多GNSS电离层建模软件进展

朱永兴, 贾小林, 阮仁桂, 姬剑锋

1. 西安测绘研究所，陕西 西安，710054;2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054



多GNSS电离层建模软件进展

朱永兴1,2, 贾小林1,2, 阮仁桂1,2, 姬剑锋1,2

1. 西安测绘研究所，陕西 西安，710054;2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054

我所分析中心于2015年加入iGMAS分析中心，多GNSS电离层建模软件作为核心数据处理软件之一，负责生成电离层电子含量(TEC)格网产品和卫星频间偏差(DCB)产品。本文介绍了多GNSS电离层建模原理及软件，分析了在线产品的精度。分析结果表明，2015年年积日193～223天电离层TEC格网产品与CODE最终产品比较，在中、高纬度地区电离层TEC与CODE产品一致性较好，在低纬度地区电离层TEC与CODE产品一致性略差；2015年7月DCB产品与CODE/ IGS 产品比较，GPS和Galileo卫星差异较小，优于0.3ns，GLONASS卫星差异略大。

多GNSS融合；电离层建模；在线产品；精度分析

1　引　言

电离层与人类生活息息相关，电离层活动对卫星导航、航空航天、远程通信、天气预报、地震监测等具有重要影响。以卫星导航为例，电离层活动是最严重的误差源之一，同时也是影响系统安全的重要因素。为此，观测并预报电离层中的总电子含量(TEC)及其时空分布已成为电离层研究中的重要课题[1～6]。

1998年IGS意识到GPS是监测电离层活动的重要技术手段，决定提供电离层服务[3]。IGS主要的电离层分析中心包括欧洲定轨中心(CODE)、加拿大能源矿山和资源中心(EMR)、美国喷气推进实验室(JPL)、欧洲空间局(ESA)和西班牙卡塔尼西亚理工大学(UPC)、武汉大学等。其中，欧洲定轨中心(CODE)提供的电离层TEC格网产品，因其精度高(2～9tecu)、信息量丰富及完整，被国际GNSS电离层研究用户广泛应用[6-8]。2012年底，由中国主导的国际GNSS监测评估系统(iGMAS)，也开始提供高精度全球电离层TEC格网产品。iGMAS电离层分析中心包括中科院测量与地球物理研究所、武汉大学、中科院上海天文台等10多家单位，并由iGMAS产品综合与服务中心负责发布最终电离层TEC格网产品[9]。

我所分析中心(XRS)是2015年新加入iGMAS的分析中心，核心数据处理软件为自主开发的卫星定位定轨系统SPODS和多GNSS电离层建模软件。根据目前卫星导航系统多模多频并存特点[10-11]，针对多GNSS电离层建模，一方面考虑多GNSS数据融合建模，充分利用各卫星系统的跟踪站数据，扩展电离层穿刺点的覆盖区域；另一方面考虑多频数据融合建模，充分利用多频数据，通过合理定权提高电离层TEC的提取精度。XRS从2015年1月开始向iGMAS产品综合与服务中心提供快速(滞后18h)和最终(滞后7d)电离层TEC格网产品、DCB产品。期间，经过格式测试和策略调整，4月中旬起稳定提供相关产品。本文首先简要介绍多GNSS电离层建模原理及软件，之后分析运行一段时间以来产品精度情况。

2　基本原理与方法

多GNSS电离层建模原理和数据流如图1所示。

图1　基本原理和数据流图

(1)观测量。载波相位测量精度比伪距测量精度高2个数量级，但载波相位观测量受整周模糊度影响，载波相位平滑伪距比伪距精度高且不受整周模糊度影响，所以电离层TEC的提取主要采用载波相位平滑伪距。

(2)电离层TEC提取。由于电离层所产生的折射改正与频率平方成反比，如果忽略电离层高阶项的影响，则根据双频伪距的L4组合，可以得到斜路径的电离层延迟、卫星频间偏差和接收机频间偏差，如下式：

(1)

(3)投影函数。为了实现电离层建模，需要通过投影函数将斜路径的总电子含量(STEC)转换为天顶方向的总电子含量(VTEC)。常用的电离层投影函数有：Klobuchar(1987)提出的一种用于GPS广播星历电离层模型的投影函数；Clynch(1989)提出的利用最小二乘方法拟合求解的Q因子投影函数；欧吉坤(1996)提出的一种可适用于高度角变化而分段取值的电离层投影函数；StefanSchaer(1998)提出的修正单层模型投影函数MSLM等。一般认为，在观测高度角大于15°时，各类投影函数计算的效果并无大的差异(Schaer，1998)。本文选用修正单层模型投影函数MSLM。

(4)电离层建模。GPS电离层研究中，通常引入单层模型来代替整个电离层，即假设所有的自由电子都集中在某一高度H处的一个无限薄的球面上[12]。有关学者提出了许多基于GPS观测值的电离层模型，包括全球模型和区域模型，其中，最基本的区域电离层模型有多项式模型(POLY)(Komjathy，1997)、三角级数模型(GTSF)；全球模型有球谐函数模型(SPHF)(Wilkson等，1995)。

(6)参数估计。参数估计采用最小二乘法，包括电离层模型参数和DCB参数。解算过程中，不同频点组合构建法方程，消去DCB参数，组成最终的法方程，解算电离层模型参数，然后回代求解DCB参数。卫星和接收机DCB的分离，可以约束某一颗卫星DCB值为零或所有卫星DCB值和为零(零和约束)。

