NeQuick电离层模型的精度分析

电离层延迟是影响卫星导航定位精度的一个重要因素,NeQuick电离层改正模型是半经验模型,已经被伽利略系统作为单频用户的电离层改正模型。本文以双频载波平滑伪距观测值获得的电离层总电子含量(TEC)作为参考值,分别比较了以F10.7的月均值作为输入参数和以广播参数求出的Az作为输入参数的模型精度,并与Klobuchar模型进行了对比分析。结果表明以太阳活动参数F10.7为输入参数的模型精度高于以广播星历Az为输入参数的模型,NeQuick模型的改正精要高于Klobuchar模型的改正精度,在中高纬测站要优于Klobuchar模型5-10 TECU。     

Klobuchar模型和NeQuick模型在中国地区的精度评估

将CODE以及GPS广播星历提供的8个系数分别作为Klobuchar模型的输入参数,利用Klobuchar模型及NeQuick模型计算得到中国地壳运动观测网15个GPS基准站上2000～2008年的电离层VTEC序列,以欧洲定轨中心CODE提供的事后电离层产品作为参考标准,得到了两个模型在中国地区的精度评估结果。     

GNSS全球广播电离层模型精度分析

单频用户主要采用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)广播电离层模型来修正电离层延迟,GPS、Galileo和BDS-2均播发广播电离层参数。BDS-3试验卫星也播发了应用于全球电离层延迟修正的BDGIM(BeiDou global ionospheric delay correction model)模型参数。以国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS) GIM (global ionosphere maps)产品和全球140余个GNSS观测站GPS双频观测量为基准,从全球范围、不同纬度、不同区域等系统分析了GPS、Galileo和BDS-3的全球广播电离层模型改正精度,并与IGS预报电离层产品(IGS P1和IGS P2)进行比较。分析认为,IGS P1和IGS P2产品的改正精度总体最优,BDGIM参数优于Gal NeQuick和GPS K8。对于BDS-3新发布的BDGIM参数,分析认为,在全球范围的改正精度(均方根)约为3.58 TECU,改正率约77.2%,在全球不同区域的改正精度相当。     

北斗全球系统广播电离层模型性能初步评估

北斗三号系统于2017年正式启动建设，将采用新的北斗全球电离层延迟修正模型（BeiDou global ionospheric delay correction model，BDGIM）。使用高精度格网电离层数据和双频实测电离层延迟数据作为参考，对北斗试验卫星系统播发的BDGIM模型精度进行了相应分析和评估，并与北斗Klobuchar和GPS Klobuchar模型精度进行了比较。研究结果表明，在中国区域，BDGIM模型和北斗Klobuchar模型精度相当，优于GPS Klobuchar模型；在全球范围内，BDGIM模型精度优于北斗Klobuchar和GPS Klobuchar模型。采用不同电离层模型进行伪距单频单点定位，并对定位结果进行对比分析，结果显示，使用BDGIM模型比北斗Klobuchar模型的定位精度有13%的提高，比GPS Klobuchar模型有7%~10%的提高。     

NeQuick电离层模型在中国地区的应用

电离层延迟是影响GPS绝对定位精度的主要因素,对单频接收机尤为明显,Galileo系统广播星历拟采用NeQuick模型作为其电离层模型。本文介绍了NeQuick模型及其模型最优化,给出了利用NeQuick模型计算电离层总电子含量(TEC)的方法,利用国内部分观测台链提供的北京和武汉的TEC,并与NeQuick模型所给出的结果进行对比分析,最后给出NeQuick模型在中国地区使用的初步结论。     

不同电离层映射函数对导航精度的影响分析

介绍广播星历映射函数、投影映射函数、几何映射函数和椭球映射函数4种不同的电离层映射函数,基于Klobuchar电离层模型分析不同电离层映射函数对导航精度的影响。结果表明,不同电离层映射函数对导航精度的影响在厘米级到分米级;在不同太阳活动期,椭球映射函数和几何映射函数对导航精度影响基本相同;在太阳活动活跃期,导航精度由高到低依次为几何映射函数、投影映射函数、广播星历映射函数;在太阳活动平稳期,导航精度由高到低依次为广播星历映射函数、投影映射函数、几何映射函数。建议在导航定位中,电离层映射函数在太阳活动活跃期时采用几何映射函数,在太阳活动低谷期时采用广播星历映射函数。     

