基于Bernese軟件的局部電離層TEC模型參數估計

尹茂國,陳 義,2

(1.同濟大學測繪與地理信息學院,上海200092;2.現代工程測量國家測繪局重點實驗室,上海200092)

0 引 言

電離層是高度約為60～1000 km范圍內的離子化的大氣層。它作為一種傳播介質使電波在電離層中被折射、反射、散射和吸收而損失部分能量。電離層對電波傳播的影響與人類活動密切相關,如無線電通信、廣播、無線電導航、雷達定位[1]。因此,對電離層活動進行監測和預報,對于揭示太陽和電離層活動的規律性,進而對人們了解地球磁場及大氣圈層變化有重要意義。

GPS系統建成后,基于GPS的電離層監測已成為國內外電離層研究領域的主要方向之一。用GPS測量TEC是目前精度最高的TEC測量手段[1]。目前針對電離層建模主要是通過計算TEC模型參數實現的。

國內已經有很多關于Bernese在定位及基線解算等方面應用的研究,并對其進行了一定程度的二次開發[2-7]。Bernese自身的IONEST及GPSEST程序模塊分別提供了電離層多項式模型和球諧函數模型的計算功能,利用這兩個功能進行電離層參數估計。

1 Bernese功能介紹

由瑞士伯爾尼大學天文研究所開發的BER-NESE GPS SOFTWARE是目前國際上應用比較廣泛的高精度數據處理軟件之一,能夠快速處理中小型GPS觀測網,實現高精度定位;自動處理大型乃至全球的GPS永久跟蹤網觀測數據;組合處理GPS和GLONASS觀測數據等功能[8]。軟件的BPE模塊是基于TCP/IP協議,采用C/S模式[3],主要由FORTRAN編寫的功能程序,PERL編寫的腳本和控制文件(主要定義了按一定順序的執行腳本)等組成[1]。其中利用PPP.PCF和RNX2SNX.PCF兩個控制文件可以得到mm級坐標[9]。軟件中IONEST和GPSEST功能用到的輸入文件均是上述兩個控制文件運行的結果。

1.1 IONEST模塊

模塊中,Bernese中局部電離層模型采用多項式函數模型,并用IONEST進行估計。在估計之前,應確保RXOBV3和CODSPP這兩個模塊成功運行[8]。所用到的函數模型為

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式中: (β,s)為穿刺點的太陽-地磁緯度和經度;n、m為二維泰勒級數展開的最大階數; (β0,s0)為展開中心的太陽-地磁緯度和經度;Eij為需要估計的泰勒級數展開的系數。

IONEST對非差L4組合觀測值,采用最小二乘估計方法,得到相應電離層參數[8]。

1.2 GPSEST模塊

Bernese的設計初衷是處理長時間全球各IGS臺站大量數據。因此在電離層模型建立方面,針對全球的TEC,它的GPSEST功能模塊采用球諧函數模型,對模型參數利用最小二乘方法進行估計。函數模型為

(2)

2 實例分析

2.1 數據說明

利用1個IGS站shao及上海10個CORS站在2013年1月8日的雙頻觀測數據。軟件處理數據前,需要下載精密星歷(SP3)、鐘差文件(CLK)、碼偏差(DCB)、極移信息(ERP)等準備文件,需要編寫測站信息文件(STA)及地殼板塊文件(PLD)。本文使用迅雷下載相應的數據,具體步驟是:將預編輯好的FTP地址,存入txt文檔,然后導入迅雷下載即可。以shao站RINEX數據獲取為例,按下面所示編輯好文本后,打開迅雷即可快速下載shao站從2013.1.1-2013.1.8的數據。

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2013/001/13o/shao0010.13o.Z

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2013/002/13o/shao0020.13o.Z

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2013/003/13o/shao0030.13o.Z

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2013/004/13o/shao0040.13o.Z

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2013/005/13o/shao0050.13o.Z

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2013/006/13o/shao0060.13o.Z

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2013/007/13o/shao0070.13o.Z

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2013/008/13o/shao0080.13o.Z

2.2 數據處理步驟及結果展示

將所需數據準備完畢后,運行MENU>BPE>Start BPE process,分別運行完PPP.PCF及RNX2SNX.PCF之后,得到最終坐標文件F1_130080.CRD及標準軌道文件IGS130080.STD[9],具體過程見參考文獻[9]。

2.2.1 IONEST模塊步驟

利用之前得到的結果文件,運行MENU>Service>Ionospheretools>Local Ionosphere-model-estimation,如圖1,2,3所示。

圖1 IONEST模塊

圖2 IONEST輸入選項

圖3 IONEST操作選項

如果想在每個時段得到多個電離層模型,只需要運行Bernese自帶的分割模塊(Menu>Service>Bernese observation files>Split observation files),再運行IONEST即可得到多組系數。不過此時需要自己手動將得到的各個電離層模型文件組合到一個共同的文件[8]。

2.2.2 GPSEST模塊步驟

運行MENU>Processing>Parameter estimation。此處既可以選擇對非差數據進行分析,也可以對雙差數據進行分析,如圖4所示。

圖4 GPSEST輸入選項

2.2.3 結果展示

以GPSEST計算的結果為例,可以得到如圖5所示的電離層相關文件。

圖5 生成文件

1)ION130080.ION(各個測站的5×5階球諧函數)

2)RIM130080.ION(區域5×5階球諧函數模型的參數)

3)RIM130080.INX(IONEX格式的數據)

部分片段如圖6所示。

圖6 RIM130080.INX

3 結束語

利用Bernese自帶的兩個程序模塊(IONEST、GPSEST),分別計算了多項式模型及球諧函數模型的系數,并由各測站DCB的結果可以說明求解步驟是正確的。但是在處理過程中,手動操作的過程較多,會增加了工作量和出錯的幾率,因此在計算過程的自動化程度上還需要進一步提高。

[1]李征航,張小紅. 衛星導航定位新技術及高精度數據處理方法[M]. 武漢:武漢大學出版社,2009.

[2]周 利,匡翠林. Bernese高精度GPS數據處理軟件介紹及其應用實例[J]. 測繪與空間地理信息,2007,30(5):110-113.

[3]張彩虹,聶桂根,熊 熊,等. 基于Internet的GPS數據自動處理系統的研究[J]. 測繪通報,2007(8):26-28.

[4]李 峰,陽凡林,李云偉,等. 基于Bernese5.0的GPS數據的自動下載與處理[J]. 礦山測量,2010(6):27-30.

[5]汪 楚,胡小工,郭 鵬. 利用Bernese5.0軟件實現LEO衛星精密定軌[J]. 天文研究與技術,2011(3):255-261.

[6]彭家頔,任 超,佘 娣. Bernese軟件在低高度角衛星信號處理中的應用[J]. 地理空間信息,2012(1):107-108.

[7]紀冬華,郭 英,李國偉,等. 基于Bernese軟件的CORS網基線解算[J]. 全球定位系統,2012，37(4):56-59.

[8]DACH R,HUGENTOBLER U,FRIDEZ P,etal.Bernese GPS software version 5.0[M]. Berne: Astronomical Institute,University of Bern,January,2007.

[9]DACH R,HUGENTOBLER U,WALSER P,etal. Bernese GPS software version 5.0 tutorial[M]. Berne: Astronomical Institute,University of Bern,September,2011.