不同全球電離層格網產品在中國區域的應用精度評估與分析

盛傳貞，張京奎，張寶成

( 1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081；2.中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，武漢 430000 )

0 引言

基于全球衛星導航系統(GNSS)建立的全球電離層格網產品(GIM)是全球電離層總電子含量(TEC)研究和應用的重要數據資源，不僅是反演電離層變化規律、揭示電離層物理演變規律的基礎數據產品[1-2]，而且也可作為單頻導航定位研究中電離層延遲修正的重要技術手段[3-4].國際GNSS服務(IGS)的電離層綜合中心(IAAC)和全球連續監測評估系統(iGMAS)綜合中心發布了預報GIM、快速GIM 和最終GIM 三種類型的電離層產品[5].由于不同機構解算不同類型GIM 產品時采用了不同的數學模型及GNSS跟蹤站數據，解算策略的不同導致不同機構產生的不同類型GIM 產品精度存在差異[6].

系統深入評估和分析了不同GIM產品在不同區域的應用效果，可為不同區域的電離層TEC探測、環境和災害監測及導航用戶電離層延遲修正服務提供參考[7].國內外學者針對不同GIM產品的應用性能開展了大量的精度評估工作，然而目前已開展的研究絕大部分都是針對不同分析中心的單一類型GIM 產品在全球范圍內的平均應用性能[8-12].由于電離層活動具有顯著的區域特性，特別是我國低緯地區受到電離層赤道異常影響[13]，不同GIM產品在全球范圍內的評估結果不能直接適用于中國區域.文獻[12]和文獻[14]討論了不同類型的GIM 產品在全球范圍的內符合精度，文獻[8]討論了四種最終GIM 產品在中國區域的精度.然而，目前就不同機構不同類型的GIM產品在中國區域的精度分析工作還沒有開展.本文基于不同太陽活動水平下GNSS跟蹤站和Jason 測高衛星實測電離層TEC對不同機構不同類型的GIM產品在中國及周邊海域區域的精度進行評估，并分析了不同GIM產品對中國區域單頻導航定位精度的影響.

1 全球電離層格網產品

目前，發布GIM 產品的IGS的電離層聯合分析中心(IAACs)主要包括美國噴氣推進實驗室(JPL)、歐洲定軌中心(CODE)、歐洲太空局(ESA/ESOC)、西班牙加泰羅尼亞理工大學(UPC)、中國科學院(CAS)和武漢大學衛星導航定位技術研究中心(WHU)等機構.我國建立的iGMAS綜合中心也發布了綜合國內各分析中心產品后的快速GIM 及最終GIM 產品.根據GIM 產品時效性，GIM 產品主要分為快速GIM(延遲1天)、最終GIM(延遲11天)以及預報GIM(提前1天或2天)產品.

如表1所示，本文評估的GIM 產品包含iGMAS綜合中心提供的快速GIM 和最終GIM 以及IAACs的分析中心CODE、UPC、ESA、CAS、JPL提供的預報GIM、快速GIM 和最終GIM 產品.

表1 不同機構發布的GIM 產品

2 評估策略

2.1 評估方法

本文將GNSS參考站(后文統稱為“跟蹤站”)實測數據獲取的電離層TEC變化量和測高衛星實測電離層TEC為參考，分析不同機構不同類型GIM 產品在中國及周邊區域的電離層延遲改正精度及其對中國區域導航用戶定位精度的影響.

1)與GNSS實測數據獲取的電離層傾斜總電子含量(STEC)歷元間變化進行對比

在未發生周跳的連續觀測弧段內，基于GNSS跟蹤站的無幾何組合的載波相位觀測值歷元間變化可以計算衛星和接收機視線方向上電離層TEC的歷元間變化，其精度優于0.1 TECU.由于衛星高度角最大時由天頂方向總電子含量(VTEC)轉換為STEC時受到的投影函數誤差最小，實際計算電離層歷元間變化量時，通常選擇衛星高度角最大時刻的載波相位觀測值為參考，具體計算公式[15]如下：

由式(1)可知，采用電離層TEC歷元間變化方法進行GIM 精度驗證時，無需額外計算衛星和接收機的差分碼偏差(DCB)參數.因此，與直接利用扣除DCB影響的GNSS電離層TEC測量值進行精度驗證相比，電離層TEC歷元間變化方法的優勢在于消除了衛星和接收機DCB解算誤差對于驗證結果的不利影響.電離層TEC歷元間變化方法是IGS電離層工作組評估各電離層分析中心GIM 產品精度采用最廣泛的方法之一.

