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%。     

北斗卫星导航系统Klobuchar模型精度评估

目前,我国北斗卫星导航系统已完成星座区域组网,系统每2h提供一组电离层延迟Klobuchar模型参数。利用欧洲定轨中心(CODE)的高精度电离层格网数据作为参考,对北斗卫星导航系统电离层参数性能进行了精度评估分析,并进行了定位分析。数据表明,其修正精度一般在70%以上,北半球的修正误差在1.5m左右,而南半球的修正误差在3.5m左右;在北半球中纬度地区的修正精度比高纬度、低纬度地区高;北斗单频伪距定位采用北斗Klobuchar模型在平面上的精度为3m左右,高程上为7m左右,与采用GPS的Klobuchar模型相比较,定位精度提高了约10%,高程方向尤为明显。     

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。     

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％      

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。     

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。     

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。     

利用中国区域电离层数据拟合 Klobuchar参数

对于单频G PS用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。G PS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从根据经验模型和历史数据得到的370组常数选取。在缺少全球观测数据的情况下,仅利用中国区域观测数据拟合电离层模型参数,存在区域外精度下降,参数超限等问题。针对这些问题,提出了利用经验模型外推进行参数拟合的方法。相比广播Klobuchar参数,在太阳活动高峰年RMS误差减小接近7 TECU ,正常年减小1.5 T EC U ,平静年精度也略有提升。2001年至2012年的拟合参数不存在参数超限现象,且量化后或者使用预报的电离层数据进行拟合,精度下降很小,可以用于预报全球电离层模型参数。     

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。     

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。     

多系统广播电离层模型精度评估

电离层误差是导航定位主要的误差源之一,广播电离层模型为单频用户修正电离层延迟提供了简便有效的方法。本文采用CODE提供的GIM产品作为评估的基准,对4大广播电离层模型进行了多方面精度评估,旨在为后续的模型改进及应用提供参考。结果表明：各个模型北半球改正率高于南半球,白天改正率高于晚间;NeQuick模型在中低纬度服务性能一般,但在高纬度地区明显高于BDSK8、GPSK8模型,改正率高出BDGIM模型约5%,BDSK8、GPSK8、BDGIM模型在中低纬度改正率较高,高纬度带改正率稍差;BDGIM模型性能总体优于其他模型,全球范围改正率可达76.91%。     

基于北斗地基增强系统的中国区域电离层建模研究

在卫星导航定位中,电离层延迟误差是主要误差源之一,其影响可以到达数米乃至数百米,有必要进行高精度的电离层模型研究,尤其是区域的高精度电离层模型建立．本文基于北斗地基增强系统114基准站三系统 (GPS／BDS／GLONASS) 双频的观测数据进行电离层提取计算,并结合多项式函数模型进行建模,得出中国区域内的电离层模型,并采用直接跟CODG的电离层产品比较和间接通过单频精密单点定位方式来评估模型精度．结果表明,基于北斗地基增强系统建立的中国区域电离层模型精度高于CODG发布的电离层格网模型且更符合中国区域电离层的真实空间分布．      

Klobuchar电离层延迟改正模型精化方法的研究

在GPS导航定位中,单频接收机利用导航电文发播的Klobuchar电离层改正模型对电离层误差进行改正,但改正效果不太理想,为了提高其改正精度,并利用它进行电离层实时预报,我们通过电离层电子含量实测数据,对其进行精化,以满足要求。本文在原有Klobuchar电离层改正模型精化的基础之上,提出了一种新的精化方法,并对两种方法进行了比较研究,结果表明这两种精化方法对电离层的改正均有很好地提高,且本文提出的方法更优良。