伽利略电离层改正模型的精度对比分析

针对半经验电离层模型NeQuick模型中NeQuick2模型研究较少的现状,文章介绍了NeQuick2模型的算法,分析了NeQuick2模型与NeQuick1模型的差别:利用低、中、高纬度测站的全球定位系统观测数据获得的斜路径电子总含量作为参考,对NeQuick2模型和NeQuick1模型进行了精度对比分析。结果表明NeQuick2模型的精度显著优于NeQuick1模型,平均改善约4TECU。     

NeQuick电离层模型的精度分析

电离层延迟是影响卫星导航定位精度的一个重要因素,NeQuick电离层改正模型是半经验模型,已经被伽利略系统作为单频用户的电离层改正模型。本文以双频载波平滑伪距观测值获得的电离层总电子含量(TEC)作为参考值,分别比较了以F10.7的月均值作为输入参数和以广播参数求出的Az作为输入参数的模型精度,并与Klobuchar模型进行了对比分析。结果表明以太阳活动参数F10.7为输入参数的模型精度高于以广播星历Az为输入参数的模型,NeQuick模型的改正精要高于Klobuchar模型的改正精度,在中高纬测站要优于Klobuchar模型5-10 TECU。     

不同NeQuick电离层模型参数的应用精度分析

Galileo采用NeQuick作为全球广播电离层模型,其实际应用中以有效电离水平因子Az代替太阳活动指数作为NeQuick的输入参数,并利用二次多项式拟合得到广播星历中播发的3个电离层参数。本文在总结和讨论NeQuick模型参数估计方法及其变化特征的基础上,分别以全球电离层格网、GPS基准站及JASON-2测高卫星提供的电离层TEC为参考,分析不同NeQuick模型参数(包括以太阳活动参数F10.7为输入的NeQuick2、以本文解算参数为输入的NeQuickC和以Galileo广播电离层参数为输入的NeQuickG)在全球大陆及海洋地区的应用精度,并与GPS广播的Klobuchar模型对比。结果表明,NeQuickG在全球范围内的修正精度为54.2%~65.8%,NeQuickC的修正精度为71.1%~74.2%,NeQuick2的修正精度与NeQuickG相当,略优于GPS广播星历中播发的Klobuchar模型。     

NeQuick电离层模型在中国地区的应用

电离层延迟是影响GPS绝对定位精度的主要因素,对单频接收机尤为明显,Galileo系统广播星历拟采用NeQuick模型作为其电离层模型。本文介绍了NeQuick模型及其模型最优化,给出了利用NeQuick模型计算电离层总电子含量(TEC)的方法,利用国内部分观测台链提供的北京和武汉的TEC,并与NeQuick模型所给出的结果进行对比分析,最后给出NeQuick模型在中国地区使用的初步结论。     

Klobuchar模型和NeQuick模型在中国地区的精度评估

将CODE以及GPS广播星历提供的8个系数分别作为Klobuchar模型的输入参数,利用Klobuchar模型及NeQuick模型计算得到中国地壳运动观测网15个GPS基准站上2000～2008年的电离层VTEC序列,以欧洲定轨中心CODE提供的事后电离层产品作为参考标准,得到了两个模型在中国地区的精度评估结果。     

利用GNSS数据结合NeQuick模型优化磁暴期F2层临界频率参数估计

F2层临界频率foF2是高频通信的重要参数,目前获取F2层临界频率(foF2)最有效的手段是电离层测高仪,但磁暴期间电离层自身剧烈变化会造成测高仪foF2数据严重缺失。经验模型如NeQuick虽能给出foF2估计值,但磁暴期精度却不及磁静日水平。本文选取2015年12月19日至2015年12月22日磁暴期中国地壳运动监测网GNSS双频数据进行区域建模并估算出电子总含量(total electron content,TEC),利用实测区域TEC对NeQuick模型有效电离参数Az进行估计,得出NeQuick模型优化后TEC总含量和F2层临界频率foF2,并反演出磁暴期初相,主相及恢复相阶段变化过程。以中国地区台站实测数据作为参考对比,结果表明:GNSS数据优化后的NeQuick模型TEC精度大概提升了20%~40%,foF2的实时精度提升了10%~25%。GNSS优化后NeQuick模型能准确反演出电离层的由正相暴转为负相暴演化过程,而原始模型由于仅依赖于输入的太阳活动水平,只能反映出与磁静日水平相当的日变化趋势值。利用该方法可以有效提高磁暴期TEC和foF2的经验模型的计算精度,特别是弥补磁暴期foF2数据缺失的不足,可以作为磁暴期电离层垂直探测仪的有益补充或者有效参考。     

