北斗电离层模型改正精度分析

电离层误差是影响单频用户机定位精度的主要误差源。卫星导航系统播发电离层模型改正参数供用户使用,模型改正精度会对定位结果产生直接影响。北斗卫星导航系统根据连续监测站实测数据,计算并发播地理坐标系下8参数Klobuchar电离层模型参数,且每2 h更新一次。为了科学评估北斗电离层模型改正效果,文中基于北斗最新观测数据,首先,以CODE提供的GIM模型作为比对基准,详细分析了不同纬度地区、不同时间段内的电离层模型改正精度;其次,分别按照以下定位模式进行计算:1)北斗单频不加电离层改正,2)北斗单频+北斗K8模型,3)北斗单频+GPS K8模型,并分析了电离层改正残差对定位结果影响大小。结果表明,北斗电离层模型改正精度在北半球优于南半球,中纬度地区改正效果最好,其改正残差RMS均值在0.6 m左右,往低纬和高纬度地区呈递减趋势;北京地区北斗单频+北斗K8模型定位精度优于GPS K8模型。     

两种电离层模型对卫星导航定位精度的影响分析

北斗卫星导航系统及全球定位系统等全球卫星导航系统电磁波信号在大气中传播会受到电离层延迟的影响,为满足导航用户需求,我国北斗卫星导航系统和美国全球定位系统均采用Klobuchar 8参数模型进行电离层延迟改正。但是全球定位系统Klobuchar模型和北斗卫星导航系统Klobuchar模型的电离层参数并不相同,分析不同导航系统发布的电离层参数精度对这两种双模导航定位中电离层参数的选择具有重要的研究意义。分别采用北斗卫星导航系统和全球定位系统电离层模型进行伪距单点定位,通过比较最终的定位精度从而对这两种不同模型在全球范围内的改正精度进行评价。研究结果表明:在中国区域内,采用北斗卫星导航系统模型的伪距单点定位精度较全球定位系统模型有较大提高;采用北斗卫星导航系统电离层参数更利于中国区域的全球卫星导航系统的导航定位。     

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。     

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%。     

基于北斗GEO的电离层延迟修正方法比较与分析

电离层延迟是影响导航定位精度的最主要因素。北斗卫星导航系统采用Klobuchar模型修正单频接收机用户的电离层延迟误差,对于双频接收机,可以利用不同频率信号的伪距观测数据解算得到电离层延迟值。为比较两种方法在天津地区的电离层延迟修正效果,利用NovAtel GPStation6接收机(GNSS电离层闪烁和TEC监测接收机)采集到的卫星实测数据进行计算。以国际全球导航卫星系统服务组织(IGS)发布的全球电离层格网数据为参考,对两种方法的修正效果进行比较分析。结果表明,在天津地区,利用双频观测值解算电离层延迟比Klobuchar模型计算结果更加精确,且平均每天的修正值达到IGS发布数据的82.11％,比Klobuchar模型计算值高948％      

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。     

NTCM广播电离层模型性能评估

对于全球卫星导航系统单频用户而言，广播电离层模型是改正电离层误差的主要方法之一。对NTCM-BC模型、MNTCM-BC模型、NTCM-Klobuchar模型和传统Klobuchar模型的性能进行了对比分析。结果表明，在一个太阳活动周期内，NTCM-BC和MNTCM-BC模型计算的垂直总电子含量精度相当，且精度最高，NTCM-Klobuchar模型次之，Klobuchar模型最低。在低纬度测站，NTCM系列模型较Klobuchar模型最高能减少20 TECU左右的误差。与Klobuchar模型相比，采用NTCM-BC和MNTCM-BC模型进行伪距单点定位，高程精度提高约38%，特别是太阳活动高峰期间，低纬度测站最高能提高3 m左右。     

北斗系统在南极中山站地区的基本定位性能评估

对北斗区域卫星导航系统（BDS）正式运行后在南极中山站地区的基本导航定位性能进行了评估,包括卫星可用性、位置精度因子（PDOP）、伪距观测值质量、电离层模型精度及单频伪距导航定位性能等方面。对南极中山站地区实测数据分析的结果表明,首先,北斗卫星导航系统的可用性与伪距观测值质量在总体上与GPS处于同一水平,并已初步具备了全天导航定位的能力,但存在卫星分布不够均匀、GEO卫星高度角较低、电离层模型精度较差等问题。其次,北斗单频伪距单点定位北、东方向的精度分别优于22 m和9 m,高程方向优于25 m;超短基线的单频伪距差分定位在北、东、高程三个方向的精度分别为3.6 m、2.3 m和3.3 m;总体而言与GPS相比有一定差距。最后,北斗/GPS组合定位相对于单一的GPS定位不仅增加了系统的可靠性,还对定位的精度有明显改善,对于单频伪距单点定位、伪距差分定位的三维点位精度可分别提高10%、22%。     

Klobuchar电离层模型精化进展

电离层延迟是卫星导航定位的重要误差源之一。采用合适的电离层延迟模型可以有效地减弱电离层延迟误差对定位结果的影响。目前在导航定位中运用最广泛的是Klobuchar模型,但Klobuchar模型的修正率只有50%~60%。为了满足日益增长的导航定位精度的需求,不同的精化模型被提出。本文介绍了Klobuchar模型在GPS和BDS系统中的应用,比较了在两个系统应用时的差异。回顾概括了文献在Klobuchar模型的参数精化和模型精化两个方面的研究,并对各种精化模型进行了对比总结。模型精化的结果优于参数精化,未来对于Klobuchar模型的精化更趋向于模型精化。     