基于不同电离层模型的精密单点定位精度分析

随着PPP的发展与应用,对PPP误差源的研究更加精细、更加科学。电离层折射是高精度PPP的主要误差之一,国内外通用方法是用大气传播理论建立电离层修正模型。本文主要探讨了电离层对精密单点定位影响的基本理论,总结了目前常用方法;研究了Klobuchar模型的改正公式及计算方法;系统地研究了双频观测值建立消电离层延迟模型的理论和方法。使用相同时段的观测数据,将广播星历、Klobuchar模型和双频观测值改正消电离层模型的结果进行比较,发现用GPS双频观测值建立的消电离层模型的精度明显优于广播星历及Klobuchar模型。     

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务。本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面,对北斗三号系统组网前后(2020年5月1日至2020年7月20日)BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究,并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。研究表明,BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。上述时段内,以国际GNSS服务(IGS)发布的最终GIM产品为参考,BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%;以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考,BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%;当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时,在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。     

北斗不同电离层模型精度分析

目前北斗系统播发多种电离层模型参数，用户使用时容易产生以下问题：①同一历元不同卫星播发同一电离层模型，其值不完全相同；②北斗二号、北斗三号分别播发的Klobuchar电离层模型参数值存在差异；③对于能同时接收到3种电离层模型（BDS-2 Klobuchar、BDS-3 Klobuchar及北斗全球电离层延迟修正模型（BDGIM））的基本导航用户如何选取合适的电离层模型。针对以上问题，本文首先提出采用最大投票法策略，对同一历元相同电离层模型但值不同的参数进行合理合并，然后以IGS分析中心的电离层产品为基准，对以上3种北斗电离层模型进行了精度分析和对比，最后基于等效距离误差进行了验证分析。试验结果表明，BDS-2 Klobuchar、BDS-3 Klobuchar虽然模型值差异较大但模型精度十分接近，而BDGIM模型精度最高，相对于前两者在中低纬地区平均提升10%，在两极地区的提升更加明显，平均提升61%。     

适用于不同尺度区域的Klobuchar-like电离层模型

导航定位中运用最广泛的电离层修正模型是Klobuchar模型,但经典的Klobuchar模型不能满足日益增长的导航定位精度的需求,因此不同的精化模型被提出。本文利用GIMs分析了夜间电离层随地方时的变化和电离层电子总含量随纬度的变化情况,在对各种适用范围较广的模型精化方案进行归纳总结的基础上,提出了一种适用于不同尺度区域的Klobuchar-like模型,并利用不同太阳活动时期不同季节的GIMs建立了适用于单站、大区域和全球的Klobuchar-like模型、14参数Klobuchar模型和8参数Klobuchar模型。Klobuchar-like模型单站、区域、全球的修正率分别达到了92.96%、91.55%、72.67%,均高于14参数、8参数Klobuchar模型和GPS Klobuchar模型,表明了该模型的有效性与实用性。     

An examination of the Galileo NeQuick model: comparison with GPS and JASON TEC

GPS Solutions - We evaluate the performance of Galileo broadcast NeQuick model by comparing it with GPS broadcast Klobuchar and the original NeQuick2 models. The broadcast coefficients of Galileo...     

不同Klobuchar模型参数的性能比较

对于GPS单频用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。GPS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从370组常数中选取。目前全球分布的GPS测站可以获得高精度的全球电离层监测结果,GPS为什么不发播采用实测数据计算得到的Klobuchar模型参数呢？本文针对这一问题进行分析。首先对欧洲定轨中心CODE提供的全球电离层图GIM预报COPG电离层进行精度评估,然后根据COPG电离层进行Klobuchar模型参数拟合并利用IGS提供的事后高精度电离层图进行精度分析,最后将不同的电离层模型参数应用于单点定位以评估其对单频用户的影响。分析结果表明：受8参数的Klobuchar模型本身结构限制,采用全球实测数据计算的电离层模型参数与导航电文中发播的电离层模型精度相当,为55%左右。而仅采用地磁纬度45oS以北的数据拟合得到的模型参数,其电离层改正精度有明显提升,可达65%左右,但其对单频用户定位精度改善不明显。本文研究结果为我国全球电离层建模提供参考。     

