GNSS电离层模型改正精度评估与分析

电离层时延误差是导航定位信号在空间传播路径上的主要误差源之一,因此全面了解GNSS电离层模型的改正精度具有一定现实意义.根据GPS,BDS和Galileo系统所采用的电离层修正模型,利用2014年电离层校正参数,以高精度全球电离层图为基准,评估分析了三大系统电离层时延的改正精度.结果表明:目前GNSS使用的几种电离层修正模型的改正率在65~75%左右;Galileo系统使用的第二版NeQuick模型与第一版NeQuick模型相比在修正精度上并无显著提高;GPS使用的Klobuchar 8参数模型在北半球25°-45°N的中纬度地区精度很高,但是在全球其他区域精度较低,分布性较差,而NeQuick模型全球改正率分布则较为平均且平滑.      

北斗区域Klobuchar改进模型及其修正精度分析

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,由于此模型从亚洲地区应用角度考虑,在某一特定区域的修正精度甚至不足50%。为进一步提高区域电离层延迟修正精度,提出在原模型8个改正参数的基础上增加5个关键参数的Klobuchar改进模型,并采用松弛迭代与直线搜索法中的黄金分割相结合的算法对新增参数进行求解。以天津及其附近区域为例,利用GPStation6接收机采集到的实测数据对改进模型与原模型进行计算。将国际全球导航卫星系统服务组织（International GNSS Service,IGS）发布的全球电离层格网数据作为参考值,对比分析改进模型与原模型的修正精度。结果表明,区域Klobuchar改进模型在天津及其附近区域的电离层延迟平均修正精度比原模型提升了10.46%,平均修正精度达到77.51%。     

45°(N)纬度带的Klobuchar like电离层延迟季节修正模型与评估

电离层延迟是全球卫星导航系统（GNSS）的主要误差源之一。对于装配GNSS单频接收机的航空器,选择简单有效的Klobuchar广播电离层模型来改正电离层延迟误差,其修正率为50%～60%。针对45°（N）纬度带,提出了更高电离层修正需求。考虑到季节因素对中高纬度地区电离层的显著影响,利用GIMs（Global Ionospheric Maps）分析了昼夜中TEC（Total Electron Content）的峰值和谷值随季节（年积日）的变化,建立了一种适用于45°（N）纬度带的Klobuchar like电离层模型。该模型不增加广播模型系数,新模型的夜间和VTEC高峰时电离层修正率分别达到了82%和80%,表明在穿刺点集中的45°(N)纬度地区使用该模型可以更精确地描述该地区的电离层,帮助航空器实现更高精度的定位。     

一种基于系数择优的低阶球谐电离层延迟改正模型

针对单频接收机的电离层延迟改正问题, 提出了一种基于系数择优的低阶球谐电离层延迟改正模型. 按照电离层延迟改正模型参数择优问题的描述, 明确参数优化的目标和约束条件, 根据参数选择可编码的特点, 提出了利用遗传算法进行参数择优的方法及步骤. 以欧洲定轨中心(CODE)提供的电离层数据作为参考标准, 对参数择优模型、 低阶球谐模型和Klobuchar模型模拟的区域电离层VTEC精度进行了比较分析. 结果表明, 较之相同系数个数的低阶球谐模型, 参数择优模型精度平均改进了1～2TECU, 而且比Klobuchar模型及低阶球谐模型能更好地反映电离层的周日变化及纬度变化特征.      

Klobuchar模型的实用分析与改进

电离层延迟误差是无线电信号传播中不可忽视的误差源.GPS特许用户利用双频接收机的双频观测值直接对电离层延迟进行实时测定,其所得结果精度很高.多数普通用户所使用的单频接收机依靠电离层模型对其进行误差修正,效果不很理想.本文通过WUHN观测站双频接收机10天的实测数据对GPS广播星历采用的Klobuchar模型进行了验证,其结果与前人论述相一致.此外,经由反映太阳活动强度的太阳相对黑子数对Klobuchar模型提出了新的改进方法.实验数据结果表明,该方法对此模型修正效果有大幅提升,对原模型修正效果>50%的修正率由60%左右提升至85%以上,>80%的修正率由10%左右提升至40%以上.在实际应用中单频接收机用户可以参考本文改进方法对Klobuchar模型进行修正.      

