GNSS廣播電離層全球與區(qū)域模型分析

楊禮朋 楊德宏

摘要：

廣播電離層精度監(jiān)測評估是GNSS導(dǎo)航信息的重要組成部分。對GNSS單頻用戶而言，只有利用模型才能對電離層時延進(jìn)行改正。GPS和Galileo已實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)，而BDS目前還只能提供區(qū)域服務(wù)。由于3種模型所采用的電離層時延改正模型各異，所以為了客觀評估幾大導(dǎo)航系統(tǒng)的模型性能，也為了后續(xù)對模型和參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，需要選擇可靠的基準(zhǔn)，對播發(fā)的電離層參數(shù)進(jìn)行實(shí)時評估。考慮到雙頻改正模型的高精度特性，以雙頻改正模型得到的值作為基準(zhǔn)，在全球和區(qū)域范圍選取測站數(shù)據(jù)，對電離層延遲改正模型從改正精度和改正率兩方面進(jìn)行評估。研究結(jié)果可為廣播電離層監(jiān)測評估以及單頻導(dǎo)航定位等應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：

電離層延遲；克羅布歇模型；全球定位系統(tǒng)；北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172774

中圖分類號：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003005904

英文摘要Abstract：Broadcast ionosphere accuracy monitoring and evaluation is an important part of GNSS navigation information. For GNSS singlefrequency users， only the model is used to correct the ionospheric delay. GPS and Galileo have achieved global services， and BDS is still a regional service. In order to objectively evaluate the model performance of several navigation systems， and to optimize the model or parameters， we need to select a reliable benchmark for the proposed ionospheric parameters. Realtime evaluation. Considering the highprecision characteristics of the dualfrequency correction model， this paper evaluates the performance of the model from the global and regional selection stations by using the values obtained by the dualfrequency correction model. The ionospheric delay correction is corrected from the correction accuracy and the correction rate. The research results can provide reference for the application of radio and ionospheric monitoring and evaluation and single frequency navigation and positioning applications.

英文關(guān)鍵詞Key Words：ionospheric delay； KLOBUCHAR； GPS； BDS

0引言

電離層是地表大氣層被許多太陽光射線電離的部分，距地表60～1 000km。在電離層中，許多中性分子被電離，形成正離子和自由電子。這些粒子對導(dǎo)航電波的傳播將產(chǎn)生很大影響，在天頂方向可達(dá)十幾米[1]。因此，需要采用一定方法消除或減弱電離層延遲的影響。目前常用的電離層延遲改正方法有：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、雙頻改正模型和實(shí)測數(shù)據(jù)模型[2]。具體介紹如下：①經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀斜咎兀╞ent）模型、國際參考電離層（IRI）模型、KLOBUCHAR模型；②雙頻改正模型即利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）雙頻數(shù)據(jù)直接計算電離層延遲或組成無電離層延遲的組合觀測量（其電離層延遲改正效果一般可達(dá)99%），但對于大多數(shù)單頻接收機(jī)用戶而言并不適用；③實(shí)測數(shù)據(jù)模型是利用GNSS雙頻數(shù)據(jù)建立的滿足實(shí)時用戶短期預(yù)報需求的模型[3]，常用的有IGS的電離層格網(wǎng)模型和CODE的球諧函數(shù)模型[4]。對于單頻用戶而言，廣播電離層延遲改正模型是削弱電離層延遲的主要方法，我國的BDS（BEIDOU Navigation Satellite System，BDS）和美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）在導(dǎo)航電文中都是提供KLOBUCHAR8參數(shù)的單層電離層改正模型（后面簡稱K8），除此之外還有伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo Navigation Satellite System GAL）發(fā)播NeQuick2模型參數(shù)、歐洲定軌中心（Center for Orbit Determination in Europe CODE）的全球電離層模型等[56]。

1GNSS廣播電離層模型

1.1GPS KLOBUCHAR

克羅布歇模型是一種被單頻用戶接收機(jī)廣泛采用的模型，它是本特模型的演化，該模型假設(shè)將整個電離層壓縮在一個單層上，距地表350km[7]。夜晚的延遲為常數(shù)，白天則是余弦函數(shù)取正的部分[2]。此方式基本反映了電離層時延的周天特性。同時，大量研究資料表明，采用此模型將每天最大的時延時刻確定在14時左右。

