两种电离层模型对卫星导航定位精度的影响分析

北斗卫星导航系统及全球定位系统等全球卫星导航系统电磁波信号在大气中传播会受到电离层延迟的影响,为满足导航用户需求,我国北斗卫星导航系统和美国全球定位系统均采用Klobuchar 8参数模型进行电离层延迟改正。但是全球定位系统Klobuchar模型和北斗卫星导航系统Klobuchar模型的电离层参数并不相同,分析不同导航系统发布的电离层参数精度对这两种双模导航定位中电离层参数的选择具有重要的研究意义。分别采用北斗卫星导航系统和全球定位系统电离层模型进行伪距单点定位,通过比较最终的定位精度从而对这两种不同模型在全球范围内的改正精度进行评价。研究结果表明:在中国区域内,采用北斗卫星导航系统模型的伪距单点定位精度较全球定位系统模型有较大提高;采用北斗卫星导航系统电离层参数更利于中国区域的全球卫星导航系统的导航定位。     

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。     

GNSS基本服务性能评估

针对现有全球卫星导航系统性能评估无规范的评估标准问题,该文提出了以统一模型和算法为评估体系的方法,较详细的评估了全球卫星导航系统公开服务信号的基本性能,主要评估了空间信号误差、广播电离层模型改正效率及伪距单点定位精度等。结果表明:空间信号误差方面,伽利略最优、GPS和北斗三号相当;广播电离层模型方面,北斗全球广播电离层模型改正效果最优,GPSK8与NeQuick模型在低中纬度改正效果相当,北斗区域电离层模型在其服务区内具有较高改正效果;定位方面,北斗、GPS和伽利略静态伪距单点定位的三维位置均方根误差优于5m,格洛纳斯优于10 m;动态伪距单点定位方面,北斗在中国境内定位精度最高;基于统一评估体系下,可以直观对比得到目前各卫星导航系统的性能差异,同时也为后续的建设提供相应的参考。     

北斗卫星导航系统电离层模型应用评价

利用北斗接收机接收到的北斗系统K8电离层模型,与同时段欧洲定轨中心提供的电离层模型为基准进行对比,对北斗卫星导航系统在不同地区不同时段的改正效果进行分析;并以中纬度北京地区为例对不同电离层改正模型下的定位误差进行分析比较,从而对北斗系统K8电离层模型的改正效果进行评价。     

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。     

不同Klobuchar模型参数的性能比较

对于GPS单频用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。GPS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从370组常数中选取。目前全球分布的GPS测站可以获得高精度的全球电离层监测结果,GPS为什么不发播采用实测数据计算得到的Klobuchar模型参数呢？本文针对这一问题进行分析。首先对欧洲定轨中心CODE提供的全球电离层图GIM预报COPG电离层进行精度评估,然后根据COPG电离层进行Klobuchar模型参数拟合并利用IGS提供的事后高精度电离层图进行精度分析,最后将不同的电离层模型参数应用于单点定位以评估其对单频用户的影响。分析结果表明：受8参数的Klobuchar模型本身结构限制,采用全球实测数据计算的电离层模型参数与导航电文中发播的电离层模型精度相当,为55%左右。而仅采用地磁纬度45oS以北的数据拟合得到的模型参数,其电离层改正精度有明显提升,可达65%左右,但其对单频用户定位精度改善不明显。本文研究结果为我国全球电离层建模提供参考。     

北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析

采用IGS、MGEX、北斗地基增强网的实时观测数据,研制北斗广域精密定位服务系统,实时生成北斗高精度轨道、钟差、电离层产品,提供厘米级北斗双频PPP、分米级单频PPP、米级单频伪距定位服务。对实时产品评估分析的结果表明:北斗卫星实时轨道与钟差产品URE统计精度约为2.0cm,实时电离层精度优于4.0TECU。采用全国分布的实时测站动态定位精度(95%置信度)评估分析表明:北斗双频PPP精度存在明显的区域特征,高纬度以及西部边缘地区的定位精度平面约0.2m,高程约0.3m;中部地区定位精度平面优于0.1m,高程优于0.2m,接近GPS实时PPP精度水平;北斗与GPS融合可以提高单北斗、单GPS的定位性能,尤其是显著加快了PPP收敛时间,收敛时间缩短到20min内。另外,除边缘地区外,北斗单频PPP实现平面0.5m,高程1.0m;北斗单频伪距单点定位实现平面2.0m,高程3.0m。     

