多GNSS監(jiān)測下中國區(qū)域電離層格網(wǎng)模型可用性分析

王華峰，張艷茹，蔡紅濤，郭珊

( 1. 中國電波傳播研究所, 山東 青島 266107；2. 武漢大學(xué), 武漢 430079 )

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)可以提供基本的導(dǎo)航、定位和授時(PNT)服務(wù). 同時，為了滿足特殊用戶更高性能的應(yīng)用需求，多個國家或地區(qū)建設(shè)了GNSS天基增強系統(tǒng)(SBAS)，典型系統(tǒng)包括美國的WAAS (Wide Area Augmentation System)、歐洲地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)(EGNOS)、日本的多功能GPS衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)(MSAS)、印度的GPS輔助型靜地軌道增強導(dǎo)航(GAGAN)系統(tǒng)等. 同時，我國也在規(guī)劃建設(shè)北斗天基增強系統(tǒng)(BD SBAS)[1].

SBAS采用格網(wǎng)模型進行電離層誤差的高精度修正，及相應(yīng)的系統(tǒng)完好性實現(xiàn). 在電離層格網(wǎng)模型實現(xiàn)中，利用地面區(qū)域GNSS監(jiān)測站網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)估計[2].

多系統(tǒng)GNSS的出現(xiàn)，可以為SBAS提供更多電離層環(huán)境測量，在同樣監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)模下，有助于擴大系統(tǒng)格網(wǎng)點覆蓋區(qū)域，提高格網(wǎng)點參數(shù)估計性能；或者在保持系統(tǒng)性能的情況下，減少監(jiān)測站數(shù)量. 但由于中國區(qū)域電離層環(huán)境具有顯著區(qū)域特征，并不能簡單地認(rèn)為通過多系統(tǒng)GNSS觀測就可以提高電離層格網(wǎng)模型的性能，或降低地面監(jiān)測站網(wǎng)數(shù)量而仍可以保持模型性能.

為此，本文分析了多系統(tǒng)GNSS監(jiān)測對中國區(qū)域SBAS電離層格網(wǎng)模型的影響，從電離層格網(wǎng)模型實現(xiàn)角度提出了中國區(qū)域SBAS多系統(tǒng)GNSS監(jiān)測站網(wǎng)的建設(shè)建議.

文章首先介紹了SBAS電離層格網(wǎng)模型實現(xiàn)原理和分析方法，其次重點分析了多系統(tǒng)GNSS監(jiān)測對電離層格網(wǎng)模型覆蓋范圍的影響，再次重點分析了中國區(qū)域電離層環(huán)境特征對格網(wǎng)模型實現(xiàn)的影響，然后給出了中國區(qū)域SBAS監(jiān)測站網(wǎng)的建設(shè)建議，最后進行了總結(jié).

1 SBAS格網(wǎng)模型及其覆蓋范圍分析方法

1.1 SBAS電離層格網(wǎng)模型

SBAS中采用電離層格網(wǎng)模型進行電離層誤差修正. 電離層格網(wǎng)模型基于平面假設(shè)，利用地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲得的區(qū)域內(nèi)電離層延遲測量，對格網(wǎng)點電離層垂直延遲(GIVD)及其誤差門限-格網(wǎng)點電離層垂直誤差(GIVE)進行估計. GIVD和GIVE通過衛(wèi)星播發(fā)給用戶，進行電離層誤差修正及相應(yīng)的完好性實現(xiàn)[3].

SBAS電離層格網(wǎng)模型實現(xiàn)中，首先需對每個格網(wǎng)點進行電離層擾動檢測，只有通過了擾動檢測才認(rèn)為該格網(wǎng)點可用，并進一步按格網(wǎng)模型的實現(xiàn)方法估計其GIVD和GIVE. 格網(wǎng)點處的電離層擾動檢測采用改進的卡方檢測統(tǒng)計實現(xiàn)[4].

1.2 SBAS電離層格網(wǎng)模型覆蓋性能分析

由于Galileo建設(shè)以及GLONASS系統(tǒng)完善等因素影響，很難獲得四個系統(tǒng)GNSS同時具有完整星座的星歷數(shù)據(jù). 考慮到四個系統(tǒng)GNSS的空間可視衛(wèi)星數(shù)大體一致，因此利用模擬方法分析四個系統(tǒng)GNSS在完全部署情況下中國區(qū)域SBAS電離層格網(wǎng)模型的可用性，分析中主要考慮中國區(qū)域電離層格網(wǎng)點覆蓋范圍及格網(wǎng)點的可用性.

