基于SDCORS的区域电离层模型研究

刘智敏,李洋洋,李斐,郭金运,张海平,汤玉兵,孔昭龙

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院,青岛 266590；2.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室,青岛 266590；3.山东省国土测绘院,济南 250102)

基于SDCORS的区域电离层模型研究

刘智敏1,2,李洋洋1,李斐1,郭金运1,2,张海平3,汤玉兵3,孔昭龙3

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院,青岛 266590；2.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室,青岛 266590；3.山东省国土测绘院,济南 250102)

区域电离层模型对实现GNSS高精度定位具有重要意义。本文基于SDCORS数据自动处理及分析系统,利用SDCORS双频数据,同时解算总电子含量和差分码偏差,对比分析IAACs最终的差分码偏差、电离层格网产品,并应用于单频精密单点定位。结果表明，卫星差分码偏差、电离层格网产品与CODE结果的一致性最相符,卫星差分码偏差差值在0.15 ns内,其它的在0.2 ns左右,山东范围内总电子含量差值的RMS值在2.2 TECU内,其它的在1.2～5.4 TECU;静态PPP单天解的N、E方向偏差20 cm,U方向30 cm左右。

SDCORS数据自动处理及分析系统;区域电离层模型;总电子含量;差分码偏差

0 引 言

电离层是处于地面以上约60～1 000 km范围内的离子化的大气层,电离层延迟改正是实现GNSS高精度定位的关键。GNSS应用中采用电离层模型一般分为基函数模型、网格模型。基函数模型主要是基于假定的数学函数模型,通过最优估计模型系数获得区域电离层电子浓度总含量(TEC),可实现一定范围内的外推与预测,主要包括多项式函数[1]、广义三角级数函数[2-3]、球谐函数[4]等模型;格网模型是基于电离层穿刺点的TEC,按照一定数学内插方法,得到格网点上的电离层TEC,可以有效地反映局部电离层TEC的精细变化,主要方法包括加权平均内插[5]、Kriging内插[6]、三角格网内插[7]等。IGS包括四个电离层联合分析中心(IAACs):欧洲定轨中心(CODE)、欧洲空间局操作中心(ESA)、美国喷气推进实验室(JPL) 和加泰罗尼亚理工大学(UPC)。CODE、ESA采用基函数模型,JPL、UPC采用格网模型。

各省市CORS的快速发展,为利用区域CORS观测数据建立高精度的区域电离层模型,进一步研究区域电离层的物理特性,并应用区域电离层模型提高定位精度提供了条件。国内外众多学者对区域电离层建模进行深入研究[7-12],取得了一定的成果。建立区域电离层模型的关键在于总电子含量(TEC)的确定,而差分码偏差(DCB)是精确计算TEC的最大误差源,DCB分为卫星差分码偏差与接收机差分码偏差。卫星与接收机差分码偏差参数存在两种确定方式:一种是在电离层TEC建模过程中将差分码偏差作为常数进行同步估计[4],需要分布较为均匀且数量相当的GNSS基准站观测数据;另外一种是采用经验或已知的电离层模型修正电离层时延,进而直接估计差分码偏差参数[13-14],可选用IGS发布的全球电离层模型或区域电离层模型。

本文基于SDCORS数据自动处理及分析系统[15],利用SDCORS系统[16]双频观测数据,建立山东区域TEC电离层模型,同时解算卫星和接收机的差分码偏差,选取IAACs最终DCB、电离层TEC格网产品进行对比,评定解算结果的精度。并将建立的区域电离层模型、差分码偏差产品应用于单频精密单点定位(PPP),分析其对定位精度的影响。

1 GPS探测电离层模型

卫星信号穿过电离层时,传播速度和方向会发生改变,产生所谓电离层延迟误差。电离层延迟误差与信号频率以及信号传播路径上的TEC有关。对于双频观测,可采用几何无关线性组合来解算斜向电离层总电子含量(STEC),计算公式为

(1)

(2)

虽然载波相位观测量精度高,但要顾及周跳、整周模糊度,过多的整周模糊度将加重计算负担。所以本文采用伪距观测值来解算STEC,为提高伪距观测值的精度,采用相位平滑伪距的方法[4.17],可得总电子含量STEC:

(DCBs+DCBr)],

(3)

(4)

式中:R=6371.000 km;H为单层电离层高度(取H=450 km);z′为穿刺点处信号传播路径方向的天顶距;z为测站处信号传播路径方向的天顶距。为更好描述电离层TEC的分布和变化,本文采用低阶球谐函数模型,其公式为[4,18]

(5)

2 SDCORS区域电离层模型建立与结果分析

2.1 模型建立与数据处理

选取SDCORS区域2015年1月1日50个基准站,如图1所示的观测数据进行分析,经纬度覆盖范围为8°×4°,采样间隔为30s.选择其中均匀分布的45个观测站作为基准站进行区域电离层建模,其余5个作为流动站进行单频PPP定位以验证区域电离层模型精度。电离层建模及定位处理中采用IGS事后精密星历及钟差。采用5阶球谐函数模型进行区域电离层拟合,同时解算卫星、接收机的差分码偏差。区域电离层模型产品按照标准IONEX格式输出,时间分辨率为1h,空间分辨率为1°×1°．区域电离层建模采用SDCORS数据自动处理及分析系统如图2所示,SDCORS、IAACs数据处理策略如表1所示。

