GPSKLOBUCHAR模型改正精度異常現(xiàn)象分析

魯強(qiáng)

摘要：對(duì)于GNSS單頻用戶而言，廣播電離層模型是電離層的延遲改正的主要方法。 目前，用于全球的廣播電離層模型有GPSK8模型、BDSSH模型、和NeQuick2模型。本文對(duì)GPSK8模型在17年5月份北半球中緯區(qū)域分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)在個(gè)別測(cè)站上出現(xiàn)改正精度較差的異?，F(xiàn)象。作為比對(duì)模型，還一同分析了NeQuick2模型和BDSSH模型。對(duì)出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象展開研究和分析，其結(jié)果表明模型改正精度出現(xiàn)異常的原因是測(cè)站的實(shí)測(cè)基準(zhǔn)存在異常所致。

Abstract： For GNSS single-frequency users， the broadcast ionosphere model is the main method for the delayed correction of ionosphere. Currently， the global broadcast ionosphere model has GPSK8 model， BDSSH model， and NeQuick2 model. In this paper， the model of GPSK8 was analyzed in the northern latitudes of the northern hemisphere in May 17， and it was found that the abnormality of correction accuracy was found on individual stations. As a comparison model， NeQuick2 model and BDSSH model are analyzed together. The results of the study and analysis of abnormal phenomena show that the anomaly of the accuracy of the model correction is caused by the anomaly of the measured datum of the station.

關(guān)鍵詞：GPSK8模型；BDSSH模型；異?，F(xiàn)象分析；實(shí)測(cè)VTEC

Key words： GPSK8 model；BDSSH model；abnormal analysis；The measured VTEC

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）03-0146-05

0 引言

隨著GNSS定位技術(shù)的發(fā)展，電離層延遲誤差成為影響GNSS定位的主要誤差源之一[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此有著深入的研究，其結(jié)果表明在太陽活動(dòng)的平靜期，電離層延遲引起的天頂方向測(cè)距誤差一般在5～15m，在太陽活動(dòng)高峰期影響可達(dá)上百米[2，3]。對(duì)于雙頻接收機(jī)，可以通過雙頻消電離層組合消除電離層一階項(xiàng)；但對(duì)于單頻接收機(jī)而言，主要是通過電離層模型進(jìn)行改正，目前常用的廣播電離層模型有GPSK8、BDSK8、BDSSH9、NeQuick2模型等。

常見的幾種廣播電離層模型都是實(shí)時(shí)播發(fā)電離層參數(shù)給用戶進(jìn)行延遲改正，但這幾種模型在參數(shù)的播發(fā)上各異。GPSK8模型通過電文播發(fā)K8參數(shù)用于修正電離層時(shí)延誤差。新一代北斗全球廣播電離層模型-BDSSH模型主要根據(jù)衛(wèi)星位置、用戶概略位置、導(dǎo)航電文播發(fā)的電離層參數(shù)及固化于用戶接收機(jī)的非播發(fā)電離層參數(shù)即可幫助單頻用戶計(jì)算電離層延遲改正。NeQuick模型是一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過電文播發(fā)三個(gè)電離層矯正參數(shù)進(jìn)行電離層延遲改正。

本文對(duì)GPSK8模型在北半球中緯區(qū)域17年5月性能分析時(shí)發(fā)現(xiàn)DUBO測(cè)站在改正精度上連續(xù)6天出現(xiàn)異常現(xiàn)象，對(duì)出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象從實(shí)測(cè)基準(zhǔn)VTEC信息和測(cè)站在非異常期的比對(duì)展開分析，并得到相應(yīng)的結(jié)論。

1 GNSS廣播電離層模型

1.1 GPSK8模型

GPS廣播電離層模型采用的是KLOBUCHAR模型，該模型是利用三角余弦函數(shù)建立的電離層模型，白天在地方時(shí)14時(shí)左右出現(xiàn)峰值，晚上的時(shí)延為常數(shù)，5ns。在對(duì)參數(shù)的設(shè)置考慮了電離層周日變化的振幅和相位變化，能較好的表征電離層時(shí)間延遲的特性。

GPSK8模型播發(fā)的8個(gè)參數(shù)是基于地磁坐標(biāo)系。利用全球GNSS雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)解算得到的，該參數(shù)每天更新一組，通過廣播星歷播發(fā)給用戶。該模型模型的優(yōu)點(diǎn)在于模型公式簡(jiǎn)單，并且計(jì)算效率高。GPSK8模型計(jì)算電離層延遲的步驟詳見參考文獻(xiàn)[4，5，6]。

1.2 NeQuick模型

NeQuick模型是一種描述電離層電子密度時(shí)空變化的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其特點(diǎn)是把電離層分層，通過模型自帶的數(shù)據(jù)文件，可計(jì)算特定時(shí)間空間任意一點(diǎn)的電子密度，對(duì)電子密度積分得到任意傳播路徑上的總電子含量，進(jìn)而得到電離層時(shí)延誤差。

