不同電離層VTEC模型的建模效果比較

李秀海，曹先革，張為成，司海燕，趙曉明，黑 龍

(1．黑龍江工程學(xué)院測繪工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050;2．黑龍江工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050)

一、引 言

電離層豎向總電子含量(vertical total electron content，VTEC)是反映電離層特性的一個(gè)重要參量，監(jiān)測其變化及規(guī)律對(duì)研究電離層物理形態(tài)、GNSS導(dǎo)航和定位、地震預(yù)報(bào)及空間天氣預(yù)報(bào)具有重要的科學(xué)研究價(jià)值及工程應(yīng)用價(jià)值[1-3]。通過長期的觀測資料建立起來的，反映全球電離層VTEC平均狀態(tài)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停m簡單實(shí)用，但精度不高。依據(jù)某一時(shí)段對(duì)某一區(qū)域?qū)嶋H測量的電離層VTEC，采用一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合而建立起來的VTEC模型，是目前電離層VTEC建模研究的熱點(diǎn)，也是確定VTEC精度較高的一種方法。利用實(shí)測資料建立的擬合模型一般在數(shù)小時(shí)的時(shí)段內(nèi)具有理想的效果。雖然有關(guān)電離層VTEC的建模已取得了一些研究成果[4-9]，然而對(duì)于不同模型建模效果的比較研究，公開發(fā)表的研究成果還沒有見到。本文對(duì)多種電離層VTEC建模效果進(jìn)行了比較，得到了一些有益的結(jié)論。

二、幾種VTEC模型簡介

1．球諧函數(shù)模型

一些研究表明，利用球諧函數(shù)(spherical harmonious function，SHF)來描述全球、區(qū)域或局域電離層TEC的時(shí)空分布及變化具有較好的效果。章紅平采用4階球諧函數(shù)模型擬合中國區(qū)域的電離層TEC取得了較理想的結(jié)果[5]。SHF模型可表示為

λs及n階k次締合勒讓德函數(shù)的計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[6]。

2．廣義三角級(jí)數(shù)電離層-TEC模型

由于區(qū)域電離層VTEC的周日變化具有如下特點(diǎn)：白天隨地方時(shí)t呈近似余弦變化的規(guī)律，在地方時(shí)t=14 h時(shí)達(dá)到最大;晚上較小且變化平穩(wěn)。袁云斌等人提出的廣義三角級(jí)數(shù)電離層-TEC模型為

式中，φm為電離層星下點(diǎn)SIP的地磁緯度;分別為星下點(diǎn)的地理經(jīng)緯度;為SIP點(diǎn)的地方時(shí)。

3．多項(xiàng)式電離層VTEC模型

劉經(jīng)南等在《廣域差分GPS原理和方法》中把多項(xiàng)式電離層模型應(yīng)用于中國的分布式廣域差分定位系統(tǒng)進(jìn)行電離層-TEC的建模。國外的一些GPS數(shù)據(jù)處理軟件如瑞士的伯爾尼大學(xué)研制的軟件Bernese也用該模型建模。其他一些學(xué)者對(duì)該軟件的建模也進(jìn)行了研究，表明該模型對(duì)區(qū)域電離層VTEC有較好的建模效果。

該模型是將電離層穿刺點(diǎn)的VTEC看成是太陽時(shí)角差S-S0和緯差B-B0的函數(shù)。其具體表達(dá)式為

式中，Cik為待估參數(shù);B0為測區(qū)中心點(diǎn)的緯度;S0為測區(qū)中心點(diǎn)(B0，λ0)在該時(shí)段中央時(shí)刻t0時(shí)的太陽時(shí)角;為穿刺點(diǎn)的地理經(jīng)度;t為觀測時(shí)刻。對(duì)于利用單基站雙頻GPS數(shù)據(jù)建模，測區(qū)中心點(diǎn)一般選接收機(jī)所處的地理位置。

當(dāng)測區(qū)范圍不超過一個(gè)州，時(shí)段長度為4 h，時(shí)角差(S-S0)項(xiàng)取2～4階，緯差(B-B0)項(xiàng)取1～2階，上述單站模型便能取得較好的結(jié)果[8]。

4．高次曲面電離層VTEC模型

在區(qū)域和局域電離層VTEC建模中，Lao-Sheng Lin提出的15系數(shù)三次曲面電離層VTEC模型也有較好的建模效果。其模型表達(dá)式如下

