北斗系統(tǒng)全球電離層建模理論與方法研究

朱永興

1. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 2. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001； 3. 西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054

電離層延遲是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要誤差源。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已由區(qū)域系統(tǒng)(北斗二號(hào)系統(tǒng)，BDS-2)發(fā)展為全球系統(tǒng)(北斗三號(hào)系統(tǒng)，BDS-3)，BDS-3星座具有全球覆蓋、區(qū)域異構(gòu)的特點(diǎn)，衛(wèi)星播發(fā)了S和L頻段多個(gè)導(dǎo)航信號(hào)，向下兼容BDS-2的B1I和B3I信號(hào)，增加B1C、B2a(兼容GPSL1/L5、GalileoE1/E5a)兩個(gè)新信號(hào)，試驗(yàn)衛(wèi)星播發(fā)了Bs頻點(diǎn)信號(hào)。論文從BDS-3衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、差分碼偏差(DCB)估計(jì)、電離層總電子含量(TEC)估計(jì)、BDS全球電離層建模和北斗全球電離層時(shí)延修正模型(BDGIM模型)性能分析等方面研究了GNSS電離層建模相關(guān)理論與方法。主要內(nèi)容如下：

(1) 提出了BDGIM模型約束的DCB解算方法，解算得到的BDS-3衛(wèi)星新信號(hào)DCB精度優(yōu)于1.0 ns，解決了絕對(duì)電離層TEC估計(jì)問題。該方法不依賴于外部高精度電離層產(chǎn)品，可以應(yīng)用于單站的衛(wèi)星、接收機(jī)DCB實(shí)時(shí)解算。

(2) 基于BDS星座中GEO、IGSO、MEO運(yùn)行速度和軌道面不同的分析，設(shè)計(jì)了基于臨近穿刺點(diǎn)TEC變化和日界TEC跳變的電離層TEC精度綜合評(píng)估方法，充分考慮了BDS星座中GEO、IGSO、MEO的特點(diǎn)，采用該方法分析B1I/B2I載波相位平滑偽距雙頻組合估計(jì)的電離層TEC精度優(yōu)于3.0 TECu。

(3) 構(gòu)建了顧及經(jīng)緯度方向異性的反距離加權(quán)插值(IDW)方法，充分考慮了電離層TEC經(jīng)緯度方向梯度，采用連續(xù)12年“兩分兩至”日前后的IGS-GIM產(chǎn)品分析表明，電離層TEC插值精度比常規(guī)IDW方法提高25%左右。

(4) 構(gòu)建了顧及粗差影響的Kriging插值方法，采用2014年“兩分冬至”日前后的IGS-GIM產(chǎn)品和GNSS雙頻觀測(cè)量進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析結(jié)果表明，該方法有效抑制了粗差數(shù)據(jù)影響，全球插值精度1.0～4.0 TECu，優(yōu)于改進(jìn)的IDW方法。

(5) 提出了BDGIM模型約束的BDS全球電離層建模方法，克服了現(xiàn)有BDS-3地面跟蹤站分布稀疏問題，以BDGIM模型作為虛擬觀測(cè)量約束球諧函數(shù)模型建模，采用平方根信息濾波仿實(shí)時(shí)方法按照5 min時(shí)間間隔解算模型參數(shù)，BDS全球電離層建模精度2.0～5.0 TECu，相比原有BDGIM模型提升6.5%。

(6) 構(gòu)建了北斗全球電離層時(shí)延修正模型(BDGIM)性能評(píng)估指標(biāo)體系，系統(tǒng)評(píng)估了BDGIM模型性能，以IGS-GIM產(chǎn)品和GNSS雙頻觀測(cè)量為基準(zhǔn)，分析結(jié)果表明，BDGIM模型參數(shù)改正精度明顯優(yōu)于GPS的Klobuchar模型參數(shù)，在全球范圍改正中誤差為4.0 TECu，改正比例75%。

(7) 針對(duì)BDS-3衛(wèi)星新信號(hào)體制，深入分析了各頻點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，為優(yōu)選觀測(cè)量組合開展電離層TEC研究提供參考。采用BDS-3組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析表明，BDS-3衛(wèi)星各頻點(diǎn)偽距多路徑誤差為0.11～0.27 m，對(duì)比BDS-2衛(wèi)星B1I、B3I頻點(diǎn)，隨高度角變化的異常現(xiàn)象已基本消除；BDS-3衛(wèi)星各頻點(diǎn)載波相位觀測(cè)噪聲為0.11～0.37 mm。