利用数据同化技术实现区域电离层TEC重构

电离层参量的提取是开展电离层研究的基础,而数据同化技术则是获取电离层参量的一种重要手段。以NeQuick模型的输出作为背景场,Kalman滤波作为同化算法,利用数据同化技术实现区域电离层TEC重构,结果表明,数据同化方法重构的倾斜总电子含量（TEC）和垂直TEC与实测值较为一致。相比NeQuick模型及全球电离层地图（GIM）数据,数据同化方法重构得到的TEC的平均误差和标准差均有明显的降低,实测数据验证了数据同化技术在区域TEC重构中的精度和可靠性。     

适用于不同尺度区域的Klobuchar-like电离层模型

导航定位中运用最广泛的电离层修正模型是Klobuchar模型,但经典的Klobuchar模型不能满足日益增长的导航定位精度的需求,因此不同的精化模型被提出。本文利用GIMs分析了夜间电离层随地方时的变化和电离层电子总含量随纬度的变化情况,在对各种适用范围较广的模型精化方案进行归纳总结的基础上,提出了一种适用于不同尺度区域的Klobuchar-like模型,并利用不同太阳活动时期不同季节的GIMs建立了适用于单站、大区域和全球的Klobuchar-like模型、14参数Klobuchar模型和8参数Klobuchar模型。Klobuchar-like模型单站、区域、全球的修正率分别达到了92.96%、91.55%、72.67%,均高于14参数、8参数Klobuchar模型和GPS Klobuchar模型,表明了该模型的有效性与实用性。     

一种基于泰勒级数展开的电离层延迟改正模型

针对电离层延迟误差对定位精度的影响,本文将泰勒级数展开应用于电离层延迟的求解过程中,提出了一种基于泰勒级数展开的电离层改正模型（TSE模型）。将该模型与传统的Klobuchar模型和NeQuick模型在VTEC的求解精度和定位精度上进行了对比分析,用IGS网站提供的测量数据,通过仿真试验验证,得出了TSE模型在提高定位精度上具有较好的可行性与时间适应性的结论。     

GNSS／LEO无线电掩星电离层探测仿真研究

无线电掩星是实现全球电离层探测的重要手段之一。针对GNSS／LEO掩星探测电离层的特点,基于电离层掩星的判决条件,通过NeQuick模型实现了电波弯曲角和绝对总电子含量的数据仿真,利用阿贝尔变换法（Abel Transform）和穿刺法实现了电离层电子密度剖面的有效反演,统计分析结果验证了NeQuick模型用于GNSS／LEO无线电掩星电离层探测仿真的可行性。     

An examination of the Galileo NeQuick model: comparison with GPS and JASON TEC

GPS Solutions - We evaluate the performance of Galileo broadcast NeQuick model by comparing it with GPS broadcast Klobuchar and the original NeQuick2 models. The broadcast coefficients of Galileo...     

A preliminary evaluation of the performance of multiple ionospheric models in low- and mid-latitude regions of China in 2010–2011

Ionospheric delay is a dominant error source in Global Navigation Satellite System (GNSS). Single-frequency GNSS applications require ionospheric correction of signal delay caused by the charged particles in the earth’s ionosphere. The Chinese Beidou system is developing its own ionospheric model for single-frequency users. The number of single-frequency GNSS users and applications is expected to grow fast in the next years in China. Thus, developing an appropriate ionospheric model is crucially important for the Chinese Beidou system and worldwide single-frequency Beidou users. We study the performance of five globally accessible ionospheric models Global Ionospheric Map (GIM), International Reference Ionosphere (IRI), Parameterized Ionospheric Model (PIM), Klobuchar and NeQuick in low- and mid-latitude regions of China under mid-solar activity condition. Generally, all ionospheric models can reproduce the trend of diurnal ionosphere variations. It is found that all the models have better performances in mid-latitude than in low-latitude regions. When all the models are compared to the observed total electron content (TEC) data derived from GIM model, the IRI model (2012 version) has the best agreement with GIM model and the NeQuick has the poorest agreement. The RMS errors of the IRI model using the GIM TEC as reference truth are about 3.0–10.0 TECU in low-latitude regions and 3.0–8.0 TECU in mid-latitude regions, as observed during a period of 1 year with medium level of solar activity. When all the ionospheric models are ingested into single-frequency precise point positioning (PPP) to correct the ionospheric delays in GPS observations, the PIM model performs the best in both low and mid-latitudes in China. In mid-latitude, the daily single-frequency PPP accuracy using PIM model is ~10 cm in horizontal and ~20 cm in up direction. At low-latitude regions, the PPP error using PIM model is 10–20 cm in north, 30–40 cm in east and ~60 cm in up component. The single-frequency PPP solutions indicate that NeQuick model has the lowest accuracy among all the models in both low- and mid-latitude regions of China. This study suggests that the PIM model may be considered for single-frequency GNSS users in China to achieve a good positioning accuracy in both low- and mid-latitude regions.     