模擬分析中，利用不同時期GPS的星歷數(shù)據(jù)模擬計算其他系統(tǒng)GNSS的可見衛(wèi)星分布； 利用不同年份中同一年積日的GPS星歷數(shù)據(jù)分析模擬GPS、Galileo、BDS、GLONASS系統(tǒng)完整星座下的空間可視衛(wèi)星變化.

模擬分析中，監(jiān)測站站址從中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)與國際GNSS服務(wù)(IGS)網(wǎng)絡(luò)的可用觀測站中選??；監(jiān)測網(wǎng)站點在國內(nèi)均勻分布；同時盡量在我國陸地區(qū)域的邊境線附近區(qū)域及南海區(qū)域考慮監(jiān)測站點分布.

如圖1所示，在實際工作中分別對兩種監(jiān)測站網(wǎng)布局情況進行分析，一種是30個監(jiān)測站情況，另一種是27個監(jiān)測站情況. 其中，從30個監(jiān)測站分布情形中剔除3個監(jiān)測站，以模擬27個監(jiān)測站分布情形. 剔除的3個監(jiān)測站分別位于最北端(HLMH站，黑龍江漠河)、最南端(HIYS站，永暑島)，以及西南區(qū)域(XZGE站，西藏噶爾)，圖1中用星狀標(biāo)示標(biāo)出3個監(jiān)測站位置. 采用不同站網(wǎng)分布的目的在于分析特殊區(qū)域站點增減對中國區(qū)域 SBAS格網(wǎng)點可用性的影響.

圖1 分析的中國區(qū)域SBAS監(jiān)測站分布(30個)

采用SBAS電離層格網(wǎng)模型中的電離層穿刺點選擇算法分析每個電離層格網(wǎng)點可用穿刺點數(shù)量. 具體參數(shù)選擇為電離層格網(wǎng)點最少可用穿刺點數(shù)量設(shè)置為10個，格網(wǎng)點擬合半徑分別設(shè)置為600 km、800 km、1 000 km、1 200 km[6].

2 中國區(qū)域SBAS電離層格網(wǎng)模型覆蓋性能分析

實際數(shù)據(jù)分析中選擇了多個年份進行模擬，結(jié)果類似，下面僅以典型結(jié)果進行說明. 該結(jié)果中利用2005年、2012年、2015年、2017年中年積日第100天的GPS星歷數(shù)據(jù)分別模擬GPS、Galileo、BDS、GLONASS四系統(tǒng)完整星座在同一天的觀測結(jié)果. 限于篇幅，僅以格網(wǎng)點擬合半徑1 000 km的分析結(jié)果進行說明.

通過對比圖2～5中不同GNSS觀測數(shù)量，及不同電離層格網(wǎng)可用性情況下的格網(wǎng)點分布情況，可以進行以下分析并獲得相應(yīng)的結(jié)論：

圖2 單系統(tǒng)GNSS觀測下中國區(qū)域電離層格網(wǎng)模型覆蓋范圍及格網(wǎng)點可用性結(jié)果

1)單系統(tǒng)GNSS與多系統(tǒng)GNSS觀測對中國區(qū)域 SBAS電離層格網(wǎng)模型的影響

多系統(tǒng)GNSS觀測可有效擴展中國區(qū)域SBAS電離層格網(wǎng)模型中格網(wǎng)點的覆蓋范圍，以及格網(wǎng)點的可用性. 具體為：

● 雙系統(tǒng)與單系統(tǒng)相比，在不同方向上的絕大部分區(qū)域可以向外擴展約500 km范圍(即向外擴展1個格網(wǎng)點范圍).

圖3 兩個系統(tǒng)GNSS觀測下中國區(qū)域電離層格網(wǎng)模型覆蓋范圍及格網(wǎng)點可用性結(jié)果

圖4 三個系統(tǒng)GNSS觀測下中國區(qū)域電離層格網(wǎng)模型覆蓋范圍及格網(wǎng)點可用性結(jié)果

● 三系統(tǒng)與單系統(tǒng)相比，在不同方向上可以向外擴展約500 km范圍(即向外擴展1個格網(wǎng)點范圍).

● 四系統(tǒng)與單系統(tǒng)相比，在不同方向上可以向外擴展約500 km范圍(即向外擴展1個格網(wǎng)點范圍)，個別地方可以向外擴展約1 000 km范圍(即向外擴展2個格網(wǎng)點范圍).

