GPSKLOBUCHAR模型改正精度异常现象分析

鲁强

摘要：对于GNSS单频用户而言，广播电离层模型是电离层的延迟改正的主要方法。 目前，用于全球的广播电离层模型有GPSK8模型、BDSSH模型、和NeQuick2模型。本文对GPSK8模型在17年5月份北半球中纬区域分析时，发现在个别测站上出现改正精度较差的异常现象。作为比对模型，还一同分析了NeQuick2模型和BDSSH模型。对出现的异常现象展开研究和分析，其结果表明模型改正精度出现异常的原因是测站的实测基准存在异常所致。

Abstract： For GNSS single-frequency users， the broadcast ionosphere model is the main method for the delayed correction of ionosphere. Currently， the global broadcast ionosphere model has GPSK8 model， BDSSH model， and NeQuick2 model. In this paper， the model of GPSK8 was analyzed in the northern latitudes of the northern hemisphere in May 17， and it was found that the abnormality of correction accuracy was found on individual stations. As a comparison model， NeQuick2 model and BDSSH model are analyzed together. The results of the study and analysis of abnormal phenomena show that the anomaly of the accuracy of the model correction is caused by the anomaly of the measured datum of the station.

关键词：GPSK8模型；BDSSH模型；异常现象分析；实测VTEC

Key words： GPSK8 model；BDSSH model；abnormal analysis；The measured VTEC

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）03-0146-05

0 引言

随着GNSS定位技术的发展，电离层延迟误差成为影响GNSS定位的主要误差源之一[1]。国内外学者对此有着深入的研究，其结果表明在太阳活动的平静期，电离层延迟引起的天顶方向测距误差一般在5～15m，在太阳活动高峰期影响可达上百米[2，3]。对于双频接收机，可以通过双频消电离层组合消除电离层一阶项；但对于单频接收机而言，主要是通过电离层模型进行改正，目前常用的广播电离层模型有GPSK8、BDSK8、BDSSH9、NeQuick2模型等。

常见的几种广播电离层模型都是实时播发电离层参数给用戶进行延迟改正，但这几种模型在参数的播发上各异。GPSK8模型通过电文播发K8参数用于修正电离层时延误差。新一代北斗全球广播电离层模型-BDSSH模型主要根据卫星位置、用户概略位置、导航电文播发的电离层参数及固化于用户接收机的非播发电离层参数即可帮助单频用户计算电离层延迟改正。NeQuick模型是一种半经验模型，通过电文播发三个电离层矫正参数进行电离层延迟改正。

本文对GPSK8模型在北半球中纬区域17年5月性能分析时发现DUBO测站在改正精度上连续6天出现异常现象，对出现的异常现象从实测基准VTEC信息和测站在非异常期的比对展开分析，并得到相应的结论。

1 GNSS广播电离层模型

1.1 GPSK8模型

GPS广播电离层模型采用的是KLOBUCHAR模型，该模型是利用三角余弦函数建立的电离层模型，白天在地方时14时左右出现峰值，晚上的时延为常数，5ns。在对参数的设置考虑了电离层周日变化的振幅和相位变化，能较好的表征电离层时间延迟的特性。

GPSK8模型播发的8个参数是基于地磁坐标系。利用全球GNSS双频观测数据解算得到的，该参数每天更新一组，通过广播星历播发给用户。该模型模型的优点在于模型公式简单，并且计算效率高。GPSK8模型计算电离层延迟的步骤详见参考文献[4，5，6]。

1.2 NeQuick模型

NeQuick模型是一种描述电离层电子密度时空变化的半经验模型，其特点是把电离层分层，通过模型自带的数据文件，可计算特定时间空间任意一点的电子密度，对电子密度积分得到任意传播路径上的总电子含量，进而得到电离层时延误差。

由于是半经验模型，NeQuick模型也在不断同步更新，在最初的NeQuick1后，对模型的一些参数计算进行了优化之后，继而得到目前使用的NeQuick2模型，有关NeQuick1和NeQuick2模型的具体算法详见参考文献[7，9，10]。

1.3 BDSSH模型

新一代北斗卫星导航系统，将提供给单频用户全新的北斗广播电离层时延修正模型-BDSSH模型，李子申在2012年首先提出该模型，验证了模型的可靠性。

BDSSH模型通过导航电文播发的电离层参数及固化于用户接收机的非播发电离层参数即可帮助单频用户计算信号传播方向的电离层延迟改正值。其模型计算电离层延迟的基本步骤可参考文献[8]。

1.4 统计方法

我们在利用测站的实测数据和广播电离层参数来评估不同广播电离层模型的精度时，采用改正率P和均方根误差RMS作为评估模型精度的指标，其计算公式如下：endprint

P=∑■■（1-■）（1）

RMS=■ （2）

式中，VTEC评估为广播电离层延迟改正模型得到的VTEC，VTEC基准为参考基准，在模型统计时，对所有模型采用了相同的强约束来对模型进行优化（具体指：一是在统计时略去测站白天或晚上改正率低于30%的情况，二是略去改正精度大于17个TECU的情况）。

2 案例分析

2.1 异常现象分析

2.1.1 GPSK8模型在北半球中纬区域的解算

分析GPSK8模型在北半球中纬区域的模型性能时，选取北半球中纬区域15个IGS测站2017年5月份的观测数据进行分析。所选测站为：ALBH、AMC2、BSHM、CHUR、DUBO、FLIN、NOVM、QUIN、SCH2、SHAO、URUM、USUD、VILL、ZECK、UNBJ其测站分布如图1所示。

