GNSS广播电离层全球与区域模型分析

杨礼朋 杨德宏

摘要：

广播电离层精度监测评估是GNSS导航信息的重要组成部分。对GNSS单频用户而言，只有利用模型才能对电离层时延进行改正。GPS和Galileo已实现全球服务，而BDS目前还只能提供区域服务。由于3种模型所采用的电离层时延改正模型各异，所以为了客观评估几大导航系统的模型性能，也为了后续对模型和参数的进一步优化，需要选择可靠的基准，对播发的电离层参数进行实时评估。考虑到双频改正模型的高精度特性，以双频改正模型得到的值作为基准，在全球和区域范围选取测站数据，对电离层延迟改正模型从改正精度和改正率两方面进行评估。研究结果可为广播电离层监测评估以及单频导航定位等应用提供参考。

关键词：

电离层延迟；克罗布歇模型；全球定位系统；北斗导航系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.172774

中圖分类号：TP301

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）003005904

英文摘要Abstract：Broadcast ionosphere accuracy monitoring and evaluation is an important part of GNSS navigation information. For GNSS singlefrequency users， only the model is used to correct the ionospheric delay. GPS and Galileo have achieved global services， and BDS is still a regional service. In order to objectively evaluate the model performance of several navigation systems， and to optimize the model or parameters， we need to select a reliable benchmark for the proposed ionospheric parameters. Realtime evaluation. Considering the highprecision characteristics of the dualfrequency correction model， this paper evaluates the performance of the model from the global and regional selection stations by using the values obtained by the dualfrequency correction model. The ionospheric delay correction is corrected from the correction accuracy and the correction rate. The research results can provide reference for the application of radio and ionospheric monitoring and evaluation and single frequency navigation and positioning applications.

英文关键词Key Words：ionospheric delay； KLOBUCHAR； GPS； BDS

0引言

电离层是地表大气层被许多太阳光射线电离的部分，距地表60～1 000km。在电离层中，许多中性分子被电离，形成正离子和自由电子。这些粒子对导航电波的传播将产生很大影响，在天顶方向可达十几米[1]。因此，需要采用一定方法消除或减弱电离层延迟的影响。目前常用的电离层延迟改正方法有：经验模型、双频改正模型和实测数据模型[2]。具体介绍如下：①经验模型有本特（bent）模型、国际参考电离层（IRI）模型、KLOBUCHAR模型；②双频改正模型即利用全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）双频数据直接计算电离层延迟或组成无电离层延迟的组合观测量（其电离层延迟改正效果一般可达99%），但对于大多数单频接收机用户而言并不适用；③实测数据模型是利用GNSS双频数据建立的满足实时用户短期预报需求的模型[3]，常用的有IGS的电离层格网模型和CODE的球谐函数模型[4]。对于单频用户而言，广播电离层延迟改正模型是削弱电离层延迟的主要方法，我国的BDS（BEIDOU Navigation Satellite System，BDS）和美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）在导航电文中都是提供KLOBUCHAR8参数的单层电离层改正模型（后面简称K8），除此之外还有伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System GAL）发播NeQuick2模型参数、欧洲定轨中心（Center for Orbit Determination in Europe CODE）的全球电离层模型等[56]。

1GNSS广播电离层模型

1.1GPS KLOBUCHAR

克罗布歇模型是一种被单频用户接收机广泛采用的模型，它是本特模型的演化，该模型假设将整个电离层压缩在一个单层上，距地表350km[7]。夜晚的延迟为常数，白天则是余弦函数取正的部分[2]。此方式基本反映了电离层时延的周天特性。同时，大量研究资料表明，采用此模型将每天最大的时延时刻确定在14时左右。

在天顶方向调制的L1载波（f=1 575.42MHz）上测距码的电离层改正时延Tg可表示为：

Tg=5*10-9+Acos2πp（t-14h）（1）

振幅A和周期P分别为：

A=∑3i=0αi（φm）i（2）

P=∑3i=0βi（φm）i（3）

式中，αi和βi从广播星历中获取。

GPSK8模型是基于地磁坐标系的模型，通过映射函数将天顶方向的总电子含量VTEC投影至传播方向[8]。模型中所涉及的8个参数是利用全球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。该模型的优点在于公式简单、计算效率高。

BDS目前采用的广播电离层模型同GPS一样，也是8参数[910]。两种模型不同之处在于GPS是日固地磁坐标系，而BDS是地理坐標系，参数每两个小时播发一组，现阶段北斗广播电离层已实现区域服务，但BDS的全球广播电离层模型尚未公布。

1.2Galileo NeQuick2模型

NeQuick2模型是一种描述电离层电子密度时空变化的半经验电模型[11]，其模型特点是把电离层分层，通过模型计算出给定时间和位置的相应电子密度。随着伽利略系统的逐渐完善，目前伽利略系统中所用的模型是第二版模型，简称NeQuick2。新、旧模型之间的差距在于改变了底部与顶部电离层解析式以及相关变量的计算方法。

伽利略模型参数的输入信息分为两部分，一部分是地磁纬度文件和系数文件，另一部分是地理位置、时间信息等数据[12]。伽利略分布的全球监测站通过倾斜电子含量来优化NeQuick2中的有效电离参数AZ，该模型参数每天更新一次。具体算法详见参考文献[1]、[1315]。伽利略全球分布站如图1所示。

