多GNSS監測下中國區域電離層格網模型可用性分析

王華峰，張艷茹，蔡紅濤，郭珊

( 1. 中國電波傳播研究所, 山東 青島 266107；2. 武漢大學, 武漢 430079 )

0 引 言

全球衛星導航系統(GNSS)可以提供基本的導航、定位和授時(PNT)服務. 同時，為了滿足特殊用戶更高性能的應用需求，多個國家或地區建設了GNSS天基增強系統(SBAS)，典型系統包括美國的WAAS (Wide Area Augmentation System)、歐洲地球靜止導航重疊服務(EGNOS)、日本的多功能GPS衛星星基增強系統(MSAS)、印度的GPS輔助型靜地軌道增強導航(GAGAN)系統等. 同時，我國也在規劃建設北斗天基增強系統(BD SBAS)[1].

SBAS采用格網模型進行電離層誤差的高精度修正，及相應的系統完好性實現. 在電離層格網模型實現中，利用地面區域GNSS監測站網的觀測數據進行模型參數估計[2].

多系統GNSS的出現，可以為SBAS提供更多電離層環境測量，在同樣監測站網規模下，有助于擴大系統格網點覆蓋區域，提高格網點參數估計性能；或者在保持系統性能的情況下，減少監測站數量. 但由于中國區域電離層環境具有顯著區域特征，并不能簡單地認為通過多系統GNSS觀測就可以提高電離層格網模型的性能，或降低地面監測站網數量而仍可以保持模型性能.

為此，本文分析了多系統GNSS監測對中國區域SBAS電離層格網模型的影響，從電離層格網模型實現角度提出了中國區域SBAS多系統GNSS監測站網的建設建議.

文章首先介紹了SBAS電離層格網模型實現原理和分析方法，其次重點分析了多系統GNSS監測對電離層格網模型覆蓋范圍的影響，再次重點分析了中國區域電離層環境特征對格網模型實現的影響，然后給出了中國區域SBAS監測站網的建設建議，最后進行了總結.

1 SBAS格網模型及其覆蓋范圍分析方法

1.1 SBAS電離層格網模型

SBAS中采用電離層格網模型進行電離層誤差修正. 電離層格網模型基于平面假設，利用地面監測網絡獲得的區域內電離層延遲測量，對格網點電離層垂直延遲(GIVD)及其誤差門限-格網點電離層垂直誤差(GIVE)進行估計. GIVD和GIVE通過衛星播發給用戶，進行電離層誤差修正及相應的完好性實現[3].

SBAS電離層格網模型實現中，首先需對每個格網點進行電離層擾動檢測，只有通過了擾動檢測才認為該格網點可用，并進一步按格網模型的實現方法估計其GIVD和GIVE. 格網點處的電離層擾動檢測采用改進的卡方檢測統計實現[4].

1.2 SBAS電離層格網模型覆蓋性能分析

由于Galileo建設以及GLONASS系統完善等因素影響，很難獲得四個系統GNSS同時具有完整星座的星歷數據. 考慮到四個系統GNSS的空間可視衛星數大體一致，因此利用模擬方法分析四個系統GNSS在完全部署情況下中國區域SBAS電離層格網模型的可用性，分析中主要考慮中國區域電離層格網點覆蓋范圍及格網點的可用性.

模擬分析中，利用不同時期GPS的星歷數據模擬計算其他系統GNSS的可見衛星分布； 利用不同年份中同一年積日的GPS星歷數據分析模擬GPS、Galileo、BDS、GLONASS系統完整星座下的空間可視衛星變化.

模擬分析中，監測站站址從中國大陸構造環境監測網絡(CMONOC)與國際GNSS服務(IGS)網絡的可用觀測站中選取；監測網站點在國內均勻分布；同時盡量在我國陸地區域的邊境線附近區域及南海區域考慮監測站點分布.

如圖1所示，在實際工作中分別對兩種監測站網布局情況進行分析，一種是30個監測站情況，另一種是27個監測站情況. 其中，從30個監測站分布情形中剔除3個監測站，以模擬27個監測站分布情形. 剔除的3個監測站分別位于最北端(HLMH站，黑龍江漠河)、最南端(HIYS站，永暑島)，以及西南區域(XZGE站，西藏噶爾)，圖1中用星狀標示標出3個監測站位置. 采用不同站網分布的目的在于分析特殊區域站點增減對中國區域 SBAS格網點可用性的影響.

圖1 分析的中國區域SBAS監測站分布(30個)

采用SBAS電離層格網模型中的電離層穿刺點選擇算法分析每個電離層格網點可用穿刺點數量. 具體參數選擇為電離層格網點最少可用穿刺點數量設置為10個，格網點擬合半徑分別設置為600 km、800 km、1 000 km、1 200 km[6].

2 中國區域SBAS電離層格網模型覆蓋性能分析

實際數據分析中選擇了多個年份進行模擬，結果類似，下面僅以典型結果進行說明. 該結果中利用2005年、2012年、2015年、2017年中年積日第100天的GPS星歷數據分別模擬GPS、Galileo、BDS、GLONASS四系統完整星座在同一天的觀測結果. 限于篇幅，僅以格網點擬合半徑1 000 km的分析結果進行說明.

