基于數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和全球格網(wǎng)模型的電離層延遲建模選站策略

張碩,李建文,郭亮亮,魏勇,王世忠

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001;3.61206部隊(duì),大連 116023)

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基于數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和全球格網(wǎng)模型的電離層延遲建模選站策略

張碩1,2,李建文1,2,郭亮亮1,2,魏勇1,2,王世忠3

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001;3.61206部隊(duì),大連 116023)

GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量和跟蹤站的分布情況是影響電離層延遲建模的兩個(gè)重要因素。隨著全球GNSS跟蹤站數(shù)量的增加,如何合理選擇全球范圍內(nèi)的跟蹤站,提高電離層延遲建模的解算效率,已成為電離層延遲建模中的關(guān)鍵問(wèn)題。影響GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素有很多,如多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)完整率、周跳和信噪比等。本文根據(jù)全球電離層延遲建模的方法,提出基于數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和全球格網(wǎng)模型的電離層選站策略,并解算全球電離層TEC格網(wǎng),比較解算效率和精度,優(yōu)化現(xiàn)有的電離層延遲建模選站方法。

均勻分布;格網(wǎng)模型;數(shù)據(jù)質(zhì)量;電離層選站;解算效率;精度

0　引　言

電離層延遲是影響GNSS導(dǎo)航定位精度的主要誤差源之一,因此,建立全球電離層延遲模型,精確確定電離層延遲誤差,是目前GNSS電離層研究的關(guān)鍵[1]。在全球電離層延遲建模的過(guò)程中,首先要考慮的問(wèn)題是如何在全球范圍內(nèi)選擇跟蹤站。在進(jìn)行選站時(shí),考慮的因素之一是跟蹤站全球的均勻性。但是,由于地理及其他因素的限制,全球GNSS跟蹤站分布極不均勻。因此,在電離層延遲建模過(guò)程中,要合理利用現(xiàn)有的跟蹤站[2]。另外,目前全球GNSS跟蹤站在數(shù)量上呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),但現(xiàn)存各跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊,數(shù)據(jù)質(zhì)量好的跟蹤站和數(shù)據(jù)質(zhì)量差的跟蹤站混雜,如果選用了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的跟蹤站數(shù)據(jù),有可能會(huì)導(dǎo)致電離層延遲建模精度降低。因此,跟蹤站的數(shù)據(jù)質(zhì)量也是影響電離層延遲建模精度的重要因素之一[3]。當(dāng)前,在電離層延遲建模時(shí),跟蹤站選站研究較少,方法上也不夠完善。如果沒(méi)有合理的選站策略,可能會(huì)出現(xiàn)跟蹤站數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊的現(xiàn)象,極可能拉低整體電離層延遲建模精度;并且當(dāng)數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí),計(jì)算量增大,從而會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算速度。本文針對(duì)上述電離層延遲建模中跟蹤站方法問(wèn)題,提出了優(yōu)化現(xiàn)有電離層延遲建模選站的方法,并且可實(shí)現(xiàn)解算效率與精度的最優(yōu)。

1　選站策略

截止到2015年,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全球的IGS跟蹤站大約有500多個(gè),全球IGS跟蹤站的分布圖如圖1所示。從圖1中可以看出,全球IGS跟蹤站在全球分布極不均勻,歐洲地區(qū)跟蹤站分布密度較大,而海洋及兩極地區(qū)由于地理位置等因素的影響,跟蹤站分布密度過(guò)于稀疏。由此會(huì)造成電離層延遲建模時(shí),歐洲地區(qū)由于數(shù)據(jù)量龐大,計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。因此,如何合理選擇的跟蹤站,使解算效率與精度達(dá)到最優(yōu),是電離層延遲建模中的一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。

1.1基于格網(wǎng)模型的選站方法

經(jīng)緯網(wǎng)格是將地球橢球面上的經(jīng)線和緯線,按一定數(shù)學(xué)方法描繪到平面上,構(gòu)成有一定變形規(guī)律的網(wǎng)格[4]。基于格網(wǎng)模型選站的基本思想是根據(jù)全球跟蹤站的位置信息,對(duì)全球經(jīng)緯度格網(wǎng)進(jìn)行重新劃分,根據(jù)實(shí)際選站個(gè)數(shù)和跟蹤站分布密度,適當(dāng)調(diào)整格網(wǎng)大小。選擇跟蹤站時(shí),在跟蹤站分布密度較大的地區(qū)如歐洲地區(qū),如果格網(wǎng)內(nèi)跟蹤站數(shù)量超過(guò)一定閾值時(shí),按照觀測(cè)文件的綜合質(zhì)量對(duì)各個(gè)跟蹤站進(jìn)行排序,選擇綜合評(píng)價(jià)值靠前的數(shù)據(jù),保證選到的跟蹤站的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高[5]。