北斗系统电离层模型参数改正精度分析

本文讨论了电离层垂直电子总含量比较法和单频单点定位法两种电离层模型参数改正精度评估方法,介绍了北斗系统发播的电离层模型参数的使用方法,基于欧州定轨中心提供的全球电离层数据评估北斗系统发播的电离层模型参数精度,分析结果表明：北斗系统发播的Klobuchar电离层模型参数在西安地区的改正比例,白天为80％左右,夜间为75％左右。     

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。     

利用多模卫星系统仿真数据建立区域电离层模型

目前已有的全球卫星导航系统包括美国的全球定位系统系统,俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统,欧盟的伽利略卫星导航系统以及我国的北斗卫星导航系统。对于导航用户而言,采用多模全球卫星导航系统可以显著增加测站可视卫星、观测值的数量,并能改善卫星分布,更加有利于区域电离层模型的建立。因为目前全球导航卫星系统尚未全面建成,无法获得多模系统实测数据,本文使用卫星工具软件包仿真全球定位系统、格洛纳斯卫星导航系统、北斗卫星导航系统的双频观测值,采取多种策略构建中国区电离层球谐函数模型,并对区域模型结果进行分析。仿真结果表明:对于中国区域,利用全球卫星导航多系统观测值建立中国区域电离层球谐函数模型的平均精度要优于单一系统,我国北斗卫星导航系统单系统观测值的建模精度与全球卫星导航多系统建模精度相近,模型误差最大时仅有实际延迟量的14%,二者均优于全球定位系统单系统观测值的建模精度,其模型误差最大可达20%,而格洛纳斯卫星导航系统单系统观测值建模精度最差,模型误差最大时达实际延迟量的35%。     

区域电离层建模的单频伪距定位验证

针对电离层单层模型无法满足单频用户定位精度要求的问题,该文建立了区域电离层斜路径模型和单星多项式函数模型。基于河北省区域CORS站的实验结果表明:该文建立的区域电离层模型的拟合精度比CODE中心的格网电离层模型提高了近80%。并将其应用于北斗、GPS单频伪距单点定位,得出北斗的单点定位高程和平面定位精度分别优于3和2m,GPS的单点定位高程和平面定位精度分别优于1.5和1m;相对于CODE,GPS和北斗在平面及高程方向的定位精度均提高了50%左右。结果证明,采用斜路径电离层模型和多项式函数模型,可以较好地反映区域电离层的精细结构。     

北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析

采用IGS、MGEX、北斗地基增强网的实时观测数据,研制北斗广域精密定位服务系统,实时生成北斗高精度轨道、钟差、电离层产品,提供厘米级北斗双频PPP、分米级单频PPP、米级单频伪距定位服务。对实时产品评估分析的结果表明:北斗卫星实时轨道与钟差产品URE统计精度约为2.0cm,实时电离层精度优于4.0TECU。采用全国分布的实时测站动态定位精度(95%置信度)评估分析表明:北斗双频PPP精度存在明显的区域特征,高纬度以及西部边缘地区的定位精度平面约0.2m,高程约0.3m;中部地区定位精度平面优于0.1m,高程优于0.2m,接近GPS实时PPP精度水平;北斗与GPS融合可以提高单北斗、单GPS的定位性能,尤其是显著加快了PPP收敛时间,收敛时间缩短到20min内。另外,除边缘地区外,北斗单频PPP实现平面0.5m,高程1.0m;北斗单频伪距单点定位实现平面2.0m,高程3.0m。     

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。     

不同NeQuick电离层模型参数的应用精度分析

Galileo采用NeQuick作为全球广播电离层模型,其实际应用中以有效电离水平因子Az代替太阳活动指数作为NeQuick的输入参数,并利用二次多项式拟合得到广播星历中播发的3个电离层参数。本文在总结和讨论NeQuick模型参数估计方法及其变化特征的基础上,分别以全球电离层格网、GPS基准站及JASON-2测高卫星提供的电离层TEC为参考,分析不同NeQuick模型参数(包括以太阳活动参数F10.7为输入的NeQuick2、以本文解算参数为输入的NeQuickC和以Galileo广播电离层参数为输入的NeQuickG)在全球大陆及海洋地区的应用精度,并与GPS广播的Klobuchar模型对比。结果表明,NeQuickG在全球范围内的修正精度为54.2%~65.8%,NeQuickC的修正精度为71.1%~74.2%,NeQuick2的修正精度与NeQuickG相当,略优于GPS广播星历中播发的Klobuchar模型。     

北斗卫星导航系统电离层模型应用评价

利用北斗接收机接收到的北斗系统K8电离层模型,与同时段欧洲定轨中心提供的电离层模型为基准进行对比,对北斗卫星导航系统在不同地区不同时段的改正效果进行分析;并以中纬度北京地区为例对不同电离层改正模型下的定位误差进行分析比较,从而对北斗系统K8电离层模型的改正效果进行评价。     

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。     

北斗卫星导航系统动态定位精度测试与分析

随着北斗卫星导航系统的建设与发展推动全球卫星导航事业在民航的发展。介绍了卫星导航系统的定位误差通过与作为真值数据的组合导航定位数据进行比较仿真分析了实测数据下精度因子与可见星数目的占比分布北斗卫星导航系统在低海拔平原地区和高海拔山脉地区均可以提供实时导航定位服务且定位结果均符合《北斗卫星导航系统公开服务性能规范》标准,满足用户的定位要求。      

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。