2) 30站規(guī)模與27站規(guī)模

對于中國大陸內(nèi)部區(qū)域，站址的增減對格網(wǎng)點可用性影響較小，但中國區(qū)域邊界附近監(jiān)測站的增減對SBAS電離層格網(wǎng)模型覆蓋范圍及格網(wǎng)點可用性影響較顯著. 具體而言，最北端(HLMH站，漠河)和最南端(HIYS站，永暑島)監(jiān)測站的增減，對于格網(wǎng)點可用性影響較大. 增減最北端或最南端站點，可使有效格網(wǎng)點范圍向北或向南擴展500 km (即向外擴展1個格網(wǎng)點)范圍. 對于西南區(qū)域(主要是西藏)，增減監(jiān)測站對格網(wǎng)點可用性影響較小，增加1個監(jiān)測站(XZGE站，西藏噶爾)僅可以增加1個有效格網(wǎng)點.

3)不同格網(wǎng)點可用性比較(格網(wǎng)點95%可用性與格網(wǎng)點100%可用性)

圖5 四個系統(tǒng)GNSS觀測下中國區(qū)域電離層格網(wǎng)模型覆蓋范圍及格網(wǎng)點可用性結(jié)果

在兩種不同監(jiān)測站分布，以及不同多系統(tǒng)GNSS觀測情況下，僅在最邊緣存在個別格網(wǎng)點可以達到95%可用性而不能達到100%可用性. 由此表明，在監(jiān)測站網(wǎng)分布和可觀測GNSS數(shù)量確定情況下，單純提高站網(wǎng)的數(shù)量和可見衛(wèi)星數(shù)，對提高格網(wǎng)點可用性的能力有限.

3 中國區(qū)域電離層環(huán)境特征對SBAS格網(wǎng)模型實現(xiàn)的影響

中國南方地區(qū)存在顯著的低緯電離異常(EIA)現(xiàn)象，造成在該區(qū)域電離層延遲隨緯度增大呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，并在海口地區(qū)上空(約為20°N)電離層延遲達到最大值[7-8]. 為了進一步明確顯示電離層延遲隨緯度的變化，圖6中給出了太陽活動高年(2012年)電離層活躍時期(3月) GIVD隨緯度的變化. 時間為UT 11:02:30 (LT 19:02:03)，電離層垂直延遲利用CMONOC及IGS網(wǎng)絡(luò)中選擇的近200個站GPS觀測數(shù)據(jù)獲得. 從圖6中可以明顯看出，在30°N以上地區(qū)，穿刺點電離層延遲呈現(xiàn)出平緩變化趨勢；在30°N～20°N區(qū)域，即使在傍晚，穿刺點電離層延遲仍表現(xiàn)出顯著的增強趨勢；在接近20°N區(qū)域，穿刺點電離層延遲達到最大值；隨著緯度的進一步降低，穿刺點電離層延遲又變現(xiàn)出降低趨勢，降低的趨勢小于電離層延遲在30°N～20°N區(qū)域內(nèi)的變化趨勢.

圖6 中國區(qū)域GIVD隨緯度的變化

圖7中進一步給出了采用不同擬合半徑對位于低緯地區(qū)的電離層格網(wǎng)點(25°N，110°E)估計時計算得到的相應(yīng)卡方擾動檢測量變化. 可以看出：降低電離層格網(wǎng)點估計時的擬合半徑可以在一定程度上降低卡方擾動檢測量的估計值，但降低的程度很小. 這是因為該電離層格網(wǎng)點處于低緯電離異常區(qū)域影響最為劇烈的附近地方，降低電離層格網(wǎng)點估計時的擬合半徑盡管可以減少使用位于電離層延遲梯度變化劇烈區(qū)域內(nèi)的穿刺點測量，從一定程度上提高格網(wǎng)模型擬合的優(yōu)度，但由于電離層延遲梯度隨沿緯度有劇烈變化，使得電離層延遲變化不符合平面變化趨勢.因此，降低格網(wǎng)點估計時的擬合半徑并不能有效應(yīng)對低緯電離異?，F(xiàn)象的影響[9-10].