在天頂方向調(diào)制的L1載波（f=1 575.42MHz）上測距碼的電離層改正時延Tg可表示為：

Tg=5*10-9+Acos2πp（t-14h）（1）

振幅A和周期P分別為：

A=∑3i=0αi（φm）i（2）

P=∑3i=0βi（φm）i（3）

式中，αi和βi從廣播星歷中獲取。

GPSK8模型是基于地磁坐標(biāo)系的模型，通過映射函數(shù)將天頂方向的總電子含量VTEC投影至傳播方向[8]。模型中所涉及的8個參數(shù)是利用全球GNSS雙頻觀測數(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。該模型的優(yōu)點(diǎn)在于公式簡單、計算效率高。

BDS目前采用的廣播電離層模型同GPS一樣，也是8參數(shù)[910]。兩種模型不同之處在于GPS是日固地磁坐標(biāo)系，而BDS是地理坐標(biāo)系，參數(shù)每兩個小時播發(fā)一組，現(xiàn)階段北斗廣播電離層已實(shí)現(xiàn)區(qū)域服務(wù)，但BDS的全球廣播電離層模型尚未公布。

1.2Galileo NeQuick2模型

NeQuick2模型是一種描述電離層電子密度時空變化的半經(jīng)驗(yàn)電模型[11]，其模型特點(diǎn)是把電離層分層，通過模型計算出給定時間和位置的相應(yīng)電子密度。隨著伽利略系統(tǒng)的逐漸完善，目前伽利略系統(tǒng)中所用的模型是第二版模型，簡稱NeQuick2。新、舊模型之間的差距在于改變了底部與頂部電離層解析式以及相關(guān)變量的計算方法。

伽利略模型參數(shù)的輸入信息分為兩部分，一部分是地磁緯度文件和系數(shù)文件，另一部分是地理位置、時間信息等數(shù)據(jù)[12]。伽利略分布的全球監(jiān)測站通過傾斜電子含量來優(yōu)化NeQuick2中的有效電離參數(shù)AZ，該模型參數(shù)每天更新一次。具體算法詳見參考文獻(xiàn)[1]、[1315]。伽利略全球分布站如圖1所示。

1.3評估策略

本文主要評估了包括BDS Klobuchar（以下簡稱BDSK8）、GPS Klobuchar（以下簡稱BDSK8）和GALILEIO NEQUICK模型（本文采用了最新的NEQUICK2模型進(jìn)行評估）在內(nèi)的3種廣播電離層模型，評估的基本思路如下：

（1）利用武漢大學(xué)IGS數(shù)據(jù)中心下載所需的測站觀測數(shù)據(jù)以及brdc和brdm兩種星歷文件；利用伯爾尼軟件中提供的網(wǎng)址下載CODE分析中心的DCB產(chǎn)品，包括P1P2*_ALL.DCB和P1C1*.DCB兩個文件。其中P1P2*_ALL.DCB既包含了衛(wèi)星的DCB，也包含了部分測站的DCB信息，為提取實(shí)測數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備。

（2）利用IONCFG程序在指定路徑上輸入測站的觀測數(shù)據(jù)、brdm文件和DCB產(chǎn)品文件，提取得到實(shí)測電離層信息，其結(jié)果文件如例（bjfs3140.16i）所示；經(jīng)過程序轉(zhuǎn)換得到評估電離層模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其結(jié)果文件如例（bjfs314.16）所示。

（3）利用編寫的Fortran程序提取3種模型的廣播電離層參數(shù)。對于GPSK8而言，利用Fortran程序提取brdc星歷文件中頭文件的8個參數(shù)即可；對于BDSK8而言，同樣只需提取brdm星歷文件中頭文件的8個參數(shù)；對于GAL而言，可以利用MGEX測站數(shù)據(jù)信息，在測站文件中提取頭文件的3個參數(shù)即為GAL模型參數(shù)。

（4）將第三步提取的電離層信息放入指定文件目錄下，利用實(shí)測格網(wǎng)，程序?qū)⒌诙降玫降幕A(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到測站的廣播電離層改正率和改正精度，并進(jìn)行對比分析和評估。