圖1　全球IGS跟蹤站分布圖

圖2　電離層延遲建模選站流程圖

基于格網(wǎng)模型的電離層選站步驟如下:

根據(jù)跟蹤站坐標(biāo)文件得到全球IGS跟蹤站經(jīng)緯度信息,然后并依據(jù)目標(biāo)跟蹤站數(shù)量重新劃分經(jīng)緯格網(wǎng)。

1) 由各跟蹤站的觀測(cè)文件所提供的信息,對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估,生成跟蹤站數(shù)據(jù)質(zhì)量信息并對(duì)跟蹤站進(jìn)行排序。

2) 當(dāng)經(jīng)緯格網(wǎng)中跟蹤站數(shù)量超過(guò)一定閾值時(shí),選用數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估排名靠前的跟蹤站。

3) 生成跟蹤站列表。

1.2數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法

1.2.1數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估參數(shù)

在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域,通常采用數(shù)據(jù)完整率、數(shù)據(jù)有效率、偽距多路徑、信噪比和周跳等參數(shù)來(lái)評(píng)估各跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量[6-7]。

1) 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率是跟蹤站實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)歷元總數(shù)與理論上應(yīng)該觀測(cè)的歷元總數(shù)之比。

(1)

式中: T為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)歷元總數(shù); P為理論上應(yīng)該觀測(cè)的歷元總數(shù)。

2) 數(shù)據(jù)有效率

(2)

式中: Lobs是丟失的歷元數(shù); Snobs數(shù)據(jù)的信噪比小于某一閾值的歷元數(shù); Elobs高度角小于某一衛(wèi)星高度角設(shè)置的歷元數(shù); Robs為總歷元數(shù)。

3) 偽距多路徑

(3)

(4)

(5)

式中: P1、P2分別表示L1和L2波段上的偽距觀測(cè)量; φ1、φ2表示L1、L2波段上的載波相位觀測(cè)量: f1、f2表示L1、L2載波的頻率。

4) 信噪比

接收的載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值,信噪比的單位是dBHz的單位。

5) 周跳比

周跳比就是觀測(cè)的歷元數(shù)與發(fā)生周跳的歷元數(shù)之比。

1.2.2綜合質(zhì)量評(píng)估

在進(jìn)行綜合質(zhì)量評(píng)估時(shí),需對(duì)各個(gè)評(píng)估參數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配,通常采用的方法是熵值法,即根據(jù)一種綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值所提供的信息量大小來(lái)確定權(quán)重系數(shù)的方法。根據(jù)熵的特性,所提供的信息量越大,其熵值也就越小[8]。假設(shè)m個(gè)指標(biāo),第k個(gè)指標(biāo)的熵值為Ik,則其權(quán)重為

(6)

2　實(shí)驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)基于數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和全球格網(wǎng)模型的綜合方法所提出的電離層延遲建模選站策略的可行性,并設(shè)計(jì)合理的選站方案,為以后的電離層延遲建模研究提供合適的選站參考。本文根據(jù)上述理論所采用的設(shè)計(jì)方案是選出全球約70、90、110、130、150、170、190、210、230個(gè)跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速電離層TEC格網(wǎng)的解算,并將解算結(jié)果與IGS最終電離層TEC格網(wǎng)產(chǎn)品的進(jìn)行比較,并統(tǒng)計(jì)RMS.在實(shí)驗(yàn)中,采用IGS提供的2015年年積日為284～289共6天的觀測(cè)數(shù)據(jù)。表1示出了解算快速電離層TEC格網(wǎng)的策略。

考慮到緯度對(duì)電離層活動(dòng)的影響較大,因此,將南北半球分別按照地理緯度0°～30°、30°～60°、60°～90°分為低、中、高三個(gè)緯度帶,統(tǒng)計(jì)不同緯度帶內(nèi)的與IGS最終電離層TEC格網(wǎng)產(chǎn)品的互差。結(jié)果如圖3所示。

表1　解算快速電離層TEC格網(wǎng)的策略

圖3　不同緯度帶內(nèi)的快速電離層TEC格網(wǎng)與IGS最終電離層TEC格網(wǎng)產(chǎn)品的互差(a)年積日284; (b)年積日285; (c) 年積日286; (d) 年積日287; (e) 年積日288; (f) 年積日289