BDS/GPS非差误差改正数的实时动态定位方法

针对我国地区观测数据的实验定位结果精度问题,该文提出BDS/GPS非差误差改正数的实时动态定位方法,研究了BDS/GPS单参考站非差实时动态定位算法模型,流动站使用非差误差改正数,不需要进行双差观测值的组合。参考站将非差误差改正数传递给流动站,对流动站的观测值进行误差改正,可以直接固定流动站的模糊度。实验表明:在我国南方地区BDS精度要优于GPS,而在北方地区,BDS/GPS定位精度和GPS定位精度明显优于BDS。并且与单系统相比,组合系统的可视卫星数明显增加,改善了卫星空间几何分布结构,从而提高了导航定位的可用性和精度。     

长距离单历元单频非差北斗网络差分方法

针对北斗卫星导航系统现有的网络差分方法多是基于GPS系统并采用双差定位模型,而双差定位模型的采用使得网络差分方法存在一些缺陷的问题,该文提出一种长距离单历元单频非差北斗网络差分方法;首先长距离北斗基准站网向覆盖区域内的北斗用户提供非差误差改正数;然后用户内插计算出自己所需的非差误差改正数,并改正北斗单频伪距观测值的误差;最后进行单历元单频网络差分定位。实验表明,该方法能够使用单历元单频伪距观测数据实现长距离北斗网络差分定位。     

区域电离层建模的单频伪距定位验证

针对电离层单层模型无法满足单频用户定位精度要求的问题,该文建立了区域电离层斜路径模型和单星多项式函数模型。基于河北省区域CORS站的实验结果表明:该文建立的区域电离层模型的拟合精度比CODE中心的格网电离层模型提高了近80%。并将其应用于北斗、GPS单频伪距单点定位,得出北斗的单点定位高程和平面定位精度分别优于3和2m,GPS的单点定位高程和平面定位精度分别优于1.5和1m;相对于CODE,GPS和北斗在平面及高程方向的定位精度均提高了50%左右。结果证明,采用斜路径电离层模型和多项式函数模型,可以较好地反映区域电离层的精细结构。     

多系统广播电离层模型精度评估

电离层误差是导航定位主要的误差源之一,广播电离层模型为单频用户修正电离层延迟提供了简便有效的方法。本文采用CODE提供的GIM产品作为评估的基准,对4大广播电离层模型进行了多方面精度评估,旨在为后续的模型改进及应用提供参考。结果表明：各个模型北半球改正率高于南半球,白天改正率高于晚间;NeQuick模型在中低纬度服务性能一般,但在高纬度地区明显高于BDSK8、GPSK8模型,改正率高出BDGIM模型约5%,BDSK8、GPSK8、BDGIM模型在中低纬度改正率较高,高纬度带改正率稍差;BDGIM模型性能总体优于其他模型,全球范围改正率可达76.91%。     

GPS单频机电离层延迟改正新算法

探讨了几种新的电离层延迟改正算法,通过算例检验了新方案的效率和可行性,对不同精度用户选取电离层延迟改正方案给出了建议。     

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.     

电离层延迟高阶项对GPS精密单点定位精度影响分析

随着GPS卫星轨道、钟差及各种误差修正模型的不断精化,静态精密单点定位(PPP)定位精度达到mm级,进行电离层延迟高阶项较小量级的误差改正研究,对改进PPP数据处理策略具有重要的参考价值。本文利用分布在不同地理纬度的5个IGS跟踪站3天的观测数据,对比分析了电离层延迟二阶项、三阶项对GPS观测值精度及静态PPP定位精度的影响。分析结果表明,电离层延迟二阶项、三阶项对GPS观测值精度的影响分别为cm级和mm级,对低纬度地区PPP定位精度的影响大于3 mm,但对中高纬度的测站观测值、定位精度的影响比低纬度地区小很多。      

Canadian GPS Network for Ionosphere Monitoring (CANGIM)

Ionospheric activity is a significant concern for reliable operation of GPS positioning applications, particularly at high latitudes. In order to monitor high latitude ionospheric activity for GPS users, researchers at the University of Calgary have installed the Canadian GPS Network for Ionosphere Monitoring (CANGIM). This network has been operational since 2003 and consists of a number of reference stations, each equipped with a specialized GPS receiver capable of providing near real-time observations of ionospheric parameters and raw GPS data. Potential exists to provide ionospheric warnings and near real-time measures of associated impacts on positioning and navigation applications for GPS users. This paper provides an overview of ionospheric limitations for high latitude GPS users, and describes the ionospheric monitoring services developed for the CANGIM.     

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。     

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。