3　软件在线运行情况

电离层解算策略：采用IGS/iGMAS约250个(快速产品采用约150个)跟踪站数据，相位平滑伪距提取电离层TEC，广播星历计算卫星位置，测站坐标从IGS/ iGMAS周产品SINEX文件获取，数据采样率为120s，采用15阶*15阶球谐模型。电离层TEC参数每天从0点-24点，2小时一组，共13组，频间偏差DCB参数每天一组。所采用的数据组合为：GPS 的C1WC2W和C1WC1C、GLONASS的C1PC2P和C1PC1C、BDS的C2IC7I和C2IC6I、Galileo的C1XC5X和C1XC7X等组合。解算过程为：先约化DCB参数，解算出电离层模型参数后回代求解卫星和接收机DCB参数。其中，卫星和测站DCB分离，引入卫星DCB和为零的约束条件。

精度评估：电离层TEC格网产品包括快速产品和最终产品，以CODE最终产品为参考，比较所有格网点电离层TEC差值，统计差值的RMS。DCB产品为月产品，GPS和GLONASS参考CODE提供的DCB月产品，BDS和Galileo参考IGS提供的DCB产品。

3.1电离层TEC精度

直接下载分析中心的快速/最终电离层TEC格网产品和CODE最终电离层TEC格网产品。首先比较所有格网点的TEC差值，然后按照高纬度、中纬度、低纬度三个区域统计电离层TEC格网产品精度。年积日193～223天的产品精度统计结果如图2～3。

图2　快速产品精度统计图

图3　最终产品精度统计图

从图中可以看出：

(1)中、高纬度地区分析中心电离层TEC格网产品与CODE最终产品差异小于2.5tecu，低纬度地区快速电离层TEC格网产品与CODE产品差异为4～5tecu，最终电离层TEC格网产品与CODE产品差异为3～4 tecu；

(2)分析中心电离层TEC格网产品与CODE产品差异比较稳定，中高纬度地区一致性明显好于低纬度地区。分析认为，在低纬度地区太阳辐射强，电离层异常活跃[13]，超快速产品由于测站数量有限，低纬度地区穿刺点密度不高，导致低纬度地区电离层TEC精度偏差。

为进一步分析电离层TEC格网产品精度，本文选用了同时期iGMAS多家分析中心电离层TEC格网产品与CODE最终电离层TEC格网产品比较。分析结果如图4～5(xrr和xrs分别表示我所分析中心的快速产品和最终产品)。

图4　iGMAS分析中心快速产品精度统计图

图5　 iGMAS分析中心最终产品精度统计图

从图中可以看出，我所分析中心的快速/最终电离层TEC格网产品分别好于4tecu和3tecu。与各家iGMAS分析中心的产品比较，我所分析中心电离层TEC格网产品精度处在中间水平，同时表现出比较好的稳定性。

3.2DCB参数精度

频间偏差(DCB)是影响用户PVT服务的主要误差源之一，也是影响电离层建模精度的主要误差源。大量研究表明，电离层观测量中卫星和接收机的DCB具有稳定性，在一段时间内基本保持不变。分离卫星和接收机的DCB时，组合值并不受约束条件的影响，本文采用卫星DCB和为零的约束条件解算卫星DCB。以CODE产品和IGS产品为参考，2015年7月卫星DCB产品精度统计如图6～8。

图6　GPS卫星DCB与CODE产品差值

图7　GLONASS卫星DCB与CODE产品差值

图8　BDS/Galileo卫星DCB与IGS产品差值

(1)与CODE产品比较，GPS卫星C1WC2W组合和C1WC1C组合的DCB的差异，基本优于0.3ns，GLONASS卫星C1PC2P组合和C1PC1C组合的DCB的差异，基本优于1.0ns。GLONASS卫星DCB与CODE产品一致性略差。

(2)与IGS产品相比，BDS卫星C2IC7I组合和C2IC6I组合的DCB的差异约为0.5ns，Galileo卫星C1XC5X组合和C1XC7X组合的DCB的差异优于0.2ns。BDS卫星DCB与IGS产品一致性略差。

4　结　论

我所分析中心作为iGMAS 的分析中心之一，目前已经稳定向iGMAS产品综合与服务中心提供产品。本文简要介绍了多GNSS电离层建模原理及软件，分析了在线产品的精度。分析结果表明：

(1)XRS分析中心电离层TEC格网产品与CODE最终产品比较，在中、高纬度地区电离层TEC与CODE产品一致性较好，在低纬度地区电离层TEC与CODE产品一致性略差。

(2)XRS分析中心DCB产品与CODE/IGS 产品比较，GPS和Galileo卫星与CODE/IGS 产品差异较小优于0.3ns。GLONASS卫星与CODE/IGS 产品差异偏差，需要进一步分析原因。

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Multi-GNSS Ionospheric Modeling Software Development

Zhu Yongxing1,2, Jia Xiaolin1,2, Ruan Rengui1,2, Ji Jianfeng1,2

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China

The XRS analysis center became a new part of Internet GNSS Monitoring and Assessment System (iGMAS) in 2015. As one of the core data processing software, the multi-GNSS ionospheric modeling software is responsible for generating the ionosphere total electron content (TEC) grid products and differential code biases (DCB) products. In this paper, the multi-GNSS ionospheric modeling principle and software are introduced, and then the accuracies of online products are analyzed. The analysis results show that compared with the CODE final product, the ionosphere TEC grid products of day 193-223 in 2015 can achieve good consistency in the middle and high latitudes area, but not so good at low latitudes. Compared DCB products in July 2015 with CODE/IGS products, the differences between GPS and Galileo satellites are slight and better than 0.3ns; when compared with GLONASS satellite, the differences are somewhat greater.

multi-GNSS fusion; ionospheric modeling; online product; accuracy analysis

2015-10-19。

朱永兴(1986—),男，助理研究员，主要从事卫星导航数据处理研究。

P223

A