北斗系统电离层模型参数改正精度分析

李耿浩,赵梦琪

(75711部队,广东 广州 510515)

0 引 言

电离层分布于地球表面以上60～1000 km空间,对卫星导航信号的时延效应一般在白天可达15 m,夜晚可达3 m;在天顶方向最大可达50 m,在水平方向最大可达150 m,是卫星导航定位中主要的误差源之一[1-3]。对于大众单频实时导航定位用户,必须采用有效的电离层延迟模型才可削弱该误差源的影响。目前,卫星导航系统主要通过建立电离层修正模型,通过广播星历向单频用户播发模型参数,模型参数精度将直接影响导航系统定位、测速和授时精度[4-6]。

北斗卫星导航系统(BNSY)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,计划2020年左右建成覆盖全球的卫星导航系统,届时将为全球北斗用户提供定位、授时和报文通信一体化服务[7-8]。2012年12月27日,基于5GEO+5IGSO+4MEO完整星座的北斗区域导航系统开放运行,提供亚太地区的定位测速授时(PVT)服务[9]，BDS所采用的电离层模型与GPS类似为Klobuchar 8参数模型,但是,BDS发播的电离层参数模型是基于日固地理坐标系,且每两小时更新1组,GPS系统发播的Klobuchar电离层模型是基于日固地磁系的,每天更新1组。因此,BDS发播的电离层模型参数的改正精度受到了极大的关注[9-10]。

本文讨论了常用的电离层模型参数改正精度的评估方法,介绍了BDS电离层模型参数的计算电离层延迟改正量的方法和欧洲定轨中心(CODE)提供的全球电离层图(GIM)数据计算电离层延迟改正量方法,采用实测数据分析了BDS电离层模型参数白天和晚上的改正精度。

1 原理及算法

1.1 常用评估方法

目前常用的电离层模型参数改正精度评估方法主要有电离层垂直电子总含量(VTEC)比较法和单频单点定位法。VTEC比较法是指利用广播星历播发的电离层模型求得任一时刻任意位置上的VTEC与其他更高精度的电离层模型计算的结果进行比较。单频单点定位法就是直接用定位结果检验模型精度,利用单频单点定位试验可以获得电离层延迟模型在实际定位问题中的改正精度,进而验证由广播星历播发的电离层延迟模型参数精度。本文利用VTEC比较法进行实验,采用CODE模型计算的电离层时延对BDS广播星历电离层参数进行评估。

1.2 BDS电离层延迟量计算

根据BDS ICD,用户利用BDS Klobuchar模型参数计算电离层垂直延迟改正Iz(t)

(1)

式中:Iz为电离层垂直天顶延迟,单位为s,相应频率为B3;t为以秒为单位的接收机至卫星连线与电离层交点(M)处的地方时(取值范围为0～86 400).对于计算不同频率的Iz,需要乘以一个与频率有关的因子k(f).电离层参考高度为375 km.

其中,A2为白天余弦曲线的幅度,由αn系数计算得到:

(2)

式中,A4为余弦曲线的周期,单位为s,用βn系数求得

(3)

1.3 CODE电离层延迟量计算

CODE采用全球150个GPS站点的观测数据后处理得到15阶球谐系数,进而可得到2h一组的全球电离层地图(GIM)。CODE提供的电离层产品格式有两种,1)直接提供15阶球谐系数,求解某时刻某地理位置的电离层延迟改正量直接简化为求解某时刻的展开函数;2)给出地磁坐标框架下,纬度范围-87.5～87.5,间隔2.5°;经度范围-180～180,间隔5°格网点上的垂直电子含量VTEC,某时刻某地理位置的电离层延迟改正量通过内插获得。

2 算例分析

2.1 数据及统计方法

采集了2012年9月1日-2012年11月30日共3个月BDS广播电离层参数(Klobuchar8模型参数)数据,同时采集了对应时刻的CODE提供的2 h一组的全球电离层地图(GIM)数据。采用CODE提供的GIM数据,计算出西安站与各卫星的视线方向的电离层改正量,再与采用大地系Klobuchar 8参数模型参数计算得到的电离层改正量进行比较。

统计方法:以采集的BDS电离层参数为对象,计算站星视线方向的电离层延迟改正值Dion1,采用CODE模型计算对应时刻穿刺点的电离层延迟改正值Dion2,则改正比例p计算公式为

(4)

其中:白天为(UTC8∶00-20∶00),夜间为(UTC21∶00-07∶00)

2.2 精度分析

以西安站为例,采用上述方法统计9月份-11月份电离层改正精度,如表1和图1所示,与CODE模型进行比较统计结果表明:

1)Klobuchar 8参数模型的电离层改正比例,白天为80%左右,10月份改正比率略偏差,平均为67.72%,11月份改正比率较高,达到90.01%。

2)Klobuchar 8参数模型的电离层改正比例,夜间为75%左右,11月份改正比率较高,达到84.16%。

3 结束语

本文介绍了常用的电离层精度评估方法和BDS发播的电离层模型参数的使用方法,利用CODE提供的2 h一组GIM数据,评估了BDS发播的Klobuchar模型的电离层参数改正精度,评估结果表明:BDS Klobuchar 8参数模型在西安地区的电离层改正比例,白天为80%左右,夜间为75%左右。

由于CODE模型建模过程中仅选用了5个国内站,CODE模型在国内精度不高,如何提高BDS电离层模型评估基准精度是下一步需要研究的内容。

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