图1 SDCORS测站分布

图2 SDCORS数据自动处理及分析系统

表1 SDCORS、IAACs数据处理策略

2.2 结果与分析

对解算所得的卫星差分码偏差与IAACs的结果进行比较,如图3所示。由图3比较可知,卫星DCB与IAACs最终卫星DCB相比,CODE差值最小,均在±0.1 ns 以内,分析两者采用相同的解算模型,其结果一致性最相符,与UPC差值最大,最大值达到0.25 ns.IAACs解算运用的是全球分布的IGS跟踪站观测数据,卫星的覆盖和观测都是全球性的,而SDCORS基准站分布为区域性的,观测到的卫星不是很均匀,导致解算结果存在偏差。

图3 SDCORS卫星DCB与IAACs差值

验证解算得到的VTEC的精度,将SDCORS解算所得电离层格网结果与IAACs最终电离层格网产品进行比较,VTEC的对比结果如图4、图5、图6所示,对比的统计结果如表2、表3、表4所示。首先对IAACs最终电离层格网产品进行插值[19],提取山东区域的格网VTEC值与本文进行对比。由于在白天正午时刻电离层活跃最强,傍晚凌晨活跃最弱,限于篇幅,本文只给出具有代表性的UTC 04:00:00 、12:00:00、20:00:00的比较结果。由图3、图4、图5可以看出,电离层格网产品与CODE结果的一致性最相符,山东范围内差值的RMS在2.2 TECU内,其它IAACs的RMS在1.2～5.4 TECU。偏差受纬度、时间的影响,中午时刻以及纬度相对低的地区电离层活跃更强,偏差更大。IAACs解算全球VTEC时,在中国境内IGS站较少,导致解算结果在一定程度上存在偏差。

图4 UTC 04:00 VTEC SDCORS的VEEC与IAACs对比

图5 UTC 12:00 SDCORS的VTEC与IAACs对比

图6 UTC 20:00 VTEC SDCORS的VTEC与IAACs对比

表2 SDCORS与IAACs UTC04对比结果统计(单位:TECU)

表3 SDCORS与IAACs UTC12对比结果统计(单位:TECU)

表4 SDCORS与IAACs UTC20对比结果统计(单位:TECU)

采用单频PPP检验区域电离层的模型精度,选取SDNH、SDSG、SDWL、SDDY、SDAQ基准站,如图1所示,作为单频流动站用户。采用SDCORS区域电离层模型进行电离层改正,以双频PPP计算结果作为真值进行对比,N，E，U方向的定位精度如图7所示。由图7可以得出,静态单频PPP单天解的N、E方向精度为20 cm右左,U方向为30 cm左右,对于单频用户定位精度有明显改善。本文获取的STEC通过投影函数转换成VTEC,再进行电离层模型拟合,投影函数以及模型拟合函数的不精确性会导致电离层模型精度下降,本文也没有考虑到电离层梯度的变化,这些都会影响到模型的精度。另外单频PPP进行电离层格网内插,模型精度在时间、空间上降低,导致N、E、U方向存在系统性的偏差。因此,投影函数、拟合函数、电离层梯度、内插方法等需要进一步的研究,提高区域电离层模型的精度。

图7 单频PPP静态解算精度

3 结束语

本文基于SDCORS数据自动处理及分析系统,利用SDCORS基准站观测数据,进行山东区域电离层建模,同时解算出卫星和接收机的(DCB)。通过与IAACs最终卫星DCB、电离层格网结果进行对比,并应用于单频PPP,分析其对定位精度的影响。分析后得到如下结论:

1) SDCORS解算的卫星DCB、电离层格网产品与CODE结果的偏差最小,卫星DCB差值在0.15 ns内,其它IAACs的差值在0.2 ns左右;山东范围电离层格网偏差的RMS在2.2 TECU内,其它IAACs的RMS在1.2～5.4 TECU,结果偏差大小受时间、纬度的影响。

2) 单频PPP静态定位单天解的N、E方向偏差为20 cm左右,U方向为30 cm左右,表明单频用户可采用本文的模型来减少电离层延迟的影响。

本文获取的STEC通过投影函数转换成VTEC,再进行电离层模型拟合,需要改进投影函数、拟合函数,研究电离层梯度的变化,提高区域电离层精度,进一步研究单频PPP电离层高阶项的改正。IGS的超快星历、钟差,有助于实现区域电离层模型的实时建模与预报,因此区域电离层的实时建模与预报需要进一步研究,以便用于单频用户实时定位。

致谢:感谢IGS提供的GPS卫星精密星历、钟差产品；日本东京海洋大学提供的RTKLIB.

[1] LIU J Y, TSAI H F, JUNG T K. Total electron content obtained by using the Global Positioning System [J]. Terrestrial Atmospheric & Oceanic Sciences, 1996(7):107-117.

