Ne Quick2電離層改正模型的性能評估

李施佳，蔡昌盛，2，戴吾蛟，2，易志鵬

（1．中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙410083；2．湖南省精密工程測量與形變災害監測重點實驗室，湖南 長沙410083；3．國網湖南省電力公司培訓中心電力營銷培訓分部，湖南 長沙410131）

伽利略衛星導航系統是歐盟正在建設的世界上第一個向民用開放的商業全球導航定位系統。目前，利用星座中已有的4顆伽利略在軌驗證衛星進行伽利略單系統定位已經變成現實。在不久的將來，更多的伽利略衛星將在軌運行，提供導航和定位服務。不同于GPS利用Kl obuchar模型［1］改正電離層誤差，伽利略系統采用Ne Quick模型［2］對電離層誤差進行改正以服務于單頻接收機用戶。電離層改正模型性能的好壞直接關系到用戶的定位精度，因此Ne Quick電離層模型性能如何已成為業界普遍關心的問題。

對于Ne Quick模型，國內外已有學者進行了相關 研 究。Astaf yeva 等［3］利 用 GNSS 數 據 對Ne Quick、Klobuchar和IRI模型進行了比較研究；Jodogne等［4－5］利用 GPS臺站資料對 Ne Quick模型進行了評估。李子偉分析了Ne Quick模型的精度［6］；楊哲、王軍等研究了Ne Quick模型在中國區域 的 應 用［7－8］。 自 從 Ne Quick 改 進 模 型 （即Ne Quick2）于2008年被學者提出［9］后，Ne Quick2模型得到了極大關注。Ne Quick2模型改進了Ne Quick1模型底部和頂部的電離層解析式及相關參量，優化了計算，相比Ne Quick1具有明顯的變動。已有文獻大多基于Ne Quick1進行研究，但Ne Quick1已逐漸被Ne Quick2所取代。基于此，本文對Ne Quick2電離層改正模型進行了性能評估。

1 NeQuick模型

Ne Quick模型［2］由意大利薩拉姆國際理論物理中心的高空物理和電波傳播實驗室與奧地利格拉茨大學的地球物理、氣象和天體物理研究所聯合研究而成，該模型已經在歐空局進行了應用［4］，是伽利略系統廣播星歷采用的電離層改正模型。

Ne Quick模型是一種三維電離層電子密度模型，利用該模型可以計算給定任何時間和空間位置的電子密度，通過對信號路徑上的電子密度進行積分，可以得到任意路徑上的總電子含量。隨著伽利略系統建設的推進，Ne Quick模型也在不斷更新，目前最新版本為Ne Quick2。Ne Quick2模型取消了原Ne Quick1模型對F10．7指數最高上限為193的限定，使得模型與實際情況符合的更好。為了更好地反映實際電離層的變化，Ne Quick2模型對原模型的底部和頂部的電離層解析式及相關參量進行了改進，采用與月份無關的經驗參數，計算效率得到了提高。

Ne Quick2模型需要輸入的信息為12個CCIR系數文件和地磁緯度文件。在利用該模型計算斜路徑電子含量時，基本輸入參數為：信號傳播路徑上兩端點的地理坐標（經緯度）和高度、月份、世界時以及太陽活動參數（R12或F10．7）。伽利略系統為了給用戶提供實時電離層延遲改正值，用與地磁緯度有關的有效電離因子代替輸入參數F10．7。有效電離因子可通過導航電文參數計算得到。Ne Quick2模型具體公式可參見文獻［9］。

2 數據處理結果與分析

GPS觀測數據來自香港衛星定位參考站網，選取了HKOH及HKFN兩測站于2012年3月20日至24日的觀測數據進行計算。Ne Quick2模型需要的CCIR系數和地磁緯度文件來自國際電信聯盟無線電通信部的數據庫。F10．7值從美國國家海洋和大氣管理局氣象預報中心獲得。基于觀測數據中的雙頻偽距觀測值，獲得每顆衛星的斜向總電子含量（STEC）。在輸入相應的F10．7值、測站位置、衛星位置和時間信息后，便可利用Ne Quick2模型獲得斜向總電子含量。最后將其與實測的斜向總電子含量求差來評估模型的精度。

為了更好地闡述Ne Quick2模型的性能，將其與國際參考電離層（IRI）［10］和 Klobuchar模型［1］結果進行了對比。IRI模型是IRI工作組基于大量的探測資料和研究成果開發的全球電離層模型。該模型可獲得任一時間、地點上空50～2 000 k m范圍內的電子密度及路徑上的電子含量的月平均值，是目前國際上最有效且被廣泛認可的電離層經驗模型，本文利用IRI2007模型進行計算。Klobuchar模型為單層模型（高度為350 k m），該模型反映了電離層延遲的周日變化特性。單頻GPS接收機普遍采用此電離層延遲改正模型進行電離層誤差改正。

利用2012年3月20日03：30至06：00香港HKFN測站的觀測數據計算了截止高度角為30°時每顆GPS衛星的實測斜向總電子含量值，將其作為參考來評價Ne Quick2模型，并與IRI和Klobuchar模型的結果進行對比。各電離層模型斜向總電子含量計算值與GPS實測值差值結果如圖1所示。