基于NTCM-BC模型的全球卫星导航系统单频电离层延迟修正

选择NTCM-BC模型作为单频电离层延迟修正模型,通过非线性最小二乘拟合的方法,利用提前一天预测的电离层图（COPG文件）,计算得到NTCM-BC模型修正系数;利用Klobuchar模型和IGS发布的GIM数据对NTCM-BC模型进行比较和分析.对太阳活动高、中、低年实测数据的分析结果表明:全球平均水平上,NTCM-BC模型的电离层延迟修正性能明显优于Klobuchar模型,NTCM-BC模型的TEC平均误差和均方根误差比Klobuchar模型分别下降了41%和30%;模型的TEC计算误差与太阳活动剧烈程度成正相关,即太阳活动高年模型误差较大,太阳活动低年误差相对较低.相较于磁静日,磁扰日期间Klobuchar模型和NCTM模型的误差均有一定程度的增加.此外,模型的电离层修正误差同时存在明显的纬度、季节和地方时差异.      

实时电离层格网数据精度评估

电离层延迟是制约单频接收机定位精度的重要误差源之一.为提高单频接收机的实时电离层改正精度，需要实时电离层数据.以中国科学院空天信息创新研究院提供的实时电离层数据为例，对比分析不同太阳活动期实时电离层数据及预报电离层数据与IGS最终电离层数据之间的差值以及不同太阳活动期、不同纬度测站的电离层数据对电离层延迟进行改正后得到的定位精度.结果表明:在低太阳活动期和高太阳活动期，实时电离层数据无法很好地反映大部分海洋上空的电离层变化特性；对不同太阳活动期，实时电离层数据在高纬度测站的定位精度优于预报数据和广播模型，在中纬度测站的定位精度略低于预报数据而与广播模型定位精度相当，在低纬度测站的定位精度略优于预报数据和广播模型.      

北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡，北斗三号系统（BDS-3）通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息，包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后，等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征，并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差（UDRE）进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据，对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差（UERE）约为1 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.3 m；BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差，显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型，广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比，BDS-2/BDS-3卫星联合条件下，基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%；广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m，双频用户定位精度为1.7 m，单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。      

电离层薄层高度对电离层模型化的影响

利用IRI2012模型分析了电离层薄层高度的时空变化规律,提出了基于应用中STEC的电离层改正误差分析理论,分析了电离层薄层高度变化的相关影响.结果表明,电离层薄层高度变化对电离层穿刺点位置、投影映射函数值、电离层建模结果、电离层模型精化和电离层模型精度评估结果的影响较大.高度截止角为10°时,电离层薄层高度变化导致电离层穿刺点的经纬度差异最大可达3.2°,投影映射函数最高可引入约15.46%的误差,电离层建模结果差异和建模实用误差最高分别达9.71%,3.64%,采用不同薄层高度数据的电离层模型参数拟合和模型精化结果最大可引入约9.26%的误差,采用不同电离层薄层高度数据进行模型精度评定时最大可引入约9.62%的误差.根据这些研究结果可知:在实际应用中应采用电离层薄层高度模型,并选取较大的卫星高度截止角来减小薄层高度变化引入的误差;采用固定高度时,区域电离层建模采用与实际电离层薄层一致的固定高度;进行精度评估时,参考数据的电离层薄层高度与需要精度评估的电离层模型薄层高度相等.      

基于极大验后推估理论的全球电离层地图预报

提出了一种基于极大验后估计理论的全球电离层预报方法，基于中国科学院电离层分析中心（CAS）提供的快速全球电离层地图（GIM），实现了1天、2天和5天GIM的预报。以国际GNSS服务组织（IGS）最终GIM、Jason测高卫星提供的电离层观测信息及全球GNSS基准站实测电离层总电子含量（TEC）为基准，评估了2008－2017年CAS电离层预报GIM在全球大陆及海洋区域的精度，并与欧洲定轨中心（CODE）、欧洲空间局（ESA）和西班牙加泰罗尼亚理工大学（UPC）的预报GIM进行对比。在评估时段内，与IGS-GIM相比，CAS预报GIM精度为2.4~3.1 TECU；与测高卫星TEC相比，CAS预报GIM的精度为5.1~6.6 TECU；与全球基准站实测TEC相比，CAS预报GIM的电离层延迟修正精度优于80%。总体来看，CAS预报GIM与CODE预报GIM精度相当，显著优于ESA和UPC预报GIM。      