通過對比圖2～5中不同GNSS觀測數量，及不同電離層格網可用性情況下的格網點分布情況，可以進行以下分析并獲得相應的結論：

圖2 單系統GNSS觀測下中國區域電離層格網模型覆蓋范圍及格網點可用性結果

1)單系統GNSS與多系統GNSS觀測對中國區域 SBAS電離層格網模型的影響

多系統GNSS觀測可有效擴展中國區域SBAS電離層格網模型中格網點的覆蓋范圍，以及格網點的可用性. 具體為：

● 雙系統與單系統相比，在不同方向上的絕大部分區域可以向外擴展約500 km范圍(即向外擴展1個格網點范圍).

圖3 兩個系統GNSS觀測下中國區域電離層格網模型覆蓋范圍及格網點可用性結果

圖4 三個系統GNSS觀測下中國區域電離層格網模型覆蓋范圍及格網點可用性結果

● 三系統與單系統相比，在不同方向上可以向外擴展約500 km范圍(即向外擴展1個格網點范圍).

● 四系統與單系統相比，在不同方向上可以向外擴展約500 km范圍(即向外擴展1個格網點范圍)，個別地方可以向外擴展約1 000 km范圍(即向外擴展2個格網點范圍).

2) 30站規模與27站規模

對于中國大陸內部區域，站址的增減對格網點可用性影響較小，但中國區域邊界附近監測站的增減對SBAS電離層格網模型覆蓋范圍及格網點可用性影響較顯著. 具體而言，最北端(HLMH站，漠河)和最南端(HIYS站，永暑島)監測站的增減，對于格網點可用性影響較大. 增減最北端或最南端站點，可使有效格網點范圍向北或向南擴展500 km (即向外擴展1個格網點)范圍. 對于西南區域(主要是西藏)，增減監測站對格網點可用性影響較小，增加1個監測站(XZGE站，西藏噶爾)僅可以增加1個有效格網點.

3)不同格網點可用性比較(格網點95%可用性與格網點100%可用性)

圖5 四個系統GNSS觀測下中國區域電離層格網模型覆蓋范圍及格網點可用性結果

在兩種不同監測站分布，以及不同多系統GNSS觀測情況下，僅在最邊緣存在個別格網點可以達到95%可用性而不能達到100%可用性. 由此表明，在監測站網分布和可觀測GNSS數量確定情況下，單純提高站網的數量和可見衛星數，對提高格網點可用性的能力有限.

3 中國區域電離層環境特征對SBAS格網模型實現的影響

中國南方地區存在顯著的低緯電離異常(EIA)現象，造成在該區域電離層延遲隨緯度增大呈現出明顯的梯度變化，并在海口地區上空(約為20°N)電離層延遲達到最大值[7-8]. 為了進一步明確顯示電離層延遲隨緯度的變化，圖6中給出了太陽活動高年(2012年)電離層活躍時期(3月) GIVD隨緯度的變化. 時間為UT 11:02:30 (LT 19:02:03)，電離層垂直延遲利用CMONOC及IGS網絡中選擇的近200個站GPS觀測數據獲得. 從圖6中可以明顯看出，在30°N以上地區，穿刺點電離層延遲呈現出平緩變化趨勢；在30°N～20°N區域，即使在傍晚，穿刺點電離層延遲仍表現出顯著的增強趨勢；在接近20°N區域，穿刺點電離層延遲達到最大值；隨著緯度的進一步降低，穿刺點電離層延遲又變現出降低趨勢，降低的趨勢小于電離層延遲在30°N～20°N區域內的變化趨勢.

圖6 中國區域GIVD隨緯度的變化

圖7中進一步給出了采用不同擬合半徑對位于低緯地區的電離層格網點(25°N，110°E)估計時計算得到的相應卡方擾動檢測量變化. 可以看出：降低電離層格網點估計時的擬合半徑可以在一定程度上降低卡方擾動檢測量的估計值，但降低的程度很小. 這是因為該電離層格網點處于低緯電離異常區域影響最為劇烈的附近地方，降低電離層格網點估計時的擬合半徑盡管可以減少使用位于電離層延遲梯度變化劇烈區域內的穿刺點測量，從一定程度上提高格網模型擬合的優度，但由于電離層延遲梯度隨沿緯度有劇烈變化，使得電離層延遲變化不符合平面變化趨勢.因此，降低格網點估計時的擬合半徑并不能有效應對低緯電離異常現象的影響[9-10].

圖7 不同擬合半徑下電離層格網點（25°N，110°E）

4 中國區域SBAS監測站建設建議

通過上述分析可以看出，對于中國區域SBAS系統而言，監測站建設需考慮：

1)至少實現對雙系統GNSS的觀測；

分析可得，對兩個系統GNSS進行監測即可有效擴展SBAS電離層網格模型的覆蓋范圍和格網點可用性；進一步增加系統GNSS監測數量，仍可以進一步增加電離層格網模型覆蓋范圍和格網點可用性，但增加趨勢減緩. 因此，在系統建設允許的情況下，建議進行多系統GNSS監測，但應至少實現對兩個系統GNSS