基于BDSGPS双系统的全球电离层建模

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1、 薛军琛等 中国科学：物理学 力学 天文学 2 0 1 5年第 4 5卷第 7期 授时精度的主要因素之一 自 1 9 9 8年 6月，I G S电离层工作 组开始对外 以 I O N E X 11 格式发布稳定、可靠的电离层产品， D C B ( 包 括接收机 D C B和卫星 DC B ) 作为副产品也被附加其 中 I GS各 电离层分析 中 L , ( I A AC s ) t 用 G P S系统观 测 资 料 ，采用 不 同的 方法 独 立生 成 电离层 产 品 ， C O DE还利用 G L O N AS S资料 I A A C s 生成 的电离 层 产品( 包括最终、快速、预报产品)

2、 在全球的适用精度 分别为： 2 - 8 t e c u( 1 te c u = 1 0 个电子) ， 2 - 9 t e c u ， 2 一 l 1 t e c u B DS 导航系统 是中国 自主研 发 的新 一代卫星 导 航系统，整个系统将于 2 0 2 0年全部组网完成 系统 由 5颗 G E O ，3颗 I G S O和 2 7颗 ME O卫星组 成，此 设计将使系统有能力更好地服务于区域和全球定位、 导航和授时由于 目前 B D S系统卫星和地面跟踪站 数量均 相对较少 ， 这使可利 用 的 B DS 电离层观测 资 料相对 GP S甚少，利用 B D S单系统尚难于建立理想 的全

3、球电离层模型 借助已经比较完善的 G P S系统， 建立基 于 B D S GP S双 系统 的全球 电离层模型，是克 服 B DS 单系统建模弊端，提高全球 电离层模型和 D C B 监 测精 度 的一 种有 效途径 本文利 用 B D S 和 G P S双系统观测资料建立全球 电离层模型G I M S H A， 并对 生成的 电离层 产品( V T E C和 卫星 DC B ) 用双频 实测结果、I GS最终电离层产品、海洋测高资料进行 了精 度 评估 ，并分 析 了电离 层 建模 中 GP S 数 据对 B D S系统 DC B监测 的辅助 作用 2 数据及处理策略 2 1 观测资料 本

4、 文选取太 阳活动 高峰年 2 0 1 3 年 2月1 1 目 一2 0 1 4年 1 月 1 3日共计 3 3 6天 I G S的 G P S和 MG E X ( T h e Mu l t i GNS S E x p e r i me n t ) 的 BDS GP S双 频( L1 L2 波段) 实测数据图 1 为本文使用的具有 G P S和 B D S 观测数据的 GN S S站点分布( S HA G P S为本文使用的 具有 G P S观测 资料 的站 点， S H A C MP为使用 的具有 B DS观测 资料 站点， VA L I DS为 3 4个未参加 B D S G P S建模，

5、用于评估的 I G S站) 本文使用 I GS精密 星历计 算 G P S卫星位置 ( I G b 0 8地 固坐标 系) ，具体采 用切 比雪夫多项式计算相应时刻的卫星位置；使用 b r d m 广 播 星 历 计 算 相 应 时 刻 的 BDS 卫 星 位 置 ( C G C S 2 0 0 0 地 固坐标系) ，具体采用 B D S I C D 文件给 图 1 ( 网络版彩 图) 双系统 GI M 在 2 0 1 3 年 1 9 4天 所用 GNS S站点分布图 F i g u r e 1( Co l o r o n l i n e )G NS S s t a t i o n s u s

6、 e d b y GI M S H A a n d v a l i d a t i o n s t a t i o n s no t u s e d b y GI M S HA o n DOY 1 9 4 ， 2 01 3 出 的轨 道 根数算 法计 算时 段 内相应 时刻 卫星 位置 和 速度 2 2 评估基准 对本文建立的 G I M S H A 的精度评估，采用 I G S 最终 电离层产 品、未参与 G I M， S H A建模 的 G N S S测 站 实测 V T E C 和 海 洋测 高卫星 得到 的 V T E C 作 为 V T E C评 估基准 G P S测 站实测 VT

7、E C是利用双 频实 测 G P S 数据 组合， 采 用相位平滑伪 距方法，得到精 度 较高的斜路径 S T E C ，利用I G S最终DC B产品扣除其 中 的卫 星和 接 收机 DC B ，通 过 映射 函数，最 终形 成 精度较高的实测V T E C数据作为评估基准 海洋测高 卫星双 频观测得 到的星下 V T E C 是通过两个 测高仪 测得 的距 离来 获取 电离层 改正 【6 】，测得 的 V T E C精度 约为 2 3 t e c u 【1 ，主要 覆盖 占全球表 面积 7 0 的海洋 地 区，这正 是 GN S S 技术缺少 观测资料覆 盖 的区域 目前 I G S分析

8、中心也 一直利用海洋测 高卫星 的 V T E C 数据作为 I GS产品评估基准【 8】 本文 B DS 单系统和B D S G P S 双系统建模均采用 电离层 模型系数和 系统 DC B 一起解算 的数据处理 策 略，模型系数每天 1 3 组， D C B每天设一组参数由于 I GS提供的 G P S卫星 P I P 2频点 DC B具有很高的精 度 8】 本 文使用 I GS最终 电离层产 品提供 的 DC B 结 果为基准， 评估计算的GP S 卫星 P 1 P 2频点 D C B ；对 B DS 卫星 B 1 B 2 频 点DC B ，本文则利用长 时间的序 列 0 7 9 5 0

