張鐵紅,劉偉,劉述春
(湖南省地質地理信息所,湖南 長沙 410008)
電離層延遲是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的重要延遲之一。對雙頻/多頻接收機,可采用采用消電離層(Ionosphere Free,IF)組合消除電離層延遲[1]。對單頻接收機用戶,可采用廣播電離層模型[2~8]和全球電離層格網(wǎng)(Global Ionospheric Maps,GIM)模型[9]等對電離層延遲進行改正。但這些模型提供的均為天頂方向的電離層延遲,需采用投影函數(shù)轉換為斜延遲以提供接收機-衛(wèi)星視線方向上的電離層延遲改正。因此,電離層投影函數(shù)是影響單頻接收機定位精度的因素之一。此外,在構建電離層模型時,需采用投影函數(shù)將斜路徑電離層延遲轉換為天頂方向電離層延遲,轉換精度的高低將影響電離層建模精度[10]。為研究電離層投影函數(shù)變化特性,文獻[11]分析電離層投影函數(shù)的統(tǒng)計特性,并根據(jù)統(tǒng)計特性對提出一種新的電離層投影函數(shù);文獻[12]基于Klobuchar模型分析四種常用電離層映射函數(shù)對導航精度的影響,提出根據(jù)不同太陽活動期采用不同的電離層映射函數(shù);文獻[13]分析不同電離層分析中心提供的GIM產(chǎn)品在給定臺站不同觀測高度角的天頂電子含量,比較了采用單層模型和雙層球殼映射函數(shù)獲得的斜路徑電子含量的精度;文獻[14]采用GNSS觀測數(shù)據(jù)分析投影函數(shù)投影誤差,并用NeQuick2模型仿真不同方位角和地理緯度電離層空間梯度對不同投影函數(shù)投影誤差的影響;文獻[15]分析不同投影函數(shù)與電離層有效高度組合對低軌衛(wèi)星的影響。此外,為提高電離層投影函數(shù)精度,文獻[16]和文獻[17]基于電離層多層模型的假設,建立一種適用于Chapman函數(shù)的電離層投影函數(shù);文獻[18]利用IRI模型獲得的電離層總電子含量,顧及傳播路徑折射建立與時間、地點、高度角和方位角有關的單站電離層投影函數(shù);文獻[19]基于電離層雙層模型,采用多項式模型對頂層電離層VTEC值與電離層總VTEC值的比值建模并利用所建模型對電離層投影函數(shù)進行精化。
現(xiàn)有的研究成果從不同的角度對電離層投影函數(shù)的分布特性、電離層投影函數(shù)的精化進行研究,鮮有文獻分析不同電離層投影函數(shù)對中緯度地區(qū)單頻接收機定位精度的影響?;诖耍疚膶⒉捎肎IM數(shù)據(jù)為電離層延遲提供改正數(shù)據(jù),分析不同投影函數(shù)對單頻精密單點定位精度的影響,評估不同電離層投影函數(shù)在實際應用中的效果。
現(xiàn)階段,假設電離層所有自由電子在空間上是均勻分布,且集中在電離層質心高度為H上的一個無限薄的單層上。通常將電離層斜路徑電離層總電子含量(Slant Total Electron Content,STEC)與垂直路徑電離層總電子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)的比值定義為電離層投影函數(shù),如下式所示:
(1)
式中,MF為投影函數(shù)的值。
現(xiàn)階段,常用的電離層投影函數(shù)包括:標準單層電離層投影函數(shù),Klobuchar電離層投影函數(shù)[2]和改進單層電離層投影函數(shù)[20]。
標準單層電離層投影函數(shù)是根據(jù)衛(wèi)星與接收機的連線在單層電離層交點(Ionospheric Precise Point,IPP)處的天頂角,使用簡單的三角函數(shù)建立的電離層投影函數(shù)(SLM-MF),具體表達式如下所示:
(2)
式中,R為地球半徑,Hion為電離層高度,Z為接收機與衛(wèi)星連線的天頂角。
Klobuchar投影函數(shù)(Klobuchar-MF)是由Klobuchar提出的適用于將Klobuchar模型所求天頂延遲轉換為斜延遲的投影函數(shù),具體表達式如下所示:
(3)
式中,e為衛(wèi)星高度角,單位:度。
Schaer基于Chapman函數(shù),對SLM-MF進行改進,得到了一種與Chapman投影函數(shù)符合得較好的電離層投影函數(shù)(MSLM-MF),具體表達式如下所示:
(4)
式中,R為地球半徑,Hopt=506.7 km為MSLM-MF采用的電離層高度,α=0.9782為MSLM-MF的天頂角改正因子,Z為接收機與衛(wèi)星連線的天頂角。
本文選取IGS數(shù)據(jù)中心提供2014年年積日(Day of the Year,DOY)010天至2014年年積日020天和2020年年積日010天至2020年年積日020天8個中緯度地區(qū)地基GNSS監(jiān)測站提供的觀測數(shù)據(jù),通過單頻精密單點定位(Single Frequency Precise Point Positioning,SF-PPP)技術分析不同太陽活動期不同電離層投影函數(shù)得到的定位精度。
圖1 進行SF-PPP使用的測站分布情況
通常,F(xiàn)10.7是表征太陽活動活躍程度的一個關鍵參數(shù),并根據(jù)F10.7指數(shù)的變化情況,可將太陽活動分為平靜期(F10.7<100 sfu),中等期(100 sfu
圖2 F10.7指數(shù)變化情況