圖1 3種電離層模型與實測斜向總電子含量的差值

圖1 給出了對應每顆衛星的實測斜向總電子含量值與模型計算得到的斜向總電子含量的差值。由于利用GPS觀測值獲得的斜向總電子含量值中還包含GPS碼間偏差的影響，故在圖1中對應每顆衛星的差值曲線均含有一常數項系統偏差［11］。由圖1可以看出，IRI模型對應的PRN18和PRN22衛星偏差值的變化幅度相對其它衛星較大。3個不同的電離層模型計算的斜向總電子含量值變化趨勢較為一致。從圖1（c）中可以看出，部分衛星的曲線相比圖1（a）和圖1（b）更接近0軸附近，但實測的斜向總電子含量中包含GPS碼間偏差的影響，因此與實測值差異小并不能說明該模型具有更高的精度。

由于GPS碼間偏差在短時間內可以當作一個常數來處理，通過求取標準差來分析各個電離層模型求取的斜向總電子含量與實測值的差異。表1給出了對應每顆衛星各模型得到的斜向總電子含量值與實測值差異的標準差。

表1 實測值與模型得到的斜向總電子含量值的差值標準差 TECU

由表1可以看出，除衛星PRN15外，Ne Quick2對應每顆衛星的標準差值最小，反映Ne Quick2模型獲得的電離層斜向總電子含量值與實測值具有更好的一致性。

為了分析衛星截止高度角的影響，分別計算了衛星截止高度角為30°及60°時，2012年3月20日香港HKOH測站對應每顆衛星的模型與實測斜向總電子含量差值，其結果分別如圖2（a）和圖2（b）所示。其差值的標準差統計如表2所示。

圖2（a）和圖2（b）分別對應截止高度角為30°和60°的情況。圖中橫軸代表相應截止高度角下各衛星的有效歷元個數，縱軸代表模型與實測斜向總電子含量差值，單位為TECU。圖中每一條曲線代表一顆衛星。由圖2可以看出，在衛星截止高度角設置為30°時，對應IRI模型的斜向總電子含量差值在一個更大的范圍內變化。當截止高度角為60°時，3種模型計算的斜向總電子含量趨勢較為一致。相比而言，Ne Quick2和Klobuchar模型在低高度角時具有更好的穩定性。由表2可以看出，當截止高度角設置為60°時，3種模型與實測斜向總電子含量差值的標準差均大幅減小，其中IRI模型精度提升最高。兩種情況下，Ne Quick2模型與實測差值的標準差最小，而Klobuchar模型與實測差值的標準差最大，表明Ne Quick2模型具有更好的穩定性。

圖2 各模型計算值與實測斜向總電子含量值的差值

表2 不同截止高度角各模型計算值與實測斜向總電子含量差值的標準差

為減小衛星高度角對模型精度的影響，本文計算了截止高度角為60°時，2012年3月20至23日共4 d香港HKOH測站模型計算與實測斜向總電子含量差值的標準差，其結果如圖3所示。

圖3 實測值與模型得到的斜向總電子含量差值的標準差

由圖3可以看出，Ne Quick2模型與實測斜向總電子含量差值的標準差保持在15 TECU以內，Ne Quick2相比IRI和Kl obuchar模型，計算的斜向總電子含量與實測值在絕大多數情況下具有更好的一致性。

3 結束語

通過對比不同高度角情況下Ne Quick2模型、IRI模型、Klobuchar模型與實測斜向總電子含量的差值，結果表明，IRI模型對高度角較為敏感，在衛星高度角較低時獲得的斜向總電子含量與實測值差值較大。相對而言，Klobuchar模型和Ne Quick2模型受衛星截止高度角影響小。根據各電離層模型計算的斜向總電子含量與實測差值的標準差統計結果，Ne Quick2模型與實測斜向總電子含量差值的標準差保持在15 TECU以內，Ne Quick2模型計算值與實測值具有更好的一致性。

［1］ KLOBUCHAR J A．Ionospheric ti me－delay algorith m f or single－frequency GPS users［J］．Transactionson Aerospace and Electronic Systems，1987，23（2）：325－331．

［2］ GIOVANNI D I，RADICELLA S M．An analytical model of the electron density profile in the ionosphere．Advances in Space Research，1990，10：27．

［3］ ASTAFYEVA E I，AFRAI MOVICH E L，OINATS A V，et al．Dynamics of global electron content in 1998–2005 derived fro m global GPS data and IRI modeling［J］．Advances in Space Research，2008，42：763－769．

［4］ JODOGNE J C，NEBDI H，WARNANT R．GPS TEC and ITEC fro m digisonde data co mpared with NEQUICK model［J］．Advances in Space Research，2004，2：269－273．

［5］ ZHANG MANLIAN，S M RADICELLA，SHI JIANKUI，et al．Co mparison among IRI，GPS－IGS and ionogram－derived total electron contents［J］．Advances in Space Research，2006，37（5）：972－977．

［6］ 李子偉，陳若夫，張勇，等．區域單頻GNSS用戶經驗電離層模式修正效果評估［J］．工程地球物理學報，2009，6（5）：668－673．

［7］ 楊哲，宋淑麗，薛軍琛，等．Klobuchar模型和Ne Quick模型在中國地區的精度評估［J］．武漢大學學報：信息科學版，2012，37（6）：704－708．

［8］ 王軍，黨亞民，薛樹強．Ne Quick電離層模型在中國地區的應用［J］．測繪科學，2007，32（4）：38－40．

［9］ NAVA B，COISSON P，RADICELLA S M．A New Version of the Ne Quick ionosphere electron density model［J］，Journal of At mospheric and Solar－Terrestrial Physics，70，2008，P1856－1862．

［10］BILITZA D．International Reference Ionosphere 2000［J］．Radio Sci．，2001，36（2）：261－275．

［11］孟范偉，郭英，劉振．電離層異常原因分析與建模［J］．測繪與空間地理信息，2014，37（1）：215－218．