從圖3中可以看出,隨著跟蹤站觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量的增加,快速電離層TEC格網(wǎng)與IGS最終電離層TEC格網(wǎng)產(chǎn)品的一致性的趨勢(shì)是越來(lái)越好的。但從圖3的六幅圖中可以看出南北半球中低緯度地區(qū)電離層RMS在隨著測(cè)站數(shù)量的增加變化不大,在高緯度地區(qū),電離層RMS隨測(cè)站數(shù)量的增加反而變大。采用本文方法分別選擇的110個(gè)跟蹤站和230個(gè)跟蹤站時(shí),高緯度地區(qū)電離層TEC格網(wǎng)精度僅相差0.03 TECu,中高緯度地區(qū)電離層TEC格網(wǎng)精度平均下降0.09 TECu.原因是隨著所需的跟蹤站數(shù)量的增加,全球經(jīng)緯度格網(wǎng)密度增大;然而高緯度地區(qū)的跟蹤站數(shù)量有限,而且數(shù)據(jù)質(zhì)量差的測(cè)站也會(huì)隨著站數(shù)的增多而被選入,因而導(dǎo)致高緯度地區(qū)電離層TEC格網(wǎng)的RMS增大。

在進(jìn)行電離層延遲建模時(shí),如果盲目選擇大量跟蹤站數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí),會(huì)出現(xiàn)計(jì)算量增大,從而會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算速度。因此,不僅要考慮電離層TEC格網(wǎng)的精度,還要考慮實(shí)際解算時(shí)間。圖4示出了上面算例中年積日為284的快速電離層TEC格網(wǎng)解算效率,計(jì)算平臺(tái)是DELL R910四核服務(wù)器,操作系統(tǒng)為Windows server 2003 SP2 x86.

從圖4中可以看出,隨著跟蹤站數(shù)量的增加,快速電離層TEC格網(wǎng)解算的時(shí)間會(huì)逐漸增加,解算時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。在以往的電離層延遲建模中,采用的是200個(gè)左右的IGS跟蹤站進(jìn)行快速電離層TEC格網(wǎng)的解算,解算時(shí)間為27 min左右,但采用本文所提出的方法,只要選擇110個(gè)跟蹤站,就能滿足快速電離層TEC格網(wǎng)精度的要求,解算效率提高40%.

圖4　年積日為284的快速電離層TEC格網(wǎng)解算時(shí)間

3　結(jié)束語(yǔ)

本文綜合考慮影響跟蹤站的全球分布情況和數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)蓚€(gè)因素,提出基于數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和全球格網(wǎng)模型的電離層延遲建模選站策略。在實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)了不同數(shù)量跟蹤站的選站方案,選擇年積日284～289 6天的觀測(cè)文件,解算全球電離層TEC格網(wǎng),比較解算時(shí)間和精度,得出一下兩個(gè)結(jié)論:

1) 隨著所需的跟蹤站數(shù)量的增加,全球經(jīng)緯度格網(wǎng)密度增大;然而高緯度地區(qū)的跟蹤站數(shù)量有限,而且數(shù)據(jù)質(zhì)量差的測(cè)站也會(huì)隨著站數(shù)的增多而被選入,導(dǎo)致高緯度地區(qū)電離層TEC格網(wǎng)的RMS增大。

2) 采用本文所提出的方法,只要選擇數(shù)量較少的跟蹤站,就能滿足快速電離層TEC格網(wǎng)精度的要求,解算效率將大幅提高。

基于本文所提出的電離層延遲建模選站策略,當(dāng)跟蹤站的數(shù)量達(dá)到110時(shí),在滿足電離層TEC格網(wǎng)精度的同時(shí),解算效率能夠提高40%.因此,該方法可在保證精度的前提下廣泛應(yīng)用于電離層快速確定，實(shí)時(shí)電離層研究等應(yīng)用方向。

致謝:感謝信息工程大學(xué)iGMAS分析中心對(duì)本文撰寫(xiě)的支持。

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Station Selection Strategy ofIonospheric ModelingBased on Data Quality Assessment and Global Grid Model

ZHANG Shuo1,2,LI Jianwen1,2,GUO Liangliang1,2,WEI Yong1,2,WANG Shizhong3

(1.CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China;2.BeidouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China;3.61206Troops,Dalian116023,China)

The distribution and data quality of GNSS tracking stationsare two important factors that influence the ionospheric delay modeling. With increasing the number of GNSS tracking stations, how to choose good-quality data observation around the world and optimize the efficiency of ionospheric delay modeling, it has become the key issue in ionospheric delay modeling. There are many factors affect GNSS data quality, such as multi-path effects, data integrity rate, cycle slips and SNR. According to strategy of ionospheric delay modeling, this paper put forward to a selected-station strategy based on data quality assessment and global grid model, solve global ionospheric TEC grid, compare solve efficiency and accuracy, and optimize of existing ionospheric selected station methods.

Evenly distributed; grid model; data quality; ionospheric selected-station strategy; efficiency; accuracy

2015-12-19

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0001-05

張碩(1992-),女,碩士生,主要從事電離層方向研究。

李建文(1971-),男,教授,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程與應(yīng)用研究。

郭亮亮(1991-),男,碩士生,主要從事衛(wèi)星精密定位研究。

魏勇(1989-),男,碩士生,主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理與模型研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.001

聯(lián)系人： 張碩E-mail: mei_xi0619@163.com