9、 5 2 薛军琛等 中国科学：物理学 力学 天文学 2 0 1 5年第 4 5卷第 7期 分析 了其 稳定性 3 基于 B D S G P S双系统的全球电离层模型 精度分析 3 1 VT E C评估 对于利用 G P S B DS双系统观测数据生成的电离 层 产 品，本 文利 用 I G S 最 终 电离 层 产 品进 行 全 球 V T E C 精度统计，使用未参与 G I M 建模测站实测 V T E C 数 据 评估 了测站 上 空 穿刺 点精 度 ，并利 用 海 洋测 高等 效 V T E C评估 了 J a s o n 2星下点处 VT E C 的 精度 3 1 1 利用 I GS

10、最终产 品进行 GI M S HA全球格网 V T EC精度评估 为了检验 G I M S HA全球格网 V T E C的精度，本 文使用 3 3 6天 I Gs发布的最终电离层 I O N E X产品作 为 比对 基 准 ，进 行 了精 度 统 计 分 析 图 2 给 出 了 G I M S H A 与 I GS电离层产 品 比对 的 B I AS ，R MS和 S T D 3 3 6天的时间序列可见，I GS最终电离层产品 与 GI M S H A最终 电离层产品之间整个时段所有 3 3 6 天 的 R MS最大不 超过 6 t e c u ，平均值 为 3 3 4 t e c u ；均

11、方差 S T D最大不超过 5 9 8 t e c u ，平均为 3 2 0 t e c u 3 3 6 天 的比较 结果表 明， G I M S H A 的统计 B I A S整 个时段 最 大 不 超 过 2 8 te c u ，平 均 值 为 0 7 4 t e c u ，都属 于 G NS S电离层产品允许的范围( 实际上， C O DE与 I GS 之间也存在一定的系统性偏差 ) ，即 G I M S H A 电离 层产品的精度水平与I GS 各分析中心( 如C O D E ) H 当， 说 明 GI M S H A最 终 电离层产 品精度是 可靠的 图 2 ( b ) 和( c )

12、 均出现了季节效应，这是因为在冬 夏两季 电离层变 化 比较 平稳，测 定的精度 比较 高，而 春 秋两季 电离层变 化 比较剧 烈， 测 定的精度较 低 3 1 2 利用未参与 GI M 建模站实测 V T EC数据进 行 GI M S HA的外符合精度评估 为了进一步检验本文 电离层产品的精度，本文 利用时段内未参与建模的测站上空实测 VT E C数据， 对 该 电离层 产 品进 行 了外 符合 精 度评 估 ，评 估结 果 如 图 3所示同时，分析了电离层模型在不同季节的 精度( 表 1 ) 图3 ( a ) 一 ( c ) 都出现了季节效应，其原因同3 1 1 小 节电离层 的季节性变

13、 换效应 在表 1中表 现 明显 结果表明，利用未参与建模站实测 V T E C 数据 评估 G I M S H A，其 B I A S 最 大不超过 3 t e c u ， 平 均 B I AS为一 0 4 6 t e c u ； R MS最大不超 过 6 5 t e c u ，平均 为 3 7 8 t e c u 此结果与各I A AC s 生成的最终 电离层产品 G I M 的精度统计结果基本相当，并且统计精度随时 间 呈明显 的季节 性变 化 表1中按 季节 统计 的 G I M S H A 精 度 说 明，相 对 于 实 测V T E C 数 据 G I M S H A精度夏季最高，

14、冬季次之，春秋季较差，这 与全球 电离层变化的季节性有关 3 1 3 利用海洋测高等效 VT E C 数据进行 GI M! S H A外符合精度评估 本文选取了数据处理时段内 J a s o n 2海洋测高数 据生成的星 下点 VT E C ，与 G I M S H A 生成的相应 V T E C进行了比较，发现两者间呈现约 2 5 t e c u的系 统偏差( 图 4 ) 由图 4可以看到，系统偏差 B I AS在夏 季 变化 比较平 稳 ，也反 映 了电离 层变 化在 夏 季 比较 平稳 产生此偏差的原因主要是测高卫星 J a s o n 一 2轨道 高度约为 1 3 5 0 k m， 其

15、所测得的VT E C是 1 3 5 0 k m 高 度以下的V T E C值，而全球卫星导航系统的卫星高度 在 2 0 0 0 0 k m 以上，测得的是整个 电离层剖面 V T E C 因 而 ，用 海 洋 测 高 数 据 生 成 的 V T E C 产 品评 估 G I M S HA 的相应产品时， 会存在一个系统性的问题， 这就需要对 J a s o n 一 2测得的 V T E C做一定的预处理 本文在用测高卫星的 V T E C评估 G I M S HA时，参考 S c h a r r o o和 S mi t h 9 】 的预处理方法，使用一个相对比 例因子0 9 1 1 ，将双频测高数据计算的T E C从 J a s o n 一 2 轨道外推到 G N S S轨道高度处，以得到等效 电离层剖 面 VT E C 表 2给 出了采 用 比例 因子前后用测 高卫星 V T E C评估 G I M S HA 按季节 的统计结 果( O R G 为调 整 前， C R T为 调整 后) 表 2表明，利用海洋测高的 V T E C评估 G I M 的 产 品时，采用一个适 当的相对比例因子的调整是必 要的 调整后两者问无明显的系统偏差， R MS也相应 减 小 R MS 均值 为 5 9 1 t e c u ，最大