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BDS/GPS/GLONASS反演全球电离层特性研究

作者:吴波 党亚…    文章来源:2014测绘学会    点击数:    更新时间:2014-12-26
摘要:本文利用BDS/GPS/GLONASS融合系统采用载波相位平滑伪距观测值和球谐函数建立全球电离层延迟改正模型,并进行全球电离层反演试验。三系统的融合不仅增加了可观测的卫星数同时改善了穿刺点的几何分布。本文融合三系统反演了2014年7月每天的电离层变化过程,同时解算得出了频间偏差的月综合产品,并对结果进行精度检验和分析。分析结果表明:电离层延迟格网值与CODE最终产品对比精度均在4个TECU以内。此外,还对计算得到的频间偏差月综合产品进行了外符合精度比较及稳定性分析,结果表明GPS精度优于GLONASS,而BDS稳定性则较差。

Research of the Characteristics of Inversing Global Ionospheric with multi GNSS

WU BoDANG YaminWANG Hu1 ZHAO Wenjiao1,2 

<!--[if !supportLists]-->(1. <!--[endif]-->Chinese Academy of Surveying & Mapping, Beijing 100830)

<!--[if !supportLists]-->(2. <!--[endif]-->ShanDong University of science and technology, Qingdao)

  Abstract: The global model of ionospheric delay correction is establish by Fusing BDS, GPS and GLONASS with observations of pseudo distance smoothed by carrier phase and spherical harmonics. And some experiments of inversion of the global ionosphere has been done. The fusion of the three systems not only increases the number of satellites observation but also improves the geometric distribution of the puncture point. We fused the variations process of ionospheric daily in July, 2014 to obtain monthly comprehensive differential code bias product and did some analysis on the accuracy of the products. The analysis result shows that : the ionospheric grid differs from product of CODE within 4 TECU. In addition, the outside precision and stability analysis of the monthly comprehensive differential code bias product indicates that the precision of GPS is better than GLONASS, while the stability of BDS is poor.

  Key words:  geodesy, Ionosphere, fusion, spherical harmonics, differential code bias

 

1 引言

地球电离层是从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域,其中存在相当多的自由电子和离子,能使无线电波改变传播速度,发生折射、反射和散射,产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。电离层引起的GNSS延迟误差已成为GNSS导航定位中最显著的误差源之一。

国际上,GNSS服务组织(International GNSS ServiceIGS)于2003年正式决定提供电离层VTEC服务。目前,美国JPL、欧洲CODEESAUPC4家分析中心(Ionosphere Associate Analysis Centers , IAACs)在从事全球电离层延迟日常数据处理和产品发布。而国内,各单位和学者也开展了诸多相关研究。万卫星、袁运斌、耿长江、章红平、韩文慧等人均对电离层延迟建模方法进行了深入的研究[1,2,3,4,5,6,7,8]。其中章红平就融合GPS/GLONASS双系统的电离层延迟的解算方法和结果进行了相关研究[9], 对于联合GPSGLONASS建立电离层延迟模型的方法和结果进行了探讨和分析,但其对于我国目前正在全力发展的BDS系统,未予以考虑。本文在此基础上,就融合BDS/GPS/GLONASS三系统的建模结果以及频间偏差解算结果进行了一定的比较和分析。

2 利用GNSS观测资料建立电离层延迟模型基本原理

本文建立全球电离层延迟模型的原理与CODEESA分析中心基本一致。即采用球谐模型,在日固地磁参考系下用15阶次的球谐模型进行展开,TEC值在时间域内采用分段线性函数进行表达[10],观测卫星和地面监测站的差分码偏差(differential code biasDCB)每天各自作为一个常数来估计[global ionosphere][12]。建模的基础理论公式如下:

                     1

式(1)中,为伪距观测值,为卫星至接收机的几何距离,为光速,为接收机钟差, 为卫星钟差,为对流层延迟,为电离层延迟,为接收机硬件延迟,为卫星硬件延迟,为测量噪声。利用双频载波相位观测值计算精度较高,但存在着周跳和模糊度的问题,处理难度大,为此本文采用载波相位平滑伪距[13]的方法,提高伪距的精度。双频码可得到:

                   2

故:

                  3

式(3)中的,为双频载波相位的频率,为斜路径总电子含量,为接收机差分码偏差,为卫星差分码偏差。

投影函数为MSLMModified Single-Layer Model Mapping Function[global ionosphere][14]

                  4

式(4)中,为投影函数,为测站天顶距,为地球半径,为假设的电离层薄层厚度。用于表示天顶总电子含量的球谐函数模型为:将下面的公式调整为一行

 

5

式(5)中,为天顶总电子含量,为地磁纬度,为日固经度,为球谐函数阶次,为标准化勒让德多项式,为待求的球谐系数。将(4)和(5)两式带入(3)可得:将下面的公式调整为一行

6

3 实验与结果分析

本文选取包含BDSGPSGLONASS系统在全球基本均匀分布的共492个站点进行建立全球电离层模型的,站点数据取自自SOPACCDDIS和北斗IGMAS中心站点分布如图1所示,图1中站点基本能够实现均匀分布,但在海洋地区以及陆地的部分地区,站点较少。实际操作中,492个站点中每天可下载到数据的站点数在350-380左右。

