北斗系統(tǒng)全球電離層建模理論與方法研究

朱永興

1. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450001； 3. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054

電離層延遲是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的主要誤差源。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)已由區(qū)域系統(tǒng)(北斗二號系統(tǒng)，BDS-2)發(fā)展為全球系統(tǒng)(北斗三號系統(tǒng)，BDS-3)，BDS-3星座具有全球覆蓋、區(qū)域異構(gòu)的特點，衛(wèi)星播發(fā)了S和L頻段多個導航信號，向下兼容BDS-2的B1I和B3I信號，增加B1C、B2a(兼容GPSL1/L5、GalileoE1/E5a)兩個新信號，試驗衛(wèi)星播發(fā)了Bs頻點信號。論文從BDS-3衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、差分碼偏差(DCB)估計、電離層總電子含量(TEC)估計、BDS全球電離層建模和北斗全球電離層時延修正模型(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DCB精度優(yōu)于1.0 ns，解決了絕對電離層TEC估計問題。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DCB實時解算。

(2) 基于BDS星座中GEO、IGSO、MEO運行速度和軌道面不同的分析，設(shè)計了基于臨近穿刺點TEC變化和日界TEC跳變的電離層TEC精度綜合評估方法，充分考慮了BDS星座中GEO、IGSO、MEO的特點，采用該方法分析B1I/B2I載波相位平滑偽距雙頻組合估計的電離層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雙頻觀測量進行試驗驗證，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模型作為虛擬觀測量約束球諧函數(shù)模型建模，采用平方根信息濾波仿實時方法按照5 min時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延修正模型(BDGIM)性能評估指標體系，系統(tǒng)評估了BDGIM模型性能，以IGS-GIM產(chǎn)品和GNSS雙頻觀測量為基準，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BDS-3衛(wèi)星新信號體制，深入分析了各頻點觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，為優(yōu)選觀測量組合開展電離層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)星各頻點偽距多路徑誤差為0.11～0.27 m，對比BDS-2衛(wèi)星B1I、B3I頻點，隨高度角變化的異常現(xiàn)象已基本消除；BDS-3衛(wèi)星各頻點載波相位觀測噪聲為0.11～0.37 mm。