GNSS差分码偏差处理方法及全球广播电离层模型研究

<正>针对当前多模GNSS应用对多系统差分码偏差(differential code bias,DCB)产品的需求以及DCB研究仍多局限于GPS及GLONASS的现状,本文首先开展多模GNSS DCB参数精确确定研究;进而结合BDS全球系统建设的实际应用需求,深入开展了GPS、Galileo及BDS全球广播电离层模型研究,并采用大量实测数据对相关     

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%。     

改进CODE GIM的GNSS广播电离层模型评估方法

针对如何有效地对各类电离层模型在建模实现、模型精度、模型时效性等方面进行综合评估问题,该文提出一种基于改进CODE模型(CODE+模型)全球电离层图(GIM)的预报电离层精度评估方法,通过增加我国陆态网监测站数据,提高我国及周边地区的电离层建模精度,弥补了CODE GIM在我国及周边地区因观测数据少而精度受限的不足。通过试验分析表明,改进CODE GIM能够满足精度要求,且更好地与我国实际电离层情况相吻合;并以此为基准评估GNSS广播电离层精度,对比分析了GPS、BDS、Galileo电离层模型的精度,得到一些初步结论。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

为了对区域电离层延迟进行实时模型化,利用中国区域GPS实测资料,基于球冠谐函数模型、低阶球谐函数模型、多项式模型和Kriging内插方法,构建了电离层延迟模型。重点讨论了电离层垂直总电子含量(vertical total electron content,VTEC)的空间变异性、相关性的统计计算和Kriging内插估计方法,实现了中国区域VTEC格网实时建模。验证结果表明,高纬度地区VTEC拟合精度优于低纬度地区,Kriging内插估计和多项式模型结果的拟合内符合精度明显优于球冠谐函数模型和低阶球谐函数模型。但多项式拟合的格网,其方差则存在明显的边际效应,拟合区域中央精度较高,区域边缘地带精度明显下降;Kriging算法估计的格网点VTEC方差更符合实际情况,穿刺点多的地方,格网点精度较高。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)中唯一全星座提供3频信号的卫星导航系统,其信号频率间共存在3种频间偏差(differential code bias,DCB),分别是DCB_C2I-C7I、DCB_C2I-C6I、DCB_C7I-C6I。理论上,这3种DCB之间存在代数和为零的关系。基于3种频间偏差闭合差约束,加入DCB观测方程,以北斗中轨道(medium earth orbit,MEO)和倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO)卫星作为参考卫星,采用附加限制条件的间接平差方法同步估计BDS的3种DCB。选取2018年1月1日—30日多模GNSS实验(multi-GNSS experiment,MGEX)基准站的BDS 3频数据,分别采用附加闭合差约束估计和独立求解两种方法计算北斗二代卫星的3种频间偏差。以中国科学院(Chinese Academy of Sciences,CAS)和德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,DLR)的DCB产品作为参考,分析了所提方法估计的DCB精度、稳定性及部分典型卫星的DCB时间序列,验证了所提方法对北斗3频DCB估计的适用性和科学性,并通过BDS单频标准单点定位(standard point positioning,SPP)实验验证了DCB对单点定位精度的影响效果。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

海量地基GPS双频观测为电离层延迟建模提供了高分辨率时空覆盖的数据源。尽管如此,穿刺点的数量及空间分布、观测精度影响着建模精度。GLONASS/GPS兼容接收机增加了可观测的卫星数,改善了穿刺点的几何分布。基于此,完整地给出了GLONASS/GPS联合全球电离层延迟建模的算法实现以及数据处理策略。实测数据表明,在当前IGS站网分布下,GLONASS数据改善了全球电离层延迟模型化效果;卫星的DCB稳定性优于接收机的DCB,但GLONASS卫星DCB稳定性差于GPS卫星。     

全球电离层延迟建模及精度分析

采用中国测绘科学研究院iGMAS分析中心数据,建立全球电离层延迟模型,进行精度分析。结果表明,全球电离层球谐函数建模结果与CODE差值基本在0～4 TECU之间。大陆地区精度最高,基本在1 TECU以内;海洋地区以及南半球部分地区精度较差,最大能达到4 TECU;各卫星C1-P2的DCB结果与CODE差值在0左右波动,大部分在1.5 ns以内,说明本文的GPS/GLONASS卫星系统DCB精度与CODE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。     

