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.      

Klobuchar电离层模型误差分析及预测

电离层延迟误差是全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）中的重要误差源之一。目前在电离层延迟改正模型中，应用最广泛的是Klobuchar参数模型，但是该模型的改正率仅能达到60%左右，无法满足日益增长的精度需求。将国际GNSS监测评估系统（international GNSS monitoring & assessment system，iGMAS）发布的高精度电离层格网数据作为对照，对Klobuchar电离层模型误差进行计算和分析，结果发现在中纬度区域误差存在明显的周期性特征。为进一步提高Klobuchar电离层模型在中纬度区域的改正精度，建立了基于粒子群优化反向传播（back propagation，BP）神经网络的Klobuchar电离层误差预测模型,并以2019年10月的采样数据为例进行误差预测。结果表明，用该模型对中纬度区域电离层延迟提供误差补偿，可将精度提高到90%左右。     

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。     

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%。      

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%。     

风云三号C星GNOS北斗掩星电离层探测初步结果

利用风云三号卫星C星GNOS掩星探测仪电离层数据,分析了2013年10月FY-3C GNOS探测的北斗掩星电离层廓线分布,将2013年10月1日至2015年10月10日期间FY-3C GNOS观测的F₂层峰值电子密度（N_mF₂）与地面电离层测高仪观测结果进行对比,验证了FY-3C GNOS北斗电离层掩星的探测精度.结果表明,FY3-C GNOS北斗电离层掩星与电离层测高仪探测的N_mF₂数据相关系数为0.96,平均偏差为10.21%,标准差为19.61%.在不同情况下其数据精度有如下特征:白天精度高于夜晚;夏季精度高于分季,分季精度高于冬季;中纬地区精度高于低纬地区,低纬地区精度高于高纬地区; BDS倾斜同步轨道（IGSO）卫星精度高于同步轨道（GEO）卫星和中轨道（MEO）卫星.FY-3C GNOS北斗电离层掩星与国际上其他掩星电离层数据精度的一致性对GNSS掩星探测资料的综合利用具有重大意义.      

国际参考电离层模型输出参数峰值高度性能

电离层峰值高度H_mF₂是描述电离层形态的重要参数之一，国际参考电离层模型IRI-2016中融入了大量电离层测高仪和无线电掩星探测数据，用以提升H_mF₂的预测精度.本文利用太阳活动低年（2007—2010年）气象、电离层和气候卫星联合观测系统COSMIC探测数据描述全球范围内COSMIC H_mF₂的三维形态变化，对比分析了IRI-2016与IRI-2012模型的预测结果，同时分析了IRI-2016模型输出H_mF₂的性能.结果表明，IRI模型在中高纬度地区的输出结果高于COSMIC反演结果，而赤道及低纬地区则大都偏低.与IRI-2012模型相比，IRI-2016模型的输出结果在夜间至凌晨时段呈现较为明显的纬向梯度变化且大部分区域输出值偏高，但在白天时段赤道附近区域的输出值大都偏低.上述结果为电离层IRI模型的完善提供了一定参考.      

一种电离层TEC格点预测模型

基于分析时间序列数据的门限控制单元（GRU）神经网络模型，利用电离层TEC网格点历史数据、太阳活动指数、地磁活动指数作为预测因子，提出一种高精度电离层TEC格点预测模型.对全球60个网格点的数据进行了模型预测和对比实验，得到北半球平均相对精度的均值为83.96%，高于南半球的73.60%，表明预测模型在北半球的适应性更好，且中低纬地区的适应性优于高纬地区；预测模型在磁扰动期的平均相对精度的均值比磁平静期平均相对精度的均值高，约1.95%；与基于递归神经网络（RNN）、长短时记忆网络（LSTM）和双向长短时记忆网络（Bi-LSTM）的电离层TEC单站预测模型相比，本文预测模型的均方根误差（RMSE）平均为原来的80.8%.      

北斗系统UERE及定位精度评估

用户测距误差（URE）与用户设备误差（UEE）是影响定位精度的主要因素.民航是北斗系统的高端用户,监测其对民航机场的覆盖性和服务性能十分必要.本文根据华东、华南、华北、西北地区4个民航机场观测站的北斗实测数据,分析了各机场卫星的可见性.根据URE的解算方法、电离层修正模型、对流层修正模型以及定位精度的评估方法,给出了对应的性能评估结果.研究发现:可见星数均在6～14颗,满足定位要求; 95%置信度下,电离层延迟优于7.50m,对流层延迟优于13.28m,地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、中圆轨道卫星（MEO）卫星的URE值分别优于2.36m,1.72m,2.59m,满足北斗规范的要求;95%置信度下,定位精度水平方向优于3.63m,垂直方向优于6.98m.结果表明北斗系统在民航机场监测站的覆盖性及服务性能良好.      

