站分布

圖2 SDCORS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理及分析系統(tǒng)

表1 SDCORS、IAACs數(shù)據(jù)處理策略

2.2 結(jié)果與分析

對解算所得的衛(wèi)星差分碼偏差與IAACs的結(jié)果進(jìn)行比較,如圖3所示。由圖3比較可知,衛(wèi)星DCB與IAACs最終衛(wèi)星DCB相比,CODE差值最小,均在±0.1 ns 以內(nèi),分析兩者采用相同的解算模型,其結(jié)果一致性最相符,與UPC差值最大,最大值達(dá)到0.25 ns.IAACs解算運(yùn)用的是全球分布的IGS跟蹤站觀測數(shù)據(jù),衛(wèi)星的覆蓋和觀測都是全球性的,而SDCORS基準(zhǔn)站分布為區(qū)域性的,觀測到的衛(wèi)星不是很均勻,導(dǎo)致解算結(jié)果存在偏差。

圖3 SDCORS衛(wèi)星DCB與IAACs差值

驗(yàn)證解算得到的VTEC的精度,將SDCORS解算所得電離層格網(wǎng)結(jié)果與IAACs最終電離層格網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)行比較,VTEC的對比結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示,對比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、表3、表4所示。首先對IAACs最終電離層格網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)行插值[19],提取山東區(qū)域的格網(wǎng)VTEC值與本文進(jìn)行對比。由于在白天正午時(shí)刻電離層活躍最強(qiáng),傍晚凌晨活躍最弱,限于篇幅,本文只給出具有代表性的UTC 04:00:00 、12:00:00、20:00:00的比較結(jié)果。由圖3、圖4、圖5可以看出,電離層格網(wǎng)產(chǎn)品與CODE結(jié)果的一致性最相符,山東范圍內(nèi)差值的RMS在2.2 TECU內(nèi),其它IAACs的RMS在1.2～5.4 TECU。偏差受緯度、時(shí)間的影響,中午時(shí)刻以及緯度相對低的地區(qū)電離層活躍更強(qiáng),偏差更大。IAACs解算全球VTEC時(shí),在中國境內(nèi)IGS站較少,導(dǎo)致解算結(jié)果在一定程度上存在偏差。

圖4 UTC 04:00 VTEC SDCORS的VEEC與IAACs對比

圖5 UTC 12:00 SDCORS的VTEC與IAACs對比

圖6 UTC 20:00 VTEC SDCORS的VTEC與IAACs對比

表2 SDCORS與IAACs UTC04對比結(jié)果統(tǒng)計(jì)(單位:TECU)

表3 SDCORS與IAACs UTC12對比結(jié)果統(tǒng)計(jì)(單位:TECU)

表4 SDCORS與IAACs UTC20對比結(jié)果統(tǒng)計(jì)(單位:TECU)

采用單頻PPP檢驗(yàn)區(qū)域電離層的模型精度,選取SDNH、SDSG、SDWL、SDDY、SDAQ基準(zhǔn)站,如圖1所示,作為單頻流動(dòng)站用戶。采用SDCORS區(qū)域電離層模型進(jìn)行電離層改正,以雙頻PPP計(jì)算結(jié)果作為真值進(jìn)行對比,N，E，U方向的定位精度如圖7所示。由圖7可以得出,靜態(tài)單頻PPP單天解的N、E方向精度為20 cm右左,U方向?yàn)?0 cm左右,對于單頻用戶定位精度有明顯改善。本文獲取的STEC通過投影函數(shù)轉(zhuǎn)換成VTEC,再進(jìn)行電離層模型擬合,投影函數(shù)以及模型擬合函數(shù)的不精確性會(huì)導(dǎo)致電離層模型精度下降,本文也沒有考慮到電離層梯度的變化,這些都會(huì)影響到模型的精度。另外單頻PPP進(jìn)行電離層格網(wǎng)內(nèi)插,模型精度在時(shí)間、空間上降低,導(dǎo)致N、E、U方向存在系統(tǒng)性的偏差。因此,投影函數(shù)、擬合函數(shù)、電離層梯度、內(nèi)插方法等需要進(jìn)一步的研究,提高區(qū)域電離層模型的精度。