Klobuchar电离层模型精化进展

电离层延迟是卫星导航定位的重要误差源之一。采用合适的电离层延迟模型可以有效地减弱电离层延迟误差对定位结果的影响。目前在导航定位中运用最广泛的是Klobuchar模型,但Klobuchar模型的修正率只有50%~60%。为了满足日益增长的导航定位精度的需求,不同的精化模型被提出。本文介绍了Klobuchar模型在GPS和BDS系统中的应用,比较了在两个系统应用时的差异。回顾概括了文献在Klobuchar模型的参数精化和模型精化两个方面的研究,并对各种精化模型进行了对比总结。模型精化的结果优于参数精化,未来对于Klobuchar模型的精化更趋向于模型精化。     

北斗不同电离层模型精度分析

目前北斗系统播发多种电离层模型参数，用户使用时容易产生以下问题：①同一历元不同卫星播发同一电离层模型，其值不完全相同；②北斗二号、北斗三号分别播发的Klobuchar电离层模型参数值存在差异；③对于能同时接收到3种电离层模型（BDS-2 Klobuchar、BDS-3 Klobuchar及北斗全球电离层延迟修正模型（BDGIM））的基本导航用户如何选取合适的电离层模型。针对以上问题，本文首先提出采用最大投票法策略，对同一历元相同电离层模型但值不同的参数进行合理合并，然后以IGS分析中心的电离层产品为基准，对以上3种北斗电离层模型进行了精度分析和对比，最后基于等效距离误差进行了验证分析。试验结果表明，BDS-2 Klobuchar、BDS-3 Klobuchar虽然模型值差异较大但模型精度十分接近，而BDGIM模型精度最高，相对于前两者在中低纬地区平均提升10%，在两极地区的提升更加明显，平均提升61%。     

Application of SWACI products as ionospheric correction for single-point positioning: a comparative study

In Global Navigation Satellite Systems (GNSS) using L-band frequencies, the ionosphere causes signal delays that correspond with link related range errors of up to 100 m. In a first order approximation the range error is proportional to the total electron content (TEC) of the ionosphere. Whereas this first order range error can be corrected in dual-frequency measurements by a linear combination of carrier phase- or code-ranges of both frequencies, single-frequency users need additional information to mitigate the ionospheric error. This information can be provided by TEC maps deduced from corresponding GNSS measurements or by ionospheric models. In this paper we discuss and compare different ionospheric correction methods for single-frequency users. The focus is on the comparison of the positioning quality using dual-frequency measurements, the Klobuchar model, the NeQuick model, the IGS TEC maps, the Neustrelitz TEC Model (NTCM-GL) and the reconstructed NTCM-GL TEC maps both provided via the ionosphere data service SWACI (http://swaciweb.dlr.de) in near real-time. For that purpose, data from different locations covering several days in 2011 and 2012 are investigated, including periods of quiet and disturbed ionospheric conditions. In applying the NTCM-GL based corrections instead of the Klobuchar model, positioning accuracy improvements up to several meters have been found for the European region in dependence on the ionospheric conditions. Further in mid- and low-latitudes the NTCM-GL model provides results comparable to NeQuick during the considered time periods. Moreover, in regions with a dense GNSS ground station network the reconstructed NTCM-GL TEC maps are partly at the same level as the final IGS TEC maps.     

北斗全球系统广播电离层模型性能初步评估

北斗三号系统于2017年正式启动建设，将采用新的北斗全球电离层延迟修正模型（BeiDou global ionospheric delay correction model，BDGIM）。使用高精度格网电离层数据和双频实测电离层延迟数据作为参考，对北斗试验卫星系统播发的BDGIM模型精度进行了相应分析和评估，并与北斗Klobuchar和GPS Klobuchar模型精度进行了比较。研究结果表明，在中国区域，BDGIM模型和北斗Klobuchar模型精度相当，优于GPS Klobuchar模型；在全球范围内，BDGIM模型精度优于北斗Klobuchar和GPS Klobuchar模型。采用不同电离层模型进行伪距单频单点定位，并对定位结果进行对比分析，结果显示，使用BDGIM模型比北斗Klobuchar模型的定位精度有13%的提高，比GPS Klobuchar模型有7%~10%的提高。