2)與測高衛星電離層TEC對比

測高衛星通過向海洋表面發射的雙頻信號可實現信號傳播路徑上的電離層TEC反演.測高衛星電離層TEC是目前獨立于GNSS之外覆蓋性較廣、連續觀測時間最長的電離層觀測數據，也是IGS電離層工作組用來評估不同分析中心GIM 產品性能的有效數據之一.需要說明的是：由于測高衛星僅能測量從海洋表面測高衛星軌道高度以下的電離層電子密度，其測量的電離層TEC與GIM 電離層TEC通常存在量級為2～5 TECU 的系統性偏差.

3)GIM 產品對定位精度影響評估

對于單頻衛星導航用戶，可以采用GIM 產品來削弱電離層延遲對導航定位結果的影響.為評估和掌握不同GIM產品在定位中的應用效果，利用GNSS跟蹤站觀測數據進行標準單點定位，評估不同GIM 產品對定位的影響.以IGS發布的精密周解坐標產品作為坐標參考“真值”，基于動態標準單點定位估計測站坐標及接收機鐘差參數.標準單點定位數據處理中，采用的數據為GPS和北斗衛星導航系統(BDS)觀測數據采樣率為30 s，衛星截止高度角為15°，衛星軌道及鐘差采用廣播星歷的軌道及鐘差參數，對流層誤差采用UNB3模型改正.

2.2 精度評定指標選擇

本文采用不同電離層模型的TEC計算值與電離層TEC參考值之間的平均偏差(BIAS)、標準差(STD)、均方根(RMS)和相對誤差(PER)作為精度分析的指標，其計算公式為

3 實驗與結果分析

3.1 評估方法

為了合理全面的評估不同機構不同類型GIM產品在中國區域的實際應用效果，選取不同太陽活動水平條件下的數據開展性能評估工作.由于iGMAS從2015年開始才穩定提供綜合快速GIM 和最終GIM 產品，本文選取的數據測試時段為最近一個太陽活動周期中2015年(太陽活動中年)和2020年(太陽活動低年)各一個月的數據(年積日第100—130天).為評估不同GIM 產品的外符合精度，本文選擇中國地殼運動觀測網絡(CMONC)跟蹤站以及Jason 測高衛星獲取的電離層TEC數據進行GIM產品精度驗證.為充分利用IGS發布的精密坐標產品，在研究GIM 產品對定位精度影響時選擇中國區域的IGS跟蹤站進行實驗.如圖1所示，本文選取的GNSS數據由59 個CMONC跟蹤站和8個IGS跟蹤站組成.

圖1 選取的GNSS檢測站及Jason 穿刺點軌跡分布圖

需要說明的是：由于獲取不到2020年的Jason測高衛星數據，選擇2019年度的Jason-3測高衛星數據進行實驗.此外，部分機構的GIM 產品存在某些時段缺失的現象，如iGMAS分別缺失2015年年積日第101天、102天和124天的快速GIM 產品；ESA 分別缺失2020年的預報產品、2015年年積日第101—103和120—122天的快速GIM產品；UPC分別缺失2019年的快速GIM 產品和2020年度的預報GIM 產品.

3.2 與GNSS實測電離層TEC比較的外符合精度分析

圖2、圖3分別給出了不同機構GIM 產品電離層TEC的歷元間變化RMS精度時間序列及其在各CMONC跟蹤站的分布情況，不同太陽活動水平下的精度分布繪制在虛線的左右兩側.表2～表4分別給出了電離層TEC的歷元間變化平均精度統計情況.從上述圖表可知，不同機構的GIM 產品在中國區域的電離層TEC的歷元間變化精度具有如下特點：

表2 不同機構預測GIM 產品電離層TEC的歷元間變化精度統計TECU

表3 不同機構快速GIM 產品電離層TEC的歷元間變化精度統計TECU

表4 不同機構最終GIM 產品電離層TEC的歷元間變化精度統計TECU

圖2 2015年(虛線左側)和2020年(虛線右側)不同機構GIM 產品的電離層TEC的歷元間變化精度時間序列

圖3 2015年(虛線左側)和2020年(虛線右側)不同機構GIM產品的電離層TEC的歷元間變化精度在各跟蹤站的分布情況

1)各機構不同類型GIM產品的精度由高到低分別是最終GIM、快速GIM 和預報GIM 產品；各GIM產品在太陽活動中年的精度通常低于太陽活動低年，且在低緯度跟蹤站的精度通常低于中緯度跟蹤站，這與電離層在不同太陽活動條件及不同地理緯度的變化復雜程度密切相關.

