利用中国区域电离层数据拟合 Klobuchar参数

对于单频G PS用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。G PS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从根据经验模型和历史数据得到的370组常数选取。在缺少全球观测数据的情况下,仅利用中国区域观测数据拟合电离层模型参数,存在区域外精度下降,参数超限等问题。针对这些问题,提出了利用经验模型外推进行参数拟合的方法。相比广播Klobuchar参数,在太阳活动高峰年RMS误差减小接近7 TECU ,正常年减小1.5 T EC U ,平静年精度也略有提升。2001年至2012年的拟合参数不存在参数超限现象,且量化后或者使用预报的电离层数据进行拟合,精度下降很小,可以用于预报全球电离层模型参数。     

北斗系统电离层模型参数改正精度分析

本文讨论了电离层垂直电子总含量比较法和单频单点定位法两种电离层模型参数改正精度评估方法,介绍了北斗系统发播的电离层模型参数的使用方法,基于欧州定轨中心提供的全球电离层数据评估北斗系统发播的电离层模型参数精度,分析结果表明：北斗系统发播的Klobuchar电离层模型参数在西安地区的改正比例,白天为80％左右,夜间为75％左右。     

北斗电离层模型改正精度分析

电离层误差是影响单频用户机定位精度的主要误差源。卫星导航系统播发电离层模型改正参数供用户使用,模型改正精度会对定位结果产生直接影响。北斗卫星导航系统根据连续监测站实测数据,计算并发播地理坐标系下8参数Klobuchar电离层模型参数,且每2 h更新一次。为了科学评估北斗电离层模型改正效果,文中基于北斗最新观测数据,首先,以CODE提供的GIM模型作为比对基准,详细分析了不同纬度地区、不同时间段内的电离层模型改正精度;其次,分别按照以下定位模式进行计算:1)北斗单频不加电离层改正,2)北斗单频+北斗K8模型,3)北斗单频+GPS K8模型,并分析了电离层改正残差对定位结果影响大小。结果表明,北斗电离层模型改正精度在北半球优于南半球,中纬度地区改正效果最好,其改正残差RMS均值在0.6 m左右,往低纬和高纬度地区呈递减趋势;北京地区北斗单频+北斗K8模型定位精度优于GPS K8模型。     

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。     

Klobuchar电离层延迟改正模型精化方法的研究

在GPS导航定位中,单频接收机利用导航电文发播的Klobuchar电离层改正模型对电离层误差进行改正,但改正效果不太理想,为了提高其改正精度,并利用它进行电离层实时预报,我们通过电离层电子含量实测数据,对其进行精化,以满足要求。本文在原有Klobuchar电离层改正模型精化的基础之上,提出了一种新的精化方法,并对两种方法进行了比较研究,结果表明这两种精化方法对电离层的改正均有很好地提高,且本文提出的方法更优良。     

单频GPS接收机定位中的电离层延迟改正

针对单频GPS接收机受电离层影响较大的特点，从定性的角度比较、分析了两种常用经验电离层模型的使用特点和改正精度。利用4个IGS测站的多天GPS实测数据，采用单点定位的方法，从定量的角度，研究了两种常用经验电离层模型应用于单频GPS用户定位时的改正效果，为单频GPS用户修正电离层延迟，选择合适的电离层模型提供了参考性建议。     

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务。本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面,对北斗三号系统组网前后(2020年5月1日至2020年7月20日)BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究,并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。研究表明,BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。上述时段内,以国际GNSS服务(IGS)发布的最终GIM产品为参考,BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%;以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考,BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%;当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时,在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。     