An improved approach to model regional ionosphere and accelerate convergence for precise point positioning

Given the severe effects of the ionosphere on global navigation satellite system (GNSS) signals, single-frequency (SF) precise point positioning (PPP) users can only achieve decimeter-level positioning results. Ionosphere-free combinations can eliminate the majority of ionospheric delay, but increase observation noise and slow down dual-frequency (DF) PPP convergence. In this paper, we develop a regional ionosphere modeling and rapid convergence approach to improve SF PPP (SFPPP) accuracy and accelerate DF PPP (DFPPP) convergence speed. Instead of area model, ionospheric delay is modeled for each satellite to be used as a priori correction. With the ionospheric, wide-lane uncalibrated phase delay (UPD) and residuals satellite DCBs product, the wide-lane observations for DF users change to be high-precision pseudorange observations. The validation of a continuously operating reference station (CORS) network was analyzed. The experimental results confirm that the approach considerably improves the accuracy of SFPPP. For DF users, convergence time is substantially reduced.     

南极GPS定位中的电离层延迟分析

基于南极地区国际GNSS服务组织(IGS,International GNSS Service)跟踪站的全球定位系统(GPS,Global Position System)双频实测数据,分析了南极地区电离层延迟的变化情况及其二阶项延迟对南极GPS定位结果的影响.结果表明:南极地区的总电子含量(TEC,Total Electron Content)日间波动频繁,其日间TEC最大值变化较中纬度地区剧烈;在南极地区夏季,电离层二阶项延迟对GPS定位结果的影响可达cm级.同时,由于欧洲定轨中心(CODE,The European Center for Orbit Determination)提供的全球电离层模型(GIM,Global Ionosphere Maps)在南极区域应用的局限性,通过选取南极地区6个IGS跟踪站作为基准站建立了区域电离层TEC模型(RIM,Regional Ionosphere Model).经实测数据计算证明,对于南极地区,RIM的定位精度在一定程度上优于全球电离层模型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.     

SHAKING: Adjusted spherical harmonics adding KrigING method for near real-time ionospheric modeling with multi-GNSS observations

Precise positioning based on Global Navigation Satellite System (GNSS) technique requires high accuracy ionospheric total electron content (TEC) correction models to account for the ionospheric path delay errors. We present an adjusted Spherical Harmonics Adding KrigING method (SHAKING) approach for regional ionospheric vertical TEC (VTEC) modeling in real time. In the proposed SHAKING method, the VTEC information over the sparse observation data area is extrapolated by the Adjusted Spherical Harmonic (ASH) function, and the boundary distortion in regional VTEC modeling is corrected by the stochastic VTEC estimated using Kriging interpolation. Using real-time GPS, GLONASS and BDS-2/3 data streams of the Crust Movement Observation Network of China (CMONOC), the SHAKING-based regional ionospheric VTEC maps are re-constructed over China and its boundary regions. Compared to GNSS VTECs derived from the independent stations, the quality of SHAKING solution improves by 13–31% and 6–33% with respect to the ASH-only solution during high and low geomagnetic periods, respectively. Compared to the inverse distance weighting (IDW) generated result, significant quality improved of SHAKING-based VTEC maps is also observed, especially over the edge areas with an improvement of 60–80%. Overall, the proposed SHAKING method exhibits notable advantage over the existing regional VTEC modeling techniques, which can be used for regional TEC modeling and associated high-precision positioning applications.     

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.      

基于空间统计方法的电离层折射修正技术

针对中国上空电离层所具有的特殊性和GPS观测站在中国西部分布相对稀疏的特点, 尝试探索中国卫星增强系统电离层时延信息修正技术, 为卫星导航定位以及遥感、遥测等空间应用工程的电波修正提供数据. 利用中国地壳形变监测网提供的双频GPS数据, 以空间统计方法为主要工具, 给出了普通Kriging电离层估计算法, 构建了平静期和磁暴期电离层理论变异模型, 详细分析了电离层折射修正的精度. 结果表明, 将空间统计方法应用于卫星增强系统中的电离层时延改正问题, 有利于提高增强系统的电离层折射修正精度, 特别是在观测样点相对较少的情况下, 有利于系统完整性的实现.