圖7 不同擬合半徑下電離層格網(wǎng)點（25°N，110°E）

4 中國區(qū)域SBAS監(jiān)測站建設(shè)建議

通過上述分析可以看出，對于中國區(qū)域SBAS系統(tǒng)而言，監(jiān)測站建設(shè)需考慮：

1)至少實現(xiàn)對雙系統(tǒng)GNSS的觀測；

分析可得，對兩個系統(tǒng)GNSS進行監(jiān)測即可有效擴展SBAS電離層網(wǎng)格模型的覆蓋范圍和格網(wǎng)點可用性；進一步增加系統(tǒng)GNSS監(jiān)測數(shù)量，仍可以進一步增加電離層格網(wǎng)模型覆蓋范圍和格網(wǎng)點可用性，但增加趨勢減緩. 因此，在系統(tǒng)建設(shè)允許的情況下，建議進行多系統(tǒng)GNSS監(jiān)測，但應(yīng)至少實現(xiàn)對兩個系統(tǒng)GNSS的監(jiān)測(BDS+GPS).

2)盡可能在邊境區(qū)域建設(shè)監(jiān)測站，尤其是在最北端和最南端區(qū)域.

從分析中還可以看出，最北端和最南端監(jiān)測站的增加，可以顯著擴展中國區(qū)域SBAS電離層格網(wǎng)模型的覆蓋范圍和格網(wǎng)點可用性. 因此，在系統(tǒng)建設(shè)允許情況下，應(yīng)增加在中國北部區(qū)域監(jiān)測站數(shù)量，尤其是在東北區(qū)域和新疆區(qū)域增加. 此時，外蒙古區(qū)域可用通過東北區(qū)域和西北區(qū)域的多系統(tǒng)GNSS觀測進行有效覆蓋.

3)考慮中國區(qū)域電離層環(huán)境特征，應(yīng)增加在南部區(qū)域的監(jiān)測站數(shù)量，尤其是中國區(qū)域最南端增加監(jiān)測站(南海區(qū)域).

考慮到中國區(qū)域北部為中緯電離層區(qū)域，電離層環(huán)境變化較為平緩，南部為低緯電離異常區(qū)，電離層環(huán)境存在顯著的“駝峰”狀變化，因此，應(yīng)盡可能增加在中國南部區(qū)域的監(jiān)測站數(shù)量，以實現(xiàn)對電離層異常區(qū)的更為密集采用觀測. 北部區(qū)域由于電離層變化平緩，可以用電離層平面球殼模型較好地描述，適當(dāng)增加邊界區(qū)域監(jiān)測站數(shù)量即可.

5 結(jié) 論

多系統(tǒng)GNSS的出現(xiàn)為電離層格網(wǎng)模型的性能提升提供了可能，但多系統(tǒng)GNSS下的電離層格網(wǎng)模型實現(xiàn)性能提升是有前提條件的. 為此，利用中國區(qū)域中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、中國及周邊區(qū)域IGS站所有可用數(shù)據(jù)模擬分析了多系統(tǒng)GNSS測量對中國區(qū)域電離層格網(wǎng)模型實現(xiàn)性能的影響.

總體而言，多系統(tǒng)GNSS觀測可以有效提高中國區(qū)域電離層格網(wǎng)模型覆蓋范圍和格網(wǎng)點可用性. 但對于不同區(qū)域，多系統(tǒng)GNSS監(jiān)測并不能夠完全解決中國區(qū)域電離層格網(wǎng)模型面臨的問題.

對于中國南方地區(qū)而言，該區(qū)域存在的低緯電離異常現(xiàn)象是影響中國區(qū)域SBAS電離層格網(wǎng)模型實現(xiàn)性能的根本原因. 通過比較不同擬合半徑及不同數(shù)量穿刺點測量情況下的電離層格網(wǎng)點擾動檢測結(jié)果表明，單純增加GNSS測量(多系統(tǒng)GNSS觀測)不能有效應(yīng)對低緯電離異常現(xiàn)象的影響，因此難以從根本上提升電離層格網(wǎng)模型的實現(xiàn)性能.

對于中國北方地區(qū)而言，該區(qū)域處于中緯電離層環(huán)境，電離層延遲變化平緩，可以用平面模型很好地擬合. 利用多系統(tǒng)GNSS測量并不能顯著提高電離層格網(wǎng)模型的實現(xiàn)性能. 但對于中國北方地區(qū)而言，可以考慮在多系統(tǒng)GNSS測量情況下減少地面監(jiān)測站的數(shù)量，同時仍保持系統(tǒng)原有性能.

致謝：感謝中國地震臺網(wǎng)中心提供的中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC) GPS測量數(shù)據(jù). 感謝IGS提供的GPS測量數(shù)據(jù).