GPS电离层延迟Klobuchar模型与双频数据解算值的比较与分析

电离层延迟是影响GPS绝对定位的最主要因素,但由于电离层本身的不稳定性,加上目前对其物理特性的了解还有一定的模糊性,还只能采用精度有限的经验模型对其进行描述.对于GPS实时绝对定位,GPS系统的广播星历提供了Klobuchr模型的8个系数,可以用于单频接收机的电离层延迟改正;对于双频接收机,可以利用L1,L2,C1,P2进行计算得到电离层延迟值,但应考虑到卫星发射信号时产生的两频率间的硬件延迟TGD的影响.本文采用双频伪距求得电离层延迟值,用广播星历中各颗卫星的TGD参数进行改正,再根据L1和L2双频相位值求得的历元间的电离层延迟的变化采用Hatch类滤波递推模型对其进行平滑,从而求得较准确的对应于各个历元的电离层延迟值,将其作为真值与Klobuchar模型计算值进行比较,从而研究Klobuchar模型的精度和特点,并与IGS的后处理Klobuchar模型系数求得的电离层结果进行对比分析.对双频数据计算电离层延迟的算法进行详细研究,给出Klobuchar模型的具体计算过程,用位于武汉、北京和上海的IGS跟踪站的观测数据进行实际验证和算例分析,最后给出结论.     

北斗卫星导航系统Klobuchar模型精度评估

目前,我国北斗卫星导航系统已完成星座区域组网,系统每2h提供一组电离层延迟Klobuchar模型参数。利用欧洲定轨中心(CODE)的高精度电离层格网数据作为参考,对北斗卫星导航系统电离层参数性能进行了精度评估分析,并进行了定位分析。数据表明,其修正精度一般在70%以上,北半球的修正误差在1.5m左右,而南半球的修正误差在3.5m左右;在北半球中纬度地区的修正精度比高纬度、低纬度地区高;北斗单频伪距定位采用北斗Klobuchar模型在平面上的精度为3m左右,高程上为7m左右,与采用GPS的Klobuchar模型相比较,定位精度提高了约10%,高程方向尤为明显。     

几种电离层模型对单频单点定位的影响分析

针对实时GNSS单频定位中电离层延迟改正问题,本文采用可用于实时GNSS单频定位的几种电离层模型对电离层延迟进行改正并分析其对GNSS单频单点定位性能的影响。其中,对单频SPP的电离层延迟采用模型直接进行改正,采用Klobuchar模型、CODE的预报产品c1pg、原国家测绘地理信息局的实时球谐电离层产品cosong和CODE事后产品codg计算的电离层精度依次提高;采用不同电离层模型作为电离层估计的先验约束进行单频PPP定位。结果表明:采用精度较好的电离层产品作为先验约束可加快单频PPP收敛。     

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。     

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。     

基于不同电离层模型的精密单点定位精度分析

随着PPP的发展与应用,对PPP误差源的研究更加精细、更加科学。电离层折射是高精度PPP的主要误差之一,国内外通用方法是用大气传播理论建立电离层修正模型。本文主要探讨了电离层对精密单点定位影响的基本理论,总结了目前常用方法;研究了Klobuchar模型的改正公式及计算方法;系统地研究了双频观测值建立消电离层延迟模型的理论和方法。使用相同时段的观测数据,将广播星历、Klobuchar模型和双频观测值改正消电离层模型的结果进行比较,发现用GPS双频观测值建立的消电离层模型的精度明显优于广播星历及Klobuchar模型。     

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.     

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。     

Ionospheric correction using NTCM driven by GPS Klobuchar coefficients for GNSS applications

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) require mitigation of ionospheric propagation errors because the ionospheric range errors might be larger than tens of meters at the zenith direction. Taking advantage of the frequency-dispersive property of ionospheric refractivity, the ionospheric range errors can be mitigated in dual-frequency applications to a great extent by a linear combination of carrier phases or pseudoranges. However, single-frequency GNSS operations require additional ionospheric information to apply signal delay or range error corrections. To aid single-frequency operations, the global positioning system (GPS) broadcasts 8 coefficients as part of the navigation message to drive the ionospheric correction algorithm (ICA) also known as Klobuchar model. We presented here an ionospheric correction algorithm called Neustrelitz TEC model (NTCM) which can be used as complementary to the GPS ICA. Our investigation shows that the NTCM can be driven by Klobuchar model parameters to achieve a significantly better performance than obtained by the mother ICA algorithm. Our research, using post-processed reference total electron content (TEC) data from more than one solar cycle, shows that on average the RMS modeled TEC errors are up to 40% less for the proposed NTCM model compared to the Klobuchar model during high solar activity period, and about 10% less during low solar activity period. Such an approach does not require major technology changes for GPS users rather requires only introducing the NTCM approach a complement to the existing ICA algorithm while maintaining the simplicity of ionospheric range error mitigation with an improved model performance.