[2] CAMARGO P O D, MONICO J F G, FERREIRA L D D. Application of ionospheric corrections in the equatorial region for L1 GPS users [J]. Earth Planets & Space, 2000, 52(11):1083-1089.

[3] YUAN Y, JIKUN O U. A generalized trigonometric series function model for determining ionospheric delay [J]. Progress in Natural Science, 2004, 14(11):1010-1014.

[4] SCHAER S. Mapping and predicting the earth's ionosphere using the global positioning system [D]. Berne:University of Berne,1999

[5] BURRELL A G, BONITO N A, CARRANO C S. Total electron content processing from GPS observations to facilitate ionospheric modeling [J]. GPS Solutions, 2009, 13(2):83-95.

[6] BLANCH J. An ionosphere estimation algorithm for WAAS based on Kriging [D]. California: University of Stanford, 2002.

[7] 耿长江, 唐卫明, 章红平. 利用CORS系统实时监测电离层变化[J]. 大地测量与地球动力学, 2008, 28(5):105-108.

[8] 胡伍生, 聂文锋, 高成发. 利用CORS进行格网化电离层TEC实时监测[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2013(S2):219-224.

[9] 张瑞, 姚宜斌, 郑艳丽. 基于区域电离层建模的单点定位应用分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2013(1):69-73.

[10]GAO Y, LIU Z Z. Precise ionosphere modeling using regional GPS network data [J]. Positioning, 2002, 1(1):18-24.

[11]GAO S. Monitoring and modeling Hong Kong ionosphere using regional GPS networks [D]. Hong Kong Polytechnic University, 2008.

[12]HONG C K, GREJNER-BREZINSKA D A, KWONw J H. Efficient GPS receiver DCB estimation for ionosphere modeling using satellite-receiver geometry changes [J]. Earth Planets & Space, 2008, 60(11):25-28.

[13]CHAO Y C. Real time implementation of the Wide Area Augmentation System for the Global Positioning System with an emphasis on ionospheric modeling [D]. California: University of Stanford, 1997.

[14]LI Z S, YUAN Y B, WANG N B,etal. SHPTS: towards a new method for generating precise global ionospheric TEC map based on spherical harmonic and generalized trigonometric series functions [J]. Journal of Geodesy, 2015, 89(4):1-15.

[15]黄超, 杨颖, 熊卫东,等. 基于Bernese 5.0的区域CORS数据自动处理系统[J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2015, 34(5):75-81.

[16]张海平, 高士民, 周长志,等. SDCORS系统测试与技术性能分析[J]. 全球定位系统, 2013, 38(3):61-64.

[17]DACH R, HUGENTIBLER U, FRIDEZ P,etal. Bernese GPS software version 5.0 [M]. Astronomical Institute, University of Bern, 2007.

[18]GUO J, LI W, LIU X,etal. Temporal-spatial variation of Global GPS-derived Total Electron Content, 1999-2013.[J]. Plos One, 2015, 10(7):209-15.

[19]BLANCH J. An ionosphere estimation algorithm for WAAS based on Kriging [D]. California: University of Stanford, 2002.

Research on Regional Ionospheric Model Based on SDCORS

LIU Zhimin1,2,LI Yangyang1,LI Fei1,GUO Jinyun1,2,ZHANG Haiping3,TANG Yubing3,KONG Zhaolong3

(1.CollegeofGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.KeyLaboratoryofSurveyingandMappingTechnologyonIslandandReef,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinfomation,Qingdao266590,China;3.ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250102,China)

Regional Ionospheric Model has a great significant to the implement of the precise point positioning based on single-frequency GNSS. Based on Shandong CORS Data Auto-processing Management and Analysis System, Double-frequency datas were used for calculating Total Electron Content and Differential Code Bias in this paper. the results were contrasted with those made in IAACs and were also applied to Single frequency Precise Point Positioning. The results shows that the Differential Code Bias and Ionospheric grid products consistent with the CODE excellently. The difference of Satellites’Differential Code Bias is within 0.15 ns and others is about 0.2 ns. The RMS of Total Electron Content difference in Shandong is within 2.2 TECU and others is 1.2 to 5.4 TECU; The static PPP single-day bias is 20 cm in the N and E direction,while about 30 cm in the U direction.

Shandong CORS Data Auto-processing management and Analysis System; regional ionospheric model; total electron content; differential code bias

2016-05-12

国家自然科学基金(批准号:41374009),青岛博士后基金(编号:2015186)

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.015

P228.4

1008-9268(2016)06-0075-06

刘智敏(1975-),女,河北唐山人,副教授,博士,主要从事GNSS定位理论技术及其应用等研究。

李洋洋(1991-),男,山东东营人,硕士生,研究方向为GNSS精密定位与数据处理。

李斐(1992-),女,山东烟台人,硕士生,研究方向为GNSS精密定位理论与应用。

郭金运(1969-),男,山东巨野人,教授,博士生导师,主要从事空间大地测量、海洋大地测量和物理大地测量等研究。

联系人：李洋洋 E-mail: liyang1416@126.com