15个测站在5月份的模型改正精度如表1所示。

由表1可知，除了DUBO站外，其它站在改正精度上均无异常现象，显示了GPSK8模型在北半球中纬区域良好的改正性能。参考文献[12]中提到了GPSK8模型在全球范围内最适用的区域是在北半球中纬区域。与本文的结论相符。

2.1.2 异常期与非异常的比较

针对上述分析中出现的DUBO测站改正精度出现的异常情况，我们在对DUBO站GPSK8模型分析时发现测站连续6天（124-129）出现改改正精度大于17个TECU，超过统计时所规定的强约束条件（17个TECU）。我们对此异常现象展开研究，分析出现异常的原因。对GPSK8模型分析时，还同比对了NeQuick2模型和BDSSH9模型。三种广播电离层模型在124-129天的VTEC信息如图2所示。

给出改正精度的同时，还画出了GPSK8模型在次时间段的改正率，其改正率如图3所示。

从图2和图3中我们可以看出GPSK8模型在改正精度异常时和另外两种模型比较时并未表现出明显的差异性。为此，我们选取了改正率和改正精度均无差异的153-155天模型VTEC信息与其比较。看GPSK8模型在异常期和非异常期模型VTEC信息有无明显差异，153-155三天的改正率和改正精度如表2所示。

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在分析153-155三天无异常期GPSK8模型改正精度时，还一同比对了BDSSH9模型和NeQuick2模型，三种模型的结果如图4所示。

从异常期和非异常期的比对试验中我们可以看出：

①无论是在非异常期还是在异常期，GPSK8模型的变化趋势相似，都在地方时14时左右出现峰值现象。

②在异常期与非异常期的比对中发现GPSK8模型的广播电离层VTEC信息并未出现较大的差异。而BDSSH9模型和NeQuick2模型在异常期和非异常期均保持的良好的稳定性。

③较之前GPSK8模型改正率出现异常，其模型VTEC信息与非异常有较大变化相比；GPSK8模型在改正精度出现异常时，其模型VTEC信息并无较大的变化。

2.2 測站的实测VTEC信息

在上述试验中，GPSK8模型在改正精度出现异常时，其广播电离层模型的VTEC信息无明显变化。针对上述实验中存在的问题，就需要对异常现象展开进一步的分析。由于模型解算的基准都是测站的实测数据。因此，有必要对测站的基准信息展开研究和分析，由于实测信息在某一时段存在多颗卫星的情况，并不能很好的表征测站在某一时刻的变化情况，针对这一问题，在分析时以单颗卫星为例展开分析，本文选取19号卫星，19号卫星在每天开始的两个小时时段有VTEC信息。DUBO测站124-129天19号卫星VTEC信息如图5所示。

为了比对异常期和非异常期的基准信息，还一同画出了测站153-155三天的实测VTEC，仍以19号卫星为例展开分析，其实测VTEC信息如图6所示。

153-155三天的实测信息中由于19号卫星只在00：05-00：45时间段有实测VTEC信息，因此，在比对时选取相同时间段内段的实测信息。其差值信息如表3所示。

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通过异常期与非异常期实测信息的比对我们可以看出：

①在单颗卫星同时段的比对中，无异常期的VTEC变化量明显小于异常期的变化量。说明在无异常现象期间，单颗卫星的实测信息更为稳定。

②在实测信息中，同一时刻的比较中，异常期的实测VTEC值远大于非异常期的VTEC值。说明在异常期间，测站的实测信息存在异常现象。

上述实验中通过异常期与非异常期的基准信息比对我们可以看出在异常期的基准信息存在异常，为了进一步验证测站所在的局部区域是否有异常现象，为此，我们选取了和DUBO测站相邻的FLIN测站进行比对。对于FLIN测站，我们同样选取124-127天进行比对。在比对中仍以G19号卫星为例，其实测基准VTEC如图7所示。

从两个测站的实测基准信息比较中我们可以看出：

①在单颗卫星的比较中DUOB测站的VTEC的变化量明显高于FLIN测站。进一步表明DUBO测站的实测信息出现异常现象。也就表征了测站的观测数据存在异常现象。

②与DUBO测站相邻的FLIN测站并未出现模型异常现象，说明在此小区域不存在电离层模型异常现象。从而反映出DUBO测站模型改正精度异常是由于测站本身的观测数据所引起的异常。

3 总结

对GPSK8模型的精度进行统计，对模型解算中出现改正精度异常情况展开研究和分析，可以得到以下结论：

①三种广播电离层模型在异常期的VTEC信息我们可以看出，模型的VTEC变化趋势相似。都在地方时14时左右出现峰值现象。

②在改正精度出现异常时，GPSK8模型的VTEC信息并未表现出较大的差异。

③单颗卫星在异常期和非异常期实测信息比对中我们可以明显的看出，DUBO测站的实测基准信息存在异常现象。

④与相邻测站的比对中FLIN测站无异常现象，说明在这个区域不存在电离层模型异常现象。表明GPSK8模型在DUBO测站解算时改正精度出现异常情况是由测站本身的观测数据存在异常引起的。

参考文献：

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