 

1  站点的地理分布图

本文对20147月的每天的电离层进行了反演,以年积日第200天,即719日为例,输出三个系统融合的穿刺点分布图,如图2所示

 

2三系统电离层穿刺点分布图

从图2可看出,三系统融合的穿刺点已实现对整个大陆区域的基本覆盖,能够为建立电离层模型提供高密度、均匀分布的穿刺点。

3.1 电离层建模

通过对20147月的站点数据进行处理,可计算得到电离层延迟和频间偏差产品。在结果中选取精度处于较好水平的第200天,即719日进行分析。

将三系统反演电离层的结果与CODE分析中心的电离层格网值进行比较后的残差作图如下:

 

图3  2014200UTC6:0010:00三系统融合TECUCODE作差图

由图3可以看出,三系统反演电离层延迟的计算结果与CODE产品差值基本在25TECU以内。大陆地区精度较高,基本在5TECU左右。在海洋部分由于站点较少,反演精度较差,最差为25TECU

除去以上两个时段,再除去边缘精度较差的两个时段,其余9个时段与CODE作差的差值图如下:

 

4  2014200UTC2:00-22:009个时段三系统融合TECUCODE作差图

由图4可以看出,三系统融合反演电离层延迟的计算结果除去首尾的两个较差时段外的11个时段,与CODE产品差值基本在25TECU以内。大陆地区精度较高,基本在5TECU左右。在海洋和南半球部分由于站点较少,观测数据稀缺,其模型拟合精度较差,最大为35TECU,均值在20TECU以内。

3.2 频间偏差计算

本文同时计算了20147月的三系统的频间偏差。从201471日到731日,共31天的三个系统的频间偏差计算结果,并生成了月综合频间偏差文件。

CODE发布的卫星频间偏差最终产品作为参考,估计得到的不同卫星频间偏差估值相对于参考值的差值。

 

5  20147GPS频间偏差C1P1P1P2CODE差值图

 

6  20147GLONASS频间偏差P1P2CODE差值图

GPS频间偏差计算结果除9号卫星外与CODE提供最终产品差别较小,C1P10.4纳秒以内,P1P20.3纳秒以内。

GLONASS频间偏差计算结果较差,与CODE产品差值基本在1.5纳秒内。不同卫星系统频间偏差估值相对于参考值的均值与方差统计如下:

1卫星频间偏差产品与CODE对比结果记录表

GPS  P1P2

GPS  C1P1

GLONASS  P1P2

均值

方差

均值

方差

均值

方差

0.086 

0.01 

0.115 

0.004 

0.355 

0.009 

CODE及其他分析中心仅提供了以上三项频间偏差产品供参考。故进而进行了稳定性分析。

以自然月为单位,统计卫星频间偏差通常在一个月内的标准差,将其作为稳定性指标,具体如下式所示。

                                                          7

其中,表示第颗卫星频间偏差估值的稳定性指标;表示第天计算得到的第颗卫星的频间偏差日估值;表示第颗卫星频间偏差月平均值;表示统计的天数,在此即对于自然月的天数。

稳定性统计结果如下:

 

7  GPS卫星频间偏差的月稳定性测试结果

 

8  GLONASS 卫星频间偏差的月稳定性测试结果图

 

9  BDS卫星频间偏差的月稳定性测试记录

由图7-9可见,GPS稳定性指标均值小于0.2,最为稳定。GLONASS稳定性与GPS相比次之,稳定性指标均值小于0.3。而BDS目前受站点总数限制,观测值较少,因而稳定性较差,稳定性指标均值约为0.5

4 结束语

通过对20147月份 BDS/GPS/GLONASS三系统融合反演全球电离层的解算试验,生成了一个月的电离层延迟格网产品和频间偏差的月综合产品文件。试验产生的电离层延迟格网值与IGSCODE分析中心的电离层最终产品精度接近。同时,也将计算得到的频间偏差结果,进行了外符合和稳定性的检验,得出结论:GPS的精度要优于GLONASS,稳定性也较高。BDS由于站点较少,观测值较少,故稳定性略差。

参考文献

[1]  万卫星宁百齐刘立波丁锋毛田李国主,熊波.中国电离层TEC现报系统[J].地球物理学进展2007, 22(4), 1040-1045 

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[3]  王小亚,朱文耀.GPS监测电离层活动的方法和最新进展[J].天文学进展,2003,21(1)33-40

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[10]  袁运斌利用IGSGPS资料确定全球电离层TECGPS观测结果分析[J]. 自然科学进展, 2003,13(8)

[11]  耿长江,章红平,翟传润应用Kalman滤波实时求解硬件延迟[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2009v30(11) : p.1309-1311+1323

[12] 常青,张东和.GPS 系统硬件延迟估计方法及其在TEC 计算中的应用.地球物理学报,2001,44(5):596-601

[13]  唐卫民. GPS载波相位平滑伪距精度分析与应用探讨[J]. 测绘信息与工程,2005,30(3) : p.3

[14] 王虎,王解先.利用G P S技术实时监测上海区域电离层变化[J].空间科学学报,2011,31(5):602-606

Tags:大地测量学,电离层,融合,球谐函数,频间偏差  
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