由于是半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停琋eQuick模型也在不斷同步更新，在最初的NeQuick1后，對(duì)模型的一些參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化之后，繼而得到目前使用的NeQuick2模型，有關(guān)NeQuick1和NeQuick2模型的具體算法詳見參考文獻(xiàn)[7，9，10]。

1.3 BDSSH模型

新一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將提供給單頻用戶全新的北斗廣播電離層時(shí)延修正模型-BDSSH模型，李子申在2012年首先提出該模型，驗(yàn)證了模型的可靠性。

BDSSH模型通過導(dǎo)航電文播發(fā)的電離層參數(shù)及固化于用戶接收機(jī)的非播發(fā)電離層參數(shù)即可幫助單頻用戶計(jì)算信號(hào)傳播方向的電離層延遲改正值。其模型計(jì)算電離層延遲的基本步驟可參考文獻(xiàn)[8]。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

我們?cè)诶脺y(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和廣播電離層參數(shù)來評(píng)估不同廣播電離層模型的精度時(shí)，采用改正率P和均方根誤差RMS作為評(píng)估模型精度的指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：endprint

P=∑■■（1-■）（1）

RMS=■ （2）

式中，VTEC評(píng)估為廣播電離層延遲改正模型得到的VTEC，VTEC基準(zhǔn)為參考基準(zhǔn)，在模型統(tǒng)計(jì)時(shí)，對(duì)所有模型采用了相同的強(qiáng)約束來對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化（具體指：一是在統(tǒng)計(jì)時(shí)略去測(cè)站白天或晚上改正率低于30%的情況，二是略去改正精度大于17個(gè)TECU的情況）。

2 案例分析

2.1 異常現(xiàn)象分析

2.1.1 GPSK8模型在北半球中緯區(qū)域的解算

分析GPSK8模型在北半球中緯區(qū)域的模型性能時(shí)，選取北半球中緯區(qū)域15個(gè)IGS測(cè)站2017年5月份的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所選測(cè)站為：ALBH、AMC2、BSHM、CHUR、DUBO、FLIN、NOVM、QUIN、SCH2、SHAO、URUM、USUD、VILL、ZECK、UNBJ其測(cè)站分布如圖1所示。

15個(gè)測(cè)站在5月份的模型改正精度如表1所示。

由表1可知，除了DUBO站外，其它站在改正精度上均無異?，F(xiàn)象，顯示了GPSK8模型在北半球中緯區(qū)域良好的改正性能。參考文獻(xiàn)[12]中提到了GPSK8模型在全球范圍內(nèi)最適用的區(qū)域是在北半球中緯區(qū)域。與本文的結(jié)論相符。

2.1.2 異常期與非異常的比較

針對(duì)上述分析中出現(xiàn)的DUBO測(cè)站改正精度出現(xiàn)的異常情況，我們?cè)趯?duì)DUBO站GPSK8模型分析時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)站連續(xù)6天（124-129）出現(xiàn)改改正精度大于17個(gè)TECU，超過統(tǒng)計(jì)時(shí)所規(guī)定的強(qiáng)約束條件（17個(gè)TECU）。我們對(duì)此異常現(xiàn)象展開研究，分析出現(xiàn)異常的原因。對(duì)GPSK8模型分析時(shí)，還同比對(duì)了NeQuick2模型和BDSSH9模型。三種廣播電離層模型在124-129天的VTEC信息如圖2所示。

給出改正精度的同時(shí)，還畫出了GPSK8模型在次時(shí)間段的改正率，其改正率如圖3所示。

從圖2和圖3中我們可以看出GPSK8模型在改正精度異常時(shí)和另外兩種模型比較時(shí)并未表現(xiàn)出明顯的差異性。為此，我們選取了改正率和改正精度均無差異的153-155天模型VTEC信息與其比較?？碐PSK8模型在異常期和非異常期模型VTEC信息有無明顯差異，153-155三天的改正率和改正精度如表2所示。

■

在分析153-155三天無異常期GPSK8模型改正精度時(shí)，還一同比對(duì)了BDSSH9模型和NeQuick2模型，三種模型的結(jié)果如圖4所示。

從異常期和非異常期的比對(duì)試驗(yàn)中我們可以看出：

①無論是在非異常期還是在異常期，GPSK8模型的變化趨勢(shì)相似，都在地方時(shí)14時(shí)左右出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。

②在異常期與非異常期的比對(duì)中發(fā)現(xiàn)GPSK8模型的廣播電離層VTEC信息并未出現(xiàn)較大的差異。而BDSSH9模型和NeQuick2模型在異常期和非異常期均保持的良好的穩(wěn)定性。

③較之前GPSK8模型改正率出現(xiàn)異常，其模型VTEC信息與非異常有較大變化相比；GPSK8模型在改正精度出現(xiàn)異常時(shí)，其模型VTEC信息并無較大的變化。