式中，L為穿刺點(diǎn)日固坐標(biāo)系下的經(jīng)度，L=λ+15UT，UT是世界時(shí);λ、φ分別為穿刺點(diǎn)的地理經(jīng)緯度。

Coco提出用6系數(shù)二次曲面模型擬合區(qū)域電離層 VTEC[10]，其表達(dá)式為

三、觀測方程及平差計(jì)算數(shù)學(xué)模型

利用斜向總電子含量TEC作為觀測量，該觀測量含有GPS硬件組合延遲偏差的影響，可建立如下觀測方程[10]

式中，B為GPS硬件組合延遲偏差;Pf(z)為投影函數(shù)，這里取 Pf(z)=1/cos z[8]。則式(6)變?yōu)?/p>

式(7)中，VTEC的電離層模型可選擇上面介紹的幾種模型。如選擇式(5)，則有

式(8)寫成誤差方程形式為

對(duì)于單基站建模，上式中的電離層參數(shù)個(gè)數(shù)Ci是固定的，每顆衛(wèi)星與接收機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)硬件延遲參數(shù)B，在一個(gè)時(shí)段中，對(duì)各衛(wèi)星各觀測歷元的觀測量TEC建立誤差方程，利用最小二乘法，即可確定電離層VTEC未知參數(shù)Ci和各GPS硬件延遲B，從而建立單基站電離層總電子含量VTEC模型。

四、研究方案設(shè)計(jì)

為比較不同模型及不同階模型的建模精度，選擇高次曲面模型式(4)、球諧函數(shù)模型式(1)、VTEC模型式(3)作為電離層VTEC模型進(jìn)行不同模型的比較。考慮模型階數(shù)對(duì)建模精度的影響，對(duì)式(4)，L、φ取一次項(xiàng)，則高次曲面模型簡化為A．Komjathy等采用的平面VTEC模型[11]

該模型以下簡稱為模型1;而式(5)稱為模型2;對(duì)球諧函數(shù)模型式(1)，當(dāng)nmax分別取2、3時(shí)，得到的模型分別稱為模型3和模型4;對(duì)式(3)，當(dāng)n=1，m=2時(shí)，則變?yōu)榫哂?n+1)(m+1)=6個(gè)未知參數(shù)的模型，稱為模型5;當(dāng)n=2，m=2時(shí)，則變?yōu)榫哂?n+1)(m+1)=9個(gè)未知參數(shù)的模型稱為模型6;當(dāng)n=2，m=3時(shí)，則模型具有12個(gè)未知參數(shù)，稱為模型7。對(duì)這7種模型，分別進(jìn)行建模研究。

五、算例分析

一般情況下在時(shí)段為幾小時(shí)內(nèi)具有較好的建模效果，因此，建模時(shí)選擇時(shí)段長度為4 h的GPS觀測數(shù)據(jù)，以哈爾濱市CORS網(wǎng)絡(luò)中雙城站，GPS時(shí)間為2007年9月19日16—20時(shí)的觀測數(shù)據(jù)建模(地方時(shí)約為0—4時(shí)，該段時(shí)間電離層較穩(wěn)定，求解GPS硬件延遲精度較高)。對(duì)雙頻GPS數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行周跳探測和改正，以便獲取高精度L4觀測值，按文獻(xiàn)[8]提出的L4代替P1、P2偽距差法計(jì)算觀測量斜向TEC。GPS衛(wèi)星星歷從IGS網(wǎng)站下載SP3C格式精密星歷，因精密星歷采樣率是15 min，而GPS雙頻觀測數(shù)據(jù)采樣率取30 s，須通過分段擬合求出觀測時(shí)刻的衛(wèi)星位置，進(jìn)而求穿刺點(diǎn)坐標(biāo)。文獻(xiàn)[6]研究表明，利用拉格朗日內(nèi)插技術(shù)效果較好，因此，本文也采用該技術(shù)對(duì)衛(wèi)星星歷分段擬合。單層電離層模型高度取350 km，衛(wèi)星高度截止角設(shè)為15°。由TEC觀測量建立誤差方程，組成法方程并解算法方程，求出未知參數(shù)，最終建立電離層VTEC模型。

限于篇幅，本文僅提供雙城站 GPS衛(wèi)星PRN29、PRN10號(hào)兩顆衛(wèi)星各模型的建模結(jié)果，分別見表1、圖1、圖2;各模型的擬合殘差見圖3、圖4。

