李耿浩,趙夢(mèng)琪

(75711部隊(duì),廣東 廣州 510515)

0 引 言

電離層分布于地球表面以上60～1000 km空間,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)延效應(yīng)一般在白天可達(dá)15 m,夜晚可達(dá)3 m;在天頂方向最大可達(dá)50 m,在水平方向最大可達(dá)150 m,是衛(wèi)星導(dǎo)航定位中主要的誤差源之一[1-3]。對(duì)于大眾單頻實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位用戶,必須采用有效的電離層延遲模型才可削弱該誤差源的影響。目前,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過建立電離層修正模型,通過廣播星歷向單頻用戶播發(fā)模型參數(shù),模型參數(shù)精度將直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)定位、測(cè)速和授時(shí)精度[4-6]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BNSY)是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),計(jì)劃2020年左右建成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),屆時(shí)將為全球北斗用戶提供定位、授時(shí)和報(bào)文通信一體化服務(wù)[7-8]。2012年12月27日,基于5GEO+5IGSO+4MEO完整星座的北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)開放運(yùn)行,提供亞太地區(qū)的定位測(cè)速授時(shí)(PVT)服務(wù)[9]，BDS所采用的電離層模型與GPS類似為Klobuchar 8參數(shù)模型,但是,BDS發(fā)播的電離層參數(shù)模型是基于日固地理坐標(biāo)系,且每?jī)尚r(shí)更新1組,GPS系統(tǒng)發(fā)播的Klobuchar電離層模型是基于日固地磁系的,每天更新1組。因此,BDS發(fā)播的電離層模型參數(shù)的改正精度受到了極大的關(guān)注[9-10]。

本文討論了常用的電離層模型參數(shù)改正精度的評(píng)估方法,介紹了BDS電離層模型參數(shù)的計(jì)算電離層延遲改正量的方法和歐洲定軌中心(CODE)提供的全球電離層圖(GIM)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層延遲改正量方法,采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了BDS電離層模型參數(shù)白天和晚上的改正精度。

1 原理及算法

1.1 常用評(píng)估方法

目前常用的電離層模型參數(shù)改正精度評(píng)估方法主要有電離層垂直電子總含量(VTEC)比較法和單頻單點(diǎn)定位法。VTEC比較法是指利用廣播星歷播發(fā)的電離層模型求得任一時(shí)刻任意位置上的VTEC與其他更高精度的電離層模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。單頻單點(diǎn)定位法就是直接用定位結(jié)果檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途?利用單頻單點(diǎn)定位試驗(yàn)可以獲得電離層延遲模型在實(shí)際定位問題中的改正精度,進(jìn)而驗(yàn)證由廣播星歷播發(fā)的電離層延遲模型參數(shù)精度。本文利用VTEC比較法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用CODE模型計(jì)算的電離層時(shí)延對(duì)BDS廣播星歷電離層參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。

1.2 BDS電離層延遲量計(jì)算

根據(jù)BDS ICD,用戶利用BDS Klobuchar模型參數(shù)計(jì)算電離層垂直延遲改正Iz(t)

(1)

式中:Iz為電離層垂直天頂延遲,單位為s,相應(yīng)頻率為B3;t為以秒為單位的接收機(jī)至衛(wèi)星連線與電離層交點(diǎn)(M)處的地方時(shí)(取值范圍為0～86 400).對(duì)于計(jì)算不同頻率的Iz,需要乘以一個(gè)與頻率有關(guān)的因子k(f).電離層參考高度為375 km.

其中,A2為白天余弦曲線的幅度,由αn系數(shù)計(jì)算得到:

(2)

式中,A4為余弦曲線的周期,單位為s,用βn系數(shù)求得

(3)

1.3 CODE電離層延遲量計(jì)算

CODE采用全球150個(gè)GPS站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)后處理得到15階球諧系數(shù),進(jìn)而可得到2h一組的全球電離層地圖(GIM)。CODE提供的電離層產(chǎn)品格式有兩種,1)直接提供15階球諧系數(shù),求解某時(shí)刻某地理位置的電離層延遲改正量直接簡(jiǎn)化為求解某時(shí)刻的展開函數(shù);2)給出地磁坐標(biāo)框架下,緯度范圍-87.5～87.5,間隔2.5°;經(jīng)度范圍-180～180,間隔5°格網(wǎng)點(diǎn)上的垂直電子含量VTEC,某時(shí)刻某地理位置的電離層延遲改正量通過內(nèi)插獲得。

2 算例分析

2.1 數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)方法

采集了2012年9月1日-2012年11月30日共3個(gè)月BDS廣播電離層參數(shù)(Klobuchar8模型參數(shù))數(shù)據(jù),同時(shí)采集了對(duì)應(yīng)時(shí)刻的CODE提供的2 h一組的全球電離層地圖(GIM)數(shù)據(jù)。采用CODE提供的GIM數(shù)據(jù),計(jì)算出西安站與各衛(wèi)星的視線方向的電離層改正量,再與采用大地系Klobuchar 8參數(shù)模型參數(shù)計(jì)算得到的電離層改正量進(jìn)行比較。

統(tǒng)計(jì)方法:以采集的BDS電離層參數(shù)為對(duì)象,計(jì)算站星視線方向的電離層延遲改正值Dion1,采用CODE模型計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)刻穿刺點(diǎn)的電離層延遲改正值Dion2,則改正比例p計(jì)算公式為

(4)

其中:白天為(UTC8∶00-20∶00),夜間為(UTC21∶00-07∶00)

2.2 精度分析

以西安站為例,采用上述方法統(tǒng)計(jì)9月份-11月份電離層改正精度,如表1和圖1所示,與CODE模型進(jìn)行比較統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:

1)Klobuchar 8參數(shù)模型的電離層改正比例,白天為80%左右,10月份改正比率略偏差,平均為67.72%,11月份改正比率較高,達(dá)到90.01%。

2)Klobuchar 8參數(shù)模型的電離層改正比例,夜間為75%左右,11月份改正比率較高,達(dá)到84.16%。

3 結(jié)束語

本文介紹了常用的電離層精度評(píng)估方法和BDS發(fā)播的電離層模型參數(shù)的使用方法,利用CODE提供的2 h一組GIM數(shù)據(jù),評(píng)估了BDS發(fā)播的Klobuchar模型的電離層參數(shù)改正精度,評(píng)估結(jié)果表明:BDS Klobuchar 8參數(shù)模型在西安地區(qū)的電離層改正比例,白天為80%左右,夜間為75%左右。

由于CODE模型建模過程中僅選用了5個(gè)國(guó)內(nèi)站,CODE模型在國(guó)內(nèi)精度不高,如何提高BDS電離層模型評(píng)估基準(zhǔn)精度是下一步需要研究的內(nèi)容。

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