2.2 測(cè)站的實(shí)測(cè)VTEC信息

在上述試驗(yàn)中，GPSK8模型在改正精度出現(xiàn)異常時(shí)，其廣播電離層模型的VTEC信息無明顯變化。針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中存在的問題，就需要對(duì)異?，F(xiàn)象展開進(jìn)一步的分析。由于模型解算的基準(zhǔn)都是測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，有必要對(duì)測(cè)站的基準(zhǔn)信息展開研究和分析，由于實(shí)測(cè)信息在某一時(shí)段存在多顆衛(wèi)星的情況，并不能很好的表征測(cè)站在某一時(shí)刻的變化情況，針對(duì)這一問題，在分析時(shí)以單顆衛(wèi)星為例展開分析，本文選取19號(hào)衛(wèi)星，19號(hào)衛(wèi)星在每天開始的兩個(gè)小時(shí)時(shí)段有VTEC信息。DUBO測(cè)站124-129天19號(hào)衛(wèi)星VTEC信息如圖5所示。

為了比對(duì)異常期和非異常期的基準(zhǔn)信息，還一同畫出了測(cè)站153-155三天的實(shí)測(cè)VTEC，仍以19號(hào)衛(wèi)星為例展開分析，其實(shí)測(cè)VTEC信息如圖6所示。

153-155三天的實(shí)測(cè)信息中由于19號(hào)衛(wèi)星只在00：05-00：45時(shí)間段有實(shí)測(cè)VTEC信息，因此，在比對(duì)時(shí)選取相同時(shí)間段內(nèi)段的實(shí)測(cè)信息。其差值信息如表3所示。

■

通過異常期與非異常期實(shí)測(cè)信息的比對(duì)我們可以看出：

①在單顆衛(wèi)星同時(shí)段的比對(duì)中，無異常期的VTEC變化量明顯小于異常期的變化量。說明在無異?，F(xiàn)象期間，單顆衛(wèi)星的實(shí)測(cè)信息更為穩(wěn)定。

②在實(shí)測(cè)信息中，同一時(shí)刻的比較中，異常期的實(shí)測(cè)VTEC值遠(yuǎn)大于非異常期的VTEC值。說明在異常期間，測(cè)站的實(shí)測(cè)信息存在異常現(xiàn)象。

上述實(shí)驗(yàn)中通過異常期與非異常期的基準(zhǔn)信息比對(duì)我們可以看出在異常期的基準(zhǔn)信息存在異常，為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)站所在的局部區(qū)域是否有異?，F(xiàn)象，為此，我們選取了和DUBO測(cè)站相鄰的FLIN測(cè)站進(jìn)行比對(duì)。對(duì)于FLIN測(cè)站，我們同樣選取124-127天進(jìn)行比對(duì)。在比對(duì)中仍以G19號(hào)衛(wèi)星為例，其實(shí)測(cè)基準(zhǔn)VTEC如圖7所示。

從兩個(gè)測(cè)站的實(shí)測(cè)基準(zhǔn)信息比較中我們可以看出：

①在單顆衛(wèi)星的比較中DUOB測(cè)站的VTEC的變化量明顯高于FLIN測(cè)站。進(jìn)一步表明DUBO測(cè)站的實(shí)測(cè)信息出現(xiàn)異常現(xiàn)象。也就表征了測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)存在異?，F(xiàn)象。

②與DUBO測(cè)站相鄰的FLIN測(cè)站并未出現(xiàn)模型異常現(xiàn)象，說明在此小區(qū)域不存在電離層模型異?，F(xiàn)象。從而反映出DUBO測(cè)站模型改正精度異常是由于測(cè)站本身的觀測(cè)數(shù)據(jù)所引起的異常。

3 總結(jié)

對(duì)GPSK8模型的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)模型解算中出現(xiàn)改正精度異常情況展開研究和分析，可以得到以下結(jié)論：

①三種廣播電離層模型在異常期的VTEC信息我們可以看出，模型的VTEC變化趨勢(shì)相似。都在地方時(shí)14時(shí)左右出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。

②在改正精度出現(xiàn)異常時(shí)，GPSK8模型的VTEC信息并未表現(xiàn)出較大的差異。

③單顆衛(wèi)星在異常期和非異常期實(shí)測(cè)信息比對(duì)中我們可以明顯的看出，DUBO測(cè)站的實(shí)測(cè)基準(zhǔn)信息存在異?，F(xiàn)象。

④與相鄰測(cè)站的比對(duì)中FLIN測(cè)站無異?，F(xiàn)象，說明在這個(gè)區(qū)域不存在電離層模型異常現(xiàn)象。表明GPSK8模型在DUBO測(cè)站解算時(shí)改正精度出現(xiàn)異常情況是由測(cè)站本身的觀測(cè)數(shù)據(jù)存在異常引起的。

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