Evaluation of COMPASS ionospheric model in GNSS positioning

As important products of GNSS navigation message, ionospheric delay model parameters are broadcasted for single-frequency users to improve their positioning accuracy. GPS provides daily Klobuchar ionospheric model parameters based on geomagnetic reference frame, while the regional satellite navigation system of China’s COMPASS broadcasts an eight-parameter ionospheric model, COMPASS Ionospheric Model(CIM), which was generated by processing data from continuous monitoring stations, with updating the parameters every 2 h. To evaluate its performance, CIM predictions are compared to ionospheric delay measurements, along with GPS positioning accuracy comparisons. Real observed data analysis indicates that CIM provides higher correction precision in middle-latitude regions, but relatively lower correction precision for low-latitude regions where the ionosphere has much higher variability. CIM errors for some users show a common bias for in-coming COMPASS signals from different satellites, and hence ionospheric model errors are somehow translated into the receivers’ clock error estimation. In addition, the CIM from the China regional monitoring network are further evaluated for global ionospheric corrections. Results show that in the Northern Hemisphere areas including Asia, Europe and North America, the three-dimensional positioning accuracy using the CIM for ionospheric delay corrections is improved by 7.8%–35.3% when compared to GPS single-frequency positioning ionospheric delay corrections using the Klobuchar model. However, the positioning accuracy in the Southern Hemisphere is degraded due apparently to the lack of monitoring stations there.     

GNSS single frequency ionospheric range delay corrections: NeQuick data ingestion technique

A study of the performance of the NeQuick model and the Klobuchar model for GNSS single frequency range delay correction on a global scale was done using data for moderate solar activity. In this study NeQuick was used in the way intended for Galileo. This study is to assess the performance of the two models at each ionospheric geographic region during moderate solar activity as previously published studies were concentrated only on high solar activity. The results obtained showed that NeQuick outperformed Klobuchar for the whole year at the three geographical regions of the ionosphere. In terms of monthly root mean square of mismodeling, NeQuick outperformed Klobuchar by 15 TECU or more at low-latitudes, 5 TEC or more at mid-latitudes, and 1 TECU or more at high-latitudes.     

Doppler utilised Kalman estimation (DUKE) of ionospheric delay for satellite navigation

The ionospheric delay experienced by the satellite navigation signals depends upon the Total Electron Content (TEC) and needs to be corrected. While the single frequency receivers always use parametric models to correct this delay, dual frequency receivers, when suffers a loss of lock of one of its signal, also has to resort to these models. Here, an alternative method, based on Doppler, surrogated by range rate variation, has been attempted to estimate the ionospheric delay using a Kalman filter. GPS data have been used for all visible satellites over four days selected around the equinox and solstice with nominal geomagnetic conditions and estimations done in continuous and calibrated modes. Results of continuous estimation, obtained for a mid latitude station, showed moderate accuracy while it was significantly better for the calibrated mode with no seasonal dependence. Estimations done for station within the extent of equatorial anomaly, has not only resulted in relative deterioration in performance, but also shown seasonal dependence. Compared with estimates of Klobuchar model, the Calibrated estimation showed superior performance, conspicuously in the mid latitude station. However, for the continuous mode, performance was at par with the model at higher latitudes but inferior to it in regions within the extent of the equatorial anomaly.     

WAAS系统中电离层折射校正的新方法及计算结果

电离层介质的色散性是影响电磁波信号进行卫星导航定位精度的重要因素之一.配合北斗二代分系绩研制任务,提出了一种新的电离层折射校正算法,并利用2000年7月1日到3日的双频GPS观测数据对6个用户站进行试算,进一步将试算所得均方根误差和电离层网格算法得到的误差进行比较.结果表明,对于中纬区域的用户站,估算的TEC误差约为0.5 m左右;而低纬用户误差相对增大,为1 m左右.文中给出的算法与电离层网格模型所提供的精度相差不多,在未来中国自主的卫星增强系统中采用新方法进行电离层进行修正是可行的及有效的.