2算例與分析

本文從全球選取了33個IGS站，其中南半球有11個測站（UNSA、SANT、MGUE、RIO2、ZAMB、WIND、HRAO、SUTV、MOBS、KARR、TOW2、SAND）。北半球23個站（SHAO、TWTF、URUM、ULAB、YAKT、NOVM、IISC、ADIS、BSHM、ZECK、METS、RABT、BOGT、UNBJ、SCH2、THU3、FLIN、YELL、QUIN、FAIV、BADG、USUD、TWTF），選取2017年年積日32～59天4周的測站數(shù)據(jù)進(jìn)行評估分析。利用GMT軟件與測站信息畫出所選測站位置和穿刺點(diǎn)信息，如圖2所示。

為了統(tǒng)計廣播電離層模型精度的評估結(jié)果，利用修正比例和改正精度評估3種廣播電離層延遲改正模型的性能。

PER=∑ni=11-VTECmod-VTECrefVTECref（4）

RMS=2∑ni=1（VTECmod-VTECref）2n （5）

式中，VTECmod是利用程序解算得到的值，而VTECref是基準(zhǔn)值。

2.13種模型評估分析

利用基準(zhǔn)VTEC和廣播電離層模型VTEC進(jìn)行統(tǒng)計。由于BDSK8是區(qū)域服務(wù)，因此選取國內(nèi)的3個IGS測站進(jìn)行分析，3種模型精度對比如圖3～圖8所示。

為了直觀反映中國及其周邊區(qū)域3種模型的改正比例和改正精度，本文選取范圍為20°N-60°N，70°E-135°E的區(qū)域。此區(qū)域有7個IGS測站（SHAO、URUM、TWTF、BADG、USUD、ULAB、NOVM）。統(tǒng)計測站每天的改正率，然后取其平均值得到各系統(tǒng)在中國及其周邊區(qū)域的改正率，如表1、表2所示。

從3種廣播電離層延遲改正模型在中國區(qū)域的平均改正率P以及RMS，可以看出：

（1）在中國區(qū)域，BDS廣播電離層模型精度高于 GPS、Galileo，改正率平均值為73%，RMS優(yōu)于6個TECU，并且表現(xiàn)出良好的一致性。

（2）GPSK8模型是3種模型中精度最低的，平均改正率低于65%。

2.2全球模型南北半球評估分析

目前GPS和GAL已實(shí)現(xiàn)了全球服務(wù)，為了對比兩種模型在南北半球的精度，選取2016年11月30天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。按照白天和夜晚分別統(tǒng)計，并以測站的改正精度TECU值的大小作為評估標(biāo)準(zhǔn)來衡量。

伽利略模型在南半球解算時由于UNSA測站改正精度較低，其整體改正精度大于17個TECU，所以在統(tǒng)計時予以剔除。

GPS模型在南半球解算時UNSA和RIO2兩個測站改正精度大于17個TECU，在統(tǒng)計時予以剔除。

由表5、表6可知，在北半球區(qū)域，伽利略模型的精度高于GPS的模型精度。根據(jù)兩種模型在南北半球的對比，在北半球伽利略的模型精度要優(yōu)于GPS，在南半球GPS要優(yōu)于伽利略。同時，對同一種模型而言，北半球的改正精度優(yōu)于南半球的精度。

3結(jié)語

本文主要開展了GNSS電離層延遲改正模型的評估工作，包括在中國區(qū)域和全球范圍內(nèi)的評估。首先基于雙頻電離層延遲改正模型精確提取電離層信息，然后以此為基準(zhǔn)，開展廣播電離層延遲改正模型的評估工作，主要結(jié)論如下：

（1）在中國及其周邊區(qū)域，BDSK8模型的改正率優(yōu)于GPSK8和NeQuick2模型，其改正精度好于6個TECU。

（2）對比兩種模型在南北半球的精度可以看出，無論是GPS還是GAL，北半球的改正精度均優(yōu)于南半球。

（3）在全球模型評估中，在北半球區(qū)域，GAL模型比GPSK8模型體現(xiàn)出了更好的精度優(yōu)勢，GAL的整體改正精度無論是在白天還是夜晚都比GPSK8小很多。

（4）在全球模型評估中，在南半球區(qū)域，GPSK8模型在白天的精度與GAL相當(dāng)，改正精度在1個TECU范圍內(nèi)。整體而言，GPSK8的精度稍高于GAL，但兩者并未表現(xiàn)出顯著的精度優(yōu)勢。

本文給出了雙頻改正模型評估廣播電離層延遲改正的基本思路及相關(guān)分析結(jié)果，對廣播電離層延遲改正模型的監(jiān)測評估及單頻導(dǎo)航定位應(yīng)用都具有一定參考價值。

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