2)在太陽活動中年，iGMAS綜合的快速和最終GIM 在同類產品中的精度最高，其RMS均值為2.65 TECU；除iGMAS綜合的GIM 產品外，UPC的最終GIM 和快速GIM 產品精度優于其他機構的同類產品，其RMS值分別為2.69 TECU 和2.70 TECU；CAS的快速GIM 和ESA 的最終GIM 產品精度略低于其他機構同類產品.

3)在太陽活動低年，JPL 的快速GIM 和最終GIM 在同類產品中精度最低；盡管iGMAS的快速GIM 產品精度在某些天存在異常現象，與其他機構的快速GIM 產品精度差異仍小于0.11 TECU；CODE和iGMAS的最終產品精度略優于其他機構的最終GIM 產品.

4)CODE 和UPC的預報GIM 產品精度略優于ESA 的預報產品.CODE 預報1天與預報2天的GIM產品精度大致相當.

3.3 與Jason測高衛星電離層TEC比較的外符合精度分析

圖4給出了Jason-2和Jason-3測高衛星電離層TEC和GIM 電離層TEC之差的均值和標準差，表5給出了快速和最終GIM電離層TEC的RMS精度統計情況.其中，Jason-2和Jason-3測高衛星有效觀測數據時間分別為2015年年積日第100—130天和2019年年積日第102—130天.從圖4可以看出，以Jason 測高衛星獲取的TEC為參考，不同機構的GIM產品在中國周邊海洋區域的精度有以下特點：

圖4 不同GIM產品相對于Jason VTEC的BIAS和STD

表5 不同機構快速和最終GIM 產品相對于Jason VTEC的RMS精度統計TECU

1) Jason 測高衛星電離層TEC與不同機構各GIM的電離層TEC的系統性偏差均小于0，這與測高衛星觀測數據不包含測高衛星軌道高度至GNSS衛星軌道高度處的電離層TEC是一致的.

2)測高衛星和不同機構GIM 電離層TEC的差異在電離層活動中年(2015年)時的差異較低年(2019年)要明顯偏大，這與電離層在活動水平存在一定的相關性.不同機構的預報GIM、快速GIM 和最終GIM與測高衛星TEC差異的標準差在太陽活動中年與低年BIAS分別為3.56 TECU、4.36 TECU 和4.63 TECU.

3)對比太陽活動中年不同參考基準獲取的GIM標準差結果發現，以實測GNSS電離層TEC為基準獲取的GIM精度約為測高衛星電離層TEC為基準的精度的2倍，表明不同機構的GIM 產品在中國周邊海洋區域的精度顯著低于GNSS數據覆蓋的中國陸地區域.

4)從系統偏差指標來看，JPL 的快速和最終GIM產品在同類型產品中與Jason 測高衛星電離層TEC的系統偏差最大，平均差值均為5.5 TECU，其他機構的快速和最終GIM產品與Jason 測高衛星TEC的BIAS分別在1.88～2.84 TECU 和2.68～4.07 TECU 之間.

5)從標準差指標來看，除JPL 和UPC的快速和最終GIM產品精度大致相當外，其他機構均表現為同一機構最終GIM 精度略高于快速和預報GIM產品；CODE 和UPC的預報GIM 產品精度大致相當，ESA 的預報產品精度在三種預報產品中精度最差.

6)從RMS指標來看，在太陽活動中年，UPC的快速GIM 和最終GIM 產品在同類產品中精度最高；在太陽活動低年，iGMAS的最終GIM和CAS的快速GIM 在同類產品中精度最高；JPL 的快速GIM和最終GIM 產品在不同太陽活動水平下均顯著低于其他結構的同類型GIM 產品.