從模型的擬合效果來看，模型1的擬合中誤差達(dá)到±0．51 TECU，說明模型1擬合不足，對(duì)于高精度要求的VTEC測量，該模型是不適合的。模型2、模型3、模型5與模型6擬合中誤差大約為±0．30 TECU左右，而模型4、模型7的中誤差分別為±0．23 TECU、±0．25 TECU，擬合精度相當(dāng)，在所有模型中，這兩種模型擬合精度最高。因此，不同的電離層模型，不同階數(shù)的模型，擬合精度有較大差別，隨著模型階數(shù)的增加，模型的擬合精度將會(huì)提高。

表1 各模型VTEC計(jì)算中誤差 TECU

圖1 雙城站觀測PRN29號(hào)衛(wèi)星計(jì)算的VTEC

圖2 雙城站觀測PRN10號(hào)衛(wèi)星計(jì)算的VTEC

圖3 雙城站觀測PRN29號(hào)衛(wèi)星的VTEC模型擬合殘差

圖4 雙城站觀測PRN10號(hào)衛(wèi)星的VTEC模型擬合殘差

通過各模型擬合殘差時(shí)序圖比較可知，不同的模型，擬合效果不同。最簡單的模型1在各基站的擬合殘差均較大，擬合效果差，表明該模型不適于高精度的電離層VTEC建模;模型2與模型5擬合效果基本相當(dāng)，比模型1要好得多;而具有較多參數(shù)的三階球諧函數(shù)模型4及12參數(shù)的VTEC模型7擬合殘差最小，擬合效果最佳。

另外，隨著模型階數(shù)的增加，模型擬合效果也隨之提高，模型2比模型1好;模型4比模型3擬合殘差小;對(duì)模型5、模型6及模型7，隨著模型階數(shù)的增加，擬合殘差逐漸降低。

從本研究的建模效果來看，除模型1外，模型2與模型5基本相當(dāng);模型3與模型6基本相同;模型4和模型5效果最佳。但值得注意的是，各模型殘差不呈隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，均存在一定周期的不規(guī)則變化，說明模型提取的VTEC不充分，這是目前大多電離層VTEC模型需進(jìn)一步研究、完善的方面。

六、結(jié)束語

利用實(shí)測GPS在某一時(shí)段對(duì)某一區(qū)域?qū)嶋H測定的電離層TEC，采用一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合而建立起來的VTEC模型，具有精度高的特點(diǎn)，但不同的模型，擬合精度有差別，且模型的擬合殘差呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)，說明模型提取的VTEC不充分，有待進(jìn)一步研究。

[1]熊年祿，唐存琛，李行健．電離層物理概論[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，1999．

[2]王水．空間天氣研究的主要科學(xué)問題[J]．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37(8)：807-812．

[3]祝芙英，吳云，林劍，等．汶川 Ms8．0地震前電離層TEC異常分析[J]．大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，28(6)：16-21．

[4]袁云斌．基于GPS的電離層監(jiān)測及延遲改正理論與方法的研究[D]．北京：中國科學(xué)院研究生院，2002：3-4．

[5]章紅平．基于地基GPS的中國區(qū)域電離層監(jiān)測與延遲改正研究[D]．北京：中國科學(xué)院研究生院，2006：10-16．

[6]何玉晶．GPS電離層延遲改正及其擾動(dòng)監(jiān)測的分析研究[D]．鄭州：信息工程大學(xué)，2006：20-29．

[7]柳景斌，王澤民，王海軍，等．利用球冠諧分析方法和GPS數(shù)據(jù)建立中國區(qū)域電離層TEC模型[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2008，33(8)：792-795．

[8]劉經(jīng)南，陳俊勇，張燕平，等．廣域差分GPS原理與方法[M]．北京：測繪出版社，1999：90-100．

[9]王軍．GNSS電離層TEC監(jiān)測及應(yīng)用[D]．北京：中國測繪科學(xué)研究院．2008：39-42．

[10]COCO D．GPS Satellites of Opportunity for Ionospheric Monitoring[J]．GPSWorld：Innovation 1991：47-50．

[11]KOMJATHY A，BORN G H，ANDERSON D N．An Improved High Precision Ionospheric Total Electron Content Modeling Using GPS [J]．IEEE，2000，7：2858-2860．