GNSS广播星历的精度评定

由于卫星广播星历有能被用户实时观测到的特点,因此为导航和实时定位提供了方便。精密星历是高精度的事后星历,而广播星历是由全球定位系统的地面控制部分所确定和提供,并经过卫星向全球用户公开播发的一种预报星历。本文选取了GPS和GLONASS卫星系统,并对GPS和GLONASS广播星历与精密星历计算的卫星位置对比分析,最后得出广播星历的精度与卫星和原子钟的类型有关的结论。     

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。     

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-2Klobuchar、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。     

多GNSS电离层TEC提取精度评估新方法

分析研究了常规电离层总电子含量TEC(Total Electric Content)提取的精度评估问题。提出了基于临近穿刺点偏差和相邻天邻近历元跳变分析的综合电离层TEC提取精度评估方法;并采用MGEX和iGMAS部分测站实测数据,验证了该方法的有效性。与传统方法相比,采用该方法给出的评估结果更加细化,可用于小区域电离层的活动程度分析。     

基于GNSS的电离层模型研究进展

在利用全球导航卫星系统GNSS进行精密定位和导航时,电离层延迟误差是影响其精度和准确度的主要误差源之一,故对电离层模型研究至关重要。本文将电离层模型分成了经典电离层模型和现代电离层模型,并对经典电离层模型进行了比较,重点介绍了目前全世界电离层模型的研究热点、存在问题及研究方向。     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system,GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system,GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system,Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system,QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明：5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播...     

中国区域CODE全球电离层地图精度分析

电离层延迟是精密单点定位的主要误差源,双频用户可利用组合观测值消除其影响,单频用户只能利用电离层模型对其加以改正.因此电离层模型的精度对单频精密单点定位(single-frequency precise point positioning,SF-PPP)的精度至关重要.为分析欧洲轨道确定中心(Center Orbit Determination Europe,CODE)提供的全球电离层地图(global ionospheric map,GIM)在中国区域内的精度,在不同纬度范围内选取25个均匀分布的陆态网基准站,从STEC(slant total electron content,STEC)精度及单频动态定位精度两个角度对CODE GIM进行精度评估.结果表明STEC均方根(root mean square,RMS)7天内的平均值为6.38 TECU,应用CODE GIM进行单频动态精密单点定位的精度在水平方向达到亚米级,高程方向达到米级,在高纬度地区CODE GIM精度更高.     

iGMAS全球电离层TEC格网产品精度分析

为了分析与评估国际GNSS监测评估系统(iGMAS)全球电离层TEC格网产品精度,该文基于iGMAS及IGS各电离层分析中心发布的全球电离层TEC格网产品,进行了精度比较分析,结果表明:iGMAS与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组发布的全球电离层TEC格网产品,在全球、不同纬度带和欧洲等不同区域均表现出较高的一致性和强相关性,互差为0~2.0 TECU;JPL分析中心GIM的内符合精度约为2.5 TECU,iGMAS、IGS、CODE、ESOC和UPC等分析中心GIM的内符合精度均小于1.5 TECU;在2~8 TECU的精度范围内,iGMAS全球电离层TEC格网产品的精度总体与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组的精度相当。     

四大GNSS广播星历精度评估与对比分析

分析了 目前广播星历精度评估中存在的问题,详细论述了广播星历精度评估过程中对精密星历进行天线相位中心改正的取值方法,提出了利用单颗星单日钟差均值作二次差对广播星历钟差的系统性偏差进行改正的方法.选取2019-09-01-2019-11-01 共计62天的多模 GNSS 实验(multi-GNSS experiment,...     

地方时的全球电离层格网精度评价

针对IGS发布的电离层格网产品的精度(均方根)在不同区域受太阳辐射影响不同的问题,该文提出基于地方时的全球电离层格网精度分析,通过地方时能较好地分析近似太阳辐射条件下的电离层精度。研究结果显示,电离层精度明显受地面基准站分布疏密的影响,基准站密集区域均方根随太阳辐射变化的波动较小,并且在太阳辐射较高时也能很好地保证电离层产品的精度;而基准站稀疏的区域均方根随太阳活动的影响较大,电离层精度较差。     

伽利略电离层改正模型的精度对比分析

针对半经验电离层模型NeQuick模型中NeQuick2模型研究较少的现状,文章介绍了NeQuick2模型的算法,分析了NeQuick2模型与NeQuick1模型的差别:利用低、中、高纬度测站的全球定位系统观测数据获得的斜路径电子总含量作为参考,对NeQuick2模型和NeQuick1模型进行了精度对比分析。结果表明NeQuick2模型的精度显著优于NeQuick1模型,平均改善约4TECU。