此外,本文在對三種不同投影函數(shù)對單頻接收機定位效果進行評估時,將采用歐洲定軌中心(Center of Orbit Determination in Europea,CODE)提供的GIM數(shù)據(jù)來改正電離層延遲。SF-PPP采用的具體策略,如表1所示。
表1 SF-PPP采用的策略
統(tǒng)計太陽活躍期南北半球不同電離層投影函數(shù)SF-PPP定位結果序列,結果如圖3所示。圖中,上圖表示南半球四個測站不同電離層投影函數(shù)得到的SF-PPP定位結果,下圖表示北半球四個測站不同電離層投影函數(shù)得到的SF-PPP定位結果,綠色表示SLM-MF得到的SF-PPP定位偏差日均值,藍色表示Klobuchar-MF得到的SF-PPP定位偏差日均值,紅色表示MSLM-MF得到的SF-PPP定位偏差日均值,橫坐標表示年積日,縱坐標表示三維偏差,單位:m。由圖3可知:南半球的定位精度要比北半球的SF-PPP定位精度差。同時,南半球不同電離層投影函數(shù)之間SF-PPP定位結果差異要比南半球不同電離層投影函數(shù)之間SF-PPP定位結果差異大。對南半球測站,MSLM-MF的SF-PPP定位偏差在 0.5 m左右,Klobuchar-MF的SF-PPP定位偏差在0. 75 m左右,SLM-MF的SF-PPP定位偏差在 1.25 m左右。對北半球測站,MSLM-MF和Klobuchar-MF的SF-PPP定位偏差均在 0.6 m左右,SLM-MF的SF-PPP定位偏差在 0.75 m左右。
圖3 南半球和北半球活躍期不同電離層投影函數(shù)SF-PPP定位結果統(tǒng)計序列
統(tǒng)計南北半球不同投影函數(shù)的SF-PPP三維偏差均值,得表2。由表2可知:不同投影函數(shù)南半球的SF-PPP定位結果均比北半球的SF-PPP定位結果要差。其中,SLM-MF投影南北半球SF-PPP定位結果的差異最大,MSLM-MF南北半球SF-PPP定位結果的差異最小。SLM-MF,Klobuchar-MF和MSLM-MF南北半球SF-PPP定位結果的差異分別為 0.531 m,0.188 m和 0.010 m。同時,不同的電離層投影函數(shù)的SF-PPP定位結果相差較大。其中,MSLM-MF結果最優(yōu),為 0.508 m;其次是Klobuchar-MF,為 0.678 m;SLM-MF結果最差,為 0.982 m。
表2 不同投影函數(shù)在太陽活動活躍期得到的SF-PPP統(tǒng)計結果(單位/m)
統(tǒng)計太陽平靜期南北半球不同電離層投影函數(shù)SF-PPP定位結果序列,結果如圖4所示。圖中各項內容的意義與圖3相同。由圖4可知:南半球的SF-PPP定位精度要比北半球的SF-PPP定位精度差。同時,南半球不同電離層投影函數(shù)之間的SF-PPP定位結果差異要比南半球不同電離層投影函數(shù)之間的SF-PPP定位結果差要大,但比電離層活躍期的差異要小。對南半球測站,不同電離層投影函數(shù)的SF-PPP定位偏差均在0.75 m左右。對北半球測站,不同電離層投影函數(shù)的SF-PPP定位偏差均在 0.5 m左右。
圖4 南半球和北半球平靜期不同電離層投影函數(shù)SF-PPP定位結果統(tǒng)計序列
同樣地,統(tǒng)計南北半球不同投影函數(shù)的SF-PPP三維定位偏差均值,得表3。由表3可知:不同投影函數(shù)南半球的SF-PPP定位結果均比北半球的SF-PPP定位結果要差。其中,SLM-MF投影的南北半球SF-PPP定位結果的差異最大,MSLM-MF南北半球的SF-PPP定位差異最小。SLM-MF,Klobuchar-MF和MSLM-MF南北半球SF-PPP定位結果的差異分別為 0.207 m,0.192 m和0.155 m。此外,不同的電離層投影函數(shù)的SF-PPP定位結果相差不大。其中,MSLM-MF定位結果最優(yōu),為 0.488 m;其次是Klobuchar-MF,為 0.520 m;SLM-MF結果最差,為 0.546 m。
表3 不同投影函數(shù)在太陽活動平靜期得到的SF-PPP統(tǒng)計結果(單位/m)
本文介紹了3種電離層投影函數(shù),包括:標準單層電離層投影函數(shù)(SLM-MF)、Klobuchar投影函數(shù)(Klobuchar-MF)及改進單層電離層投影函數(shù)(MSLM-MF),并基于GIM產(chǎn)品提供到的垂直方向的電離層總延遲,研究分析不同電離層投影函數(shù)在不同太陽活動期,對中緯度地區(qū)單頻接收機SF-PPP的定位偏差進行研究。實驗結果表明:
(1)在不同太陽活動期,不同電離層投影函數(shù)在北半球的SF-PPP結果要優(yōu)于南半球的SF-PPP結果,這可能是因為構建GIM使用的南半球測站較少導致的。
(2)在中太陽活動期和高太陽活動期,SLM-MF,Klobuchar-MF和MSLM-MF南北半球SF-PPP定位結果的差異分別為 0.531 m,0.188 m和 0.010 m。同時,不同的電離層投影函數(shù)的SF-PPP定位結果相差較大。其中,MSLM-MF定位結果最優(yōu),為 0.508 m;其次是Klobuchar-MF,為 0.678 m;SLM-MF結果最差,為 0.982 m。
(3)在太陽活動平靜期,SLM-MF,Klobuchar-MF和MSLM-MF南北半球SF-PPP定位結果的差異分別為 0.207 m,0.192 m和 0.155 m。此外,不同的電離層投影函數(shù)的SF-PPP定位結果相差較小。其中,MSLM-MF定位結果最優(yōu),為 0.488 m;其次是Klobuchar-MF,為 0.520 m;SLM-MF結果最差,為 0.546 m。