圖7 單頻PPP靜態(tài)解算精度

3 結(jié)束語

本文基于SDCORS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理及分析系統(tǒng),利用SDCORS基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù),進(jìn)行山東區(qū)域電離層建模,同時(shí)解算出衛(wèi)星和接收機(jī)的(DCB)。通過與IAACs最終衛(wèi)星DCB、電離層格網(wǎng)結(jié)果進(jìn)行對比,并應(yīng)用于單頻PPP,分析其對定位精度的影響。分析后得到如下結(jié)論:

1) SDCORS解算的衛(wèi)星DCB、電離層格網(wǎng)產(chǎn)品與CODE結(jié)果的偏差最小,衛(wèi)星DCB差值在0.15 ns內(nèi),其它IAACs的差值在0.2 ns左右;山東范圍電離層格網(wǎng)偏差的RMS在2.2 TECU內(nèi),其它IAACs的RMS在1.2～5.4 TECU,結(jié)果偏差大小受時(shí)間、緯度的影響。

2) 單頻PPP靜態(tài)定位單天解的N、E方向偏差為20 cm左右,U方向?yàn)?0 cm左右,表明單頻用戶可采用本文的模型來減少電離層延遲的影響。

本文獲取的STEC通過投影函數(shù)轉(zhuǎn)換成VTEC,再進(jìn)行電離層模型擬合,需要改進(jìn)投影函數(shù)、擬合函數(shù),研究電離層梯度的變化,提高區(qū)域電離層精度,進(jìn)一步研究單頻PPP電離層高階項(xiàng)的改正。IGS的超快星歷、鐘差,有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)域電離層模型的實(shí)時(shí)建模與預(yù)報(bào),因此區(qū)域電離層的實(shí)時(shí)建模與預(yù)報(bào)需要進(jìn)一步研究,以便用于單頻用戶實(shí)時(shí)定位。

致謝:感謝IGS提供的GPS衛(wèi)星精密星歷、鐘差產(chǎn)品；日本東京海洋大學(xué)提供的RTKLIB.

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[19]BLANCH J. An ionosphere estimation algorithm for WAAS based on Kriging [D]. California: University of Stanford, 2002.

Research on Regional Ionospheric Model Based on SDCORS

LIU Zhimin1,2,LI Yangyang1,LI Fei1,GUO Jinyun1,2,ZHANG Haiping3,TANG Yubing3,KONG Zhaolong3

(1.CollegeofGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.KeyLaboratoryofSurveyingandMappingTechnologyonIslandandReef,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinfomation,Qingdao266590,China;3.ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250102,China)

Regional Ionospheric Model has a great significant to the implement of the precise point positioning based on single-frequency GNSS. Based on Shandong CORS Data Auto-processing Management and Analysis System, Double-frequency datas were used for calculating Total Electron Content and Differential Code Bias in this paper. the results were contrasted with those made in IAACs and were also applied to Single frequency Precise Point Positioning. The results shows that the Differential Code Bias and Ionospheric grid products consistent with the CODE excellently. The difference of Satellites’Differential Code Bias is within 0.15 ns and others is about 0.2 ns. The RMS of Total Electron Content difference in Shandong is within 2.2 TECU and others is 1.2 to 5.4 TECU; The static PPP single-day bias is 20 cm in the N and E direction,while about 30 cm in the U direction.

Shandong CORS Data Auto-processing management and Analysis System; regional ionospheric model; total electron content; differential code bias

2016-05-12

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41374009),青島博士后基金(編號(hào):2015186)

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.015

P228.4

1008-9268(2016)06-0075-06

劉智敏(1975-),女,河北唐山人,副教授,博士,主要從事GNSS定位理論技術(shù)及其應(yīng)用等研究。

李洋洋(1991-),男,山東東營人,碩士生,研究方向?yàn)镚NSS精密定位與數(shù)據(jù)處理。

李斐(1992-),女,山東煙臺(tái)人,碩士生,研究方向?yàn)镚NSS精密定位理論與應(yīng)用。

郭金運(yùn)(1969-),男,山東巨野人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事空間大地測量、海洋大地測量和物理大地測量等研究。

聯(lián)系人：李洋洋 E-mail: liyang1416@126.com