Galileo single frequency ionospheric correction: performances in terms of position

For GPS single frequency users, the ionospheric contribution to the error budget is estimated by the well-known Klobuchar algorithm. For Galileo, it will be mitigated by a global algorithm based on the NeQuick model. This algorithm relies on the adaptation of the model to slant Total Electron Content (sTEC) measurements. Although the performance specifications of these algorithms are expressed in terms of delay and TEC, the users might be more interested in their impact on positioning. Therefore, we assessed the ability of the algorithms to improve the positioning accuracy using globally distributed permanent stations for the year 2002 marked by a high level of solar activity. We present uncorrected and corrected performances, interpret these and identify potential causes for Galileo correction discrepancies. We show vertical errors dropping by 56–64 % due to the analyzed ionospheric corrections, but horizontal errors decreasing by 27 % at most. By means of a fictitious symmetric satellite distribution, we highlight the role of TEC gradients in residual errors. We describe mechanisms permitted by the Galileo correction, which combine sTEC adaptation and topside mismodeling, and limit the horizontal accuracy. Hence, we support further investigation of potential alternative ionospheric corrections. We also provide an interesting insight into the ionospheric effects possibly experienced during the next solar maximum coinciding with Galileo Initial Operation Capability.     

GNSS基本服务性能评估

针对现有全球卫星导航系统性能评估无规范的评估标准问题,该文提出了以统一模型和算法为评估体系的方法,较详细的评估了全球卫星导航系统公开服务信号的基本性能,主要评估了空间信号误差、广播电离层模型改正效率及伪距单点定位精度等。结果表明:空间信号误差方面,伽利略最优、GPS和北斗三号相当;广播电离层模型方面,北斗全球广播电离层模型改正效果最优,GPSK8与NeQuick模型在低中纬度改正效果相当,北斗区域电离层模型在其服务区内具有较高改正效果;定位方面,北斗、GPS和伽利略静态伪距单点定位的三维位置均方根误差优于5m,格洛纳斯优于10 m;动态伪距单点定位方面,北斗在中国境内定位精度最高;基于统一评估体系下,可以直观对比得到目前各卫星导航系统的性能差异,同时也为后续的建设提供相应的参考。     

Ionospheric correction using NTCM driven by GPS Klobuchar coefficients for GNSS applications

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) require mitigation of ionospheric propagation errors because the ionospheric range errors might be larger than tens of meters at the zenith direction. Taking advantage of the frequency-dispersive property of ionospheric refractivity, the ionospheric range errors can be mitigated in dual-frequency applications to a great extent by a linear combination of carrier phases or pseudoranges. However, single-frequency GNSS operations require additional ionospheric information to apply signal delay or range error corrections. To aid single-frequency operations, the global positioning system (GPS) broadcasts 8 coefficients as part of the navigation message to drive the ionospheric correction algorithm (ICA) also known as Klobuchar model. We presented here an ionospheric correction algorithm called Neustrelitz TEC model (NTCM) which can be used as complementary to the GPS ICA. Our investigation shows that the NTCM can be driven by Klobuchar model parameters to achieve a significantly better performance than obtained by the mother ICA algorithm. Our research, using post-processed reference total electron content (TEC) data from more than one solar cycle, shows that on average the RMS modeled TEC errors are up to 40% less for the proposed NTCM model compared to the Klobuchar model during high solar activity period, and about 10% less during low solar activity period. Such an approach does not require major technology changes for GPS users rather requires only introducing the NTCM approach a complement to the existing ICA algorithm while maintaining the simplicity of ionospheric range error mitigation with an improved model performance.     

NeQuick2电离层改正模型的性能评估

NeQuick2电离层改正模型是在NeQuick1模型基础上改进而来的。利用GPS实测观测值在不同卫星截止高度角情况下获得的斜路径总电子含量作为参考,对该电离层模型性能进行评价,并与常用的国际参考电离层和Klobuchar电离层模型进行比较。结果表明,NeQuick2模型获得的斜向总电子含量与实测差值的标准差保持在15TECU以内,其稳定性显著优于国际参考电离层和Klobuchar模型。