1.3评估策略

本文主要评估了包括BDS Klobuchar（以下简称BDSK8）、GPS Klobuchar（以下简称BDSK8）和GALILEIO NEQUICK模型（本文采用了最新的NEQUICK2模型进行评估）在内的3种广播电离层模型，评估的基本思路如下：

（1）利用武汉大学IGS数据中心下载所需的测站观测数据以及brdc和brdm两种星历文件；利用伯尔尼软件中提供的网址下载CODE分析中心的DCB产品，包括P1P2*_ALL.DCB和P1C1*.DCB两个文件。其中P1P2*_ALL.DCB既包含了卫星的DCB，也包含了部分测站的DCB信息，为提取实测数据作准备。

（2）利用IONCFG程序在指定路径上输入测站的观测数据、brdm文件和DCB产品文件，提取得到实测电离层信息，其结果文件如例（bjfs3140.16i）所示；经过程序转换得到评估电离层模型的基础数据，其结果文件如例（bjfs314.16）所示。

（3）利用编写的Fortran程序提取3种模型的广播电离层参数。对于GPSK8而言，利用Fortran程序提取brdc星历文件中头文件的8个参数即可；对于BDSK8而言，同样只需提取brdm星历文件中头文件的8个参数；对于GAL而言，可以利用MGEX测站数据信息，在测站文件中提取头文件的3个参数即为GAL模型参数。

（4）将第三步提取的电离层信息放入指定文件目录下，利用实测格网，程序将第二步得到的基础数据进行解算，得到测站的广播电离层改正率和改正精度，并进行对比分析和评估。

2算例与分析

本文从全球选取了33个IGS站，其中南半球有11个测站（UNSA、SANT、MGUE、RIO2、ZAMB、WIND、HRAO、SUTV、MOBS、KARR、TOW2、SAND）。北半球23个站（SHAO、TWTF、URUM、ULAB、YAKT、NOVM、IISC、ADIS、BSHM、ZECK、METS、RABT、BOGT、UNBJ、SCH2、THU3、FLIN、YELL、QUIN、FAIV、BADG、USUD、TWTF），选取2017年年积日32～59天4周的测站数据进行评估分析。利用GMT软件与测站信息画出所选测站位置和穿刺点信息，如图2所示。

为了统计广播电离层模型精度的评估结果，利用修正比例和改正精度评估3种广播电离层延迟改正模型的性能。

PER=∑ni=11-VTECmod-VTECrefVTECref（4）

RMS=2∑ni=1（VTECmod-VTECref）2n （5）

式中，VTECmod是利用程序解算得到的值，而VTECref是基准值。

2.13种模型评估分析

利用基准VTEC和广播电离层模型VTEC进行统计。由于BDSK8是区域服务，因此选取国内的3个IGS测站进行分析，3种模型精度对比如图3～图8所示。

为了直观反映中国及其周边区域3种模型的改正比例和改正精度，本文选取范围为20°N-60°N，70°E-135°E的区域。此区域有7个IGS测站（SHAO、URUM、TWTF、BADG、USUD、ULAB、NOVM）。统计测站每天的改正率，然后取其平均值得到各系统在中国及其周边区域的改正率，如表1、表2所示。

从3种广播电离层延迟改正模型在中国区域的平均改正率P以及RMS，可以看出：

（1）在中国区域，BDS广播电离层模型精度高于 GPS、Galileo，改正率平均值为73%，RMS优于6个TECU，并且表现出良好的一致性。

（2）GPSK8模型是3种模型中精度最低的，平均改正率低于65%。

2.2全球模型南北半球评估分析

目前GPS和GAL已实现了全球服务，为了对比两种模型在南北半球的精度，选取2016年11月30天的数据进行分析。按照白天和夜晚分别统计，并以测站的改正精度TECU值的大小作为评估标准来衡量。

伽利略模型在南半球解算时由于UNSA测站改正精度较低，其整体改正精度大于17个TECU，所以在统计时予以剔除。

GPS模型在南半球解算时UNSA和RIO2两个测站改正精度大于17个TECU，在统计时予以剔除。

由表5、表6可知，在北半球区域，伽利略模型的精度高于GPS的模型精度。根据两种模型在南北半球的对比，在北半球伽利略的模型精度要优于GPS，在南半球GPS要优于伽利略。同时，对同一种模型而言，北半球的改正精度优于南半球的精度。

3结语

本文主要开展了GNSS电离层延迟改正模型的评估工作，包括在中国区域和全球范围内的评估。首先基于双频电离层延迟改正模型精确提取电离层信息，然后以此为基准，开展广播电离层延迟改正模型的评估工作，主要结论如下：

（1）在中国及其周边区域，BDSK8模型的改正率优于GPSK8和NeQuick2模型，其改正精度好于6个TECU。

（2）对比两种模型在南北半球的精度可以看出，无论是GPS还是GAL，北半球的改正精度均优于南半球。

（3）在全球模型评估中，在北半球区域，GAL模型比GPSK8模型体现出了更好的精度优势，GAL的整体改正精度无论是在白天还是夜晚都比GPSK8小很多。

（4）在全球模型评估中，在南半球区域，GPSK8模型在白天的精度与GAL相当，改正精度在1个TECU范围内。整体而言，GPSK8的精度稍高于GAL，但两者并未表现出显著的精度优势。

本文给出了双频改正模型评估广播电离层延迟改正的基本思路及相关分析结果，对广播电离层延迟改正模型的监测评估及单频导航定位应用都具有一定参考价值。

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责任编辑（责任编辑：黄健）