3.4 對中國區域標準單點定位結果的影響分析

以2015年和2020年年積日第100 —130天選取的中國區域IGS測站，對用戶采用不同GIM模型的單頻標準單點定位定位結果作進一步分析.圖5和圖6分別給出了所有跟蹤站在天頂和水平方向上的平均定位誤差的1天內時間序列圖.表6至表8分別給出了試驗期間不同GIM 產品在所有測試站的天頂和水平方向定位誤差的RMS統計情況.對比上述圖表可知，不同機構GIM產品獲取的定位精度存在如下特點：

表6 不同快速GIM 產品在各測試站天頂和水平方向上定位誤差RMS統計m

表7 不同最終GIM 產品在各跟蹤站天頂和水平方向上定位誤差RMS統計m

表8 不同預報GIM 產品和不施加電離層修正在各跟蹤站定位誤差RMS統計m

圖5 2015年（虛線左側）和2020年（虛線右側）不同GIM產品獲取的水平方向定位精度時間序列

圖6 2015年（虛線左側）和2020年（虛線右側）不同GIM產品獲取的高程方向定位精度時間序列

1)采用不同GIM產品進行標準單點定位定位與不采用電離層延遲修正相比在天頂和水平方向的定位精度均有所提升，且不同GIM產品獲取的定位精度差異主要體現在天頂方向上.與未對電離層延遲進行修正的單點定位結果相比，不同機構的預報GIM、快速GIM和最終GIM 產品在太陽活動中年在天頂方向上的定位精度分別提升65.8%～73.9%、72.7%～74%和62.5%～71.8%，在水平方向上的定位精度分別提升28.5%～44.8%、36.1%～46.2%和34.7%～41%.

2)不同機構的GIM產品在太陽活動低年獲取的定位精度差異較小，在太陽活動中年差異較為顯著，且最終GIM 產品獲取的定位精度差異較快速GIM產品小.在太陽活動中年，UPC的最終GIM 和快速GIM 在同類GIM產品中獲取的水平方向定位精度最高；除ESA 產品外，不同機構的快速GIM、最終GIM 和預報GIM 產品獲取的天頂方向定位誤差最大差異分別為0.17 m、0.06 m 和0.06 m，獲取的水平方向定位誤差最大差異分別為0.4 m、0.11 m 和0.18 m.在太陽活動低年，不同機構的預報GIM、快速GIM產品獲取的天頂方向定位誤差最大差異分別為0.05 m、0.06 m 和0.01 m，獲取的水平方向定位誤差最大差異分別為0.04 m、0.05 m 和0 m.

3)CODE的兩種預報GIM 和UPC的預報GIM產品精度大致相當，二者獲取的天頂方向上的定位精度要顯著優于ESA 的預報GIM 產品.

4)根據太陽活動中年各跟蹤站上獲取的定位時間天內時間序列可知，白天的定位精度比晚上定位精度低，這與電離層日間變化趨勢是一致的.

4 結束語

本文基于中國區域均勻分布的59個陸態網跟蹤站數據以及8個IGS跟蹤站對不同機構發布的預報GIM、快速GIM 和最終GIM 產品在中國及周邊海域區域的應用精度進行了評估.通過對比GIM、跟蹤站實測GNSS數據和Jason 測高衛星的電離層TEC，并分析不同GIM 產品對中國區域導航用戶單頻定位精度的影響，針對不同GIM 產品在中國及周邊海域區域的應用精度，得到以下結論：

1)不同類型GIM 產品在中國區域的精度由高到低分別為最終GIM、快速GIM 和預報GIM 產品；

2)不同機構不同類型GIM 產品的精度差異在太陽活動中年大于太陽活動低年，在低緯度區域高于中緯度區域；

3)當采用不同機構不同類型的GIM 產品進行中國區域定位試驗時，除ESA 產品獲取的定位精度較差外，其他機構的GIM產品獲取的定位精度大致相當；

4)總體而言，iGMAS和UPC的快速和最終GIM產品精度優于其他機構的GIM 產品，基于GIM 數據進行中國區域電離層探測時，建議用戶使用時優先選擇iGMAS和UPC的快速和最終GIM產品；

5) CODE 預報1天的GIM產品與預報2天的GIM產品精度相當，優于ESA 的預報GIM 產品精度.

隨著不同分析中心GIM 解算策略的不斷改進，不同類型GIM產品的精度和穩定性將會進一步提升，未來需要采用更長時段的數據對不同機構不同類型的GIM 產品在中國區域的應用精度進行進一步分析.此外，由于實時GIM 產品數據較少，本文未對實時GIM產品的精度進行評估，未來也需進一步分析實時GIM 產品在中國區域的應用精度.