随机模型对北斗DCB估计和电离层建模的影响

2022-12-26刘冰雨王中元王阳阳葛于祥王瑞光

全球定位系统 2022年6期

刘冰雨，王中元，王阳阳，葛于祥，王瑞光

(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州 221116)

0 引言

同一时刻不同频率或同一频率上不同测距信号在经过发射链路和接收链路中所产生时间延迟的差值称为差分码偏差(DCB)，是影响电离层总电子含量(TEC)监测和建模的主要误差源，也是精密单点定位(PPP)中必须考虑的误差项[1-2].目前常用的DCB估计方法主要有两种：1)与电离层参数同步估计[3]；2)先用经验模型改正电离层TEC，再解算DCB[4].LI 等[5]提出的IGG DCB 方法克服了前者对测站过分依赖的缺点，WANG 等[6]将该方法进一步拓展至多系统多频DCB 上，并通过中国科学院评估研究中心(CAS)向用户发布.考虑到利用载波相位平滑伪距提取观测量，易受平滑弧段长度和多路径效应影响，文献[7-8]提出了采用非差非组合PPP 提取电离层观测值，进而解算DCB 参数，实验验证了非组合PPP方法更利于电离层延迟提取、建模和预报.随着低轨卫星的升空作业，采用低轨卫星估计DCB 的方法也不断被提出[9].

北斗卫星导航系统(BDS)星座包含有倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、地球静止轨道(GEO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星三种不同类型的卫星，且不同类型卫星的轨道高度、轨道精度和DCB 解算残差存在差异.另外，由于观测站所处纬度不同，其天顶(U)方向电离层变化和活跃程度也不尽相同.目前关于DCB 解算随机模型的研究相对较少，现有研究也大多基于随机模型或高度角模型展开[10-12].为了提高BDS DCB 估计和电离层建模精度，提出了一种综合高度角、卫地距和测站纬度的随机模型，并对比分析了不同随机模型对BDS DCB 估计以及电离层模型精度的影响.

1 DCB 与电离层参数估计方法

通过双频无几何组合，可得到伪距和载波相位无几何观测量，考虑到伪距观测量噪声较大，本文采用载波相位平滑伪距的方式得到较高精度的电离层观测量，计算公式为

式中：为经载波相位平滑后的伪距无几何观测量；STEC、VTEC分别为倾斜方向TEC和U 方向TEC；Ds、星、接收机；4mm/为光速；Mf(z)为投影函数，z为Dr为卫星端mm/和接收机端mm/；s、r分别为卫卫星高度角的余角；R为地球平均半径；H为电离层薄层高度，取值为506.7 km；α 为比例因子，取值为0.978 2.

本文采用低阶球谐函数对U 方向电离层TEC 进行建模，表达式为

式中：nmax为球谐函数最大展开度数；(sinφ)为n度m阶的归化勒让德函数；φ为穿刺点的地理纬度；s=λ-λ0为穿刺点的日固经度，其中 λ 为穿刺点的地理经度，λ0为太阳的地理经度；anm和bnm为球谐函数模型中的待求系数.联立式(1)和式(2)，改写矩阵形式可得

式中：L为平滑的无几何观测量；B为参数向量的系数矩阵；为参数向量，其中包含有球谐函数的待求系数向量K和接收机端DCB 参数向量R和卫星端DCB 参数向量S.由于卫星DCB 和接收机DCB 参数列相关，需要引入一个零均值基准约束条件，为了便于与CAS DCB 产品进行比较，本文采用的零均值基准约束与CAS 解算DCB 采用的基准约束保持一致，即=0，H为约束向量，其中与卫星DCB 对应元素为1，其他元素为0.基于附有限制条件的间接平差，可求解得到未知参数

式中，P为观测量权阵.将求解得到的电离层参数K代入式(2)中可得到相应的电离层垂直总电子含量(VTEC)值.

2 随机模型

由式(4)可知，电离层观测值的权阵对解算DCB、电离层球谐参数有着重要作用.DCB 估计中几种常见的随机模型有：

1) 等权随机模型

等权随机模型假设各颗卫星在不同历元的电离层观测值误差符合相同的统计分布，即所占权重是大小相等且互不相关.等权模型实际上并没有进行加权，即权矩阵等于单位阵E，表达式可写为：P=E.

2) 高度角随机模型

一般地，当卫星高度角较大时，受到大气延迟等误差的影响越小，且测站接收机受到多路径效应越弱，将会大大降低观测量中包含的观测噪声.基于卫星高度角的权重计算公式[11]可写为

式中：Pe为基于高度角定权得到的权重；z为某一观测值对应的卫星高度角；σ2为该观测值的方差；σ20为单位权方差，其中，f、d为两个经验值常量，分别为5 cm 和2 cm.

3) 高度角、卫地距组合模型

BDS 卫星星座包含IGSO、GEO、MEO 三种不同类型的卫星，三种卫星所处的轨道高度、轨道精度、DCB 解算残差都不尽相同.为了更好区分不同类别卫星间的差异，基于卫星高度角和卫地距综合确权的权重计算公式为

式中：Pe-ρ为基于高度角卫地距定权得到的权重；Pe为按高度角随机模型计算得到的权重；ρ2为卫星和测站间的卫地距.

在综合多个测站对参数进行估计时，由于各个测站所处纬度不同，U 方向上电离层活跃程度在一天中不尽相同.其中，低纬度地区电离层电子密度最高且变化最为剧烈.比如赤道附近在当地时间正午时，上空的电离层变得最为活跃，其TEC 含量达到最大值，且此时电离层建模较为复杂，存在的模型误差较大，应赋予更小的权重.考虑到纬度因素，文中提出了一种综合卫星高度角、卫地距、测站纬度三因素的随机模型，具体权重公式为

式中：Pe-ρ-b为基于高度角卫地距纬度定权方式获得的权重；B为当前测站所处纬度；其他参数同上式.

3 数据处理及案例分析

3.1 数据处理

实验数据取自2021年年积日第175—184 下MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站网BDS C2I、C6I类型观测数据，在中国及周边区域选取了13 个测站，具体测站位置分布如图1所示.数据采样间隔为30 s，卫星截止高度角设置为10°.本文采用4 阶球谐函数模型模拟电离层VTEC 的时空变化，并将DCB 在一天内视为常数，和时间分辨率为2 h 的球谐函数模型参数进行同步估计.为分析不同随机模型对DCB 估计、电离层建模的影响，实验分3 种方案进行：方案1，基于高度角随机模型解算；方案2，基于高度角、卫地距组合模型解算；方案3，基于高度角、卫地距和纬度三因素模型解算.

图1 测站位置分布图

3.2 DCB 精度分析

在解算C2I-C6I 类型DCB 过程中，除C15、C17、C18 和C31 卫星不再提供服务外，其余卫星参加了解算，由于卫星数目众多，表1中仅列举了GEO 卫星、MEO 卫星、IGSO 卫星中各5 颗卫星在年积日第175—184 下的卫星DCB 平均值.图2展示了在不同定权方式下解算出卫星DCB 的均方根误差(RMSE)，本文以CAS 发布的DCB 产品作为真值进行比较.

由表1可知，采用方案1 和方案2 解算出的DCB平均估值相差较为细微，除C20 卫星两者差值在0.18 ns 外，其他卫星二者差值皆小于0.1 ns；方案3和两者的差值较大，但也都在0.2 ns 左右.由图2可知，方案1 和方案2 下卫星DCB 的RMSE 值在除C20 卫星存在较大差异外，其他卫星处两者RMSE波动较小，而方案3 下统计的卫星DCB RMSE 值和前两者之间的差距较大.这说明额外添加卫地距定权，对卫星端DCB 估计有着一定影响，但影响效果不太明显；采用方案3 随机模型时，卫星DCB 的平均估值和RMSE 与前两个方案可能会存在着约0.2 ns的偏差.

表1 三种方案下北斗C2I-C6I 类型卫星DCB平均估值ns

图2 卫星DCB RMSE

表2中统计了年积日第175—184 下各测站DCB估值与CAS 产品真值的平均差值，图3展示了各测站DCB 的RMSE 情况，由于LCK3、SIN1、USUD 测站在实验时段存在着CAS 发布真值丢失情况，下文统计结果并未包含该三个测站.由表2和图2可以看出，在方案2 下测站DCB 的平均差值和RMSE 普遍优于方案1，GUAM 测站除外.对比方案1，采用方案2 平均每个测站DCB 估计精度提高了0.13 ns.这说明相较于单独的高度角定权，基于高度角-卫地距的定权方式解算出的接收端DCB 更加接近理论真值.对比方案3 和前两种方案可以发现，低纬度测站DCB 结果不论是在平均差值还是RMSE 上都会更差，但高纬度测站DCB 结果会得到较好地提升，即基于高度角-卫地距-纬度定权方式对于较高纬度测站求解DCB 优于方案1 和方案2，对低纬度测站求解DCB 结果要差于前两者.

表2 各测站DCB 与CAS DCB 的平均差值ns

图3 测站DCB RMSE

3.3 电离层VTEC 精度分析

通过上文解算出的球谐函数模型参数，可实现对电离层VTEC 的解算，生成区域电离层产品文件.本文选取的格网数据空间覆盖纬度范围为5°N～45°N，分辨率为2.5°，经度范围为80°E～140°E，分辨率为5°.图4展示了本文选取格网点具体分布情况.为分析不同随机模型对电离层模型精度的影响，以国际GNSS 服务(IGS)研究中心发布的IGSG 电离层格网产品作为真值，此处采用VTEC 模型值与真值的RMSE 来反映三种方案下模型解算的精度状况，计算公式为

图4 区域电离层格网分布图

式中：vi,j是由j时刻电离层参数计算得到的某一格网点VTEC 值；是j时刻该格网点对应的IGSG 发布的真值；n为所选用格网点总数.

图5中统计了在年积日第175—179 中电离层VTEC 在对应时段的RMSE.从图5中可以明显看出，方案2 和方案3 解算出的RMSE 皆小于方案1，其中方案1 和方案2 的RMSE 较为接近，两者在5 天内的平均RMSE 分别为4.54 TECU、4.35 TECU，方案3 和方案1、方案2 的RMSE 偏差较大，其平均RMSE 为3.66 TECU，且在一天中起始时刻和结束时刻三者RMSE 差距较小，中间时段内存在明显差距.这说明了相较于高度角随机模型，基于高度角-卫地距，高度角-卫地距-纬度这两种随机模型可以提高电离层VTEC 建模精度，其中综合高度角、卫地距、测站纬度的随机模型最适合电离层建模.

图5 格网点处电离层VTEC RMS 统计图

为了能够直观反映三种方案下VTEC 建模的准确性，将得到的区域VTEC 产品与IGS 发布的电离层VTEC 产品作差取绝对值，得到的电离层残差分布图如图6所示.图6展示了三种方案下5°N～45°N，80°E～140°E 区域一天内VTEC 残差分布状况，自左向右依次为方案1、方案2、方案3 下残差分布.限于篇幅原因，在此只展示了4 个时段的VTEC 分布图.从图6中可以看出三种模型下，电离层残差较大的地方主要位于建模的边缘地带，可能是由于边缘地带穿刺点分布较少，观测量稀疏导致的；从协调世界时(UTC) 00：00 和22：00 时刻对应的分布图中，可以看出三者残差分布差距较小，不易发现三者差距，这印证了图5中年积日175 起始时刻和结束时刻三者RMSE 差距较小.从UTC 08：00 和16：00 时刻的分布图来看，方案2 与方案1 得到的电离层残差分布相对接近，两者在偏差较小区域差距不大，但方案1 残差较大区域所占空间比方案2 更大，即相较方案2，方案1 存在更大偏差.方案3 得到的残差分布图中靠近残差为0 的区域比方案1、方案2 更多，这说明方案3 得到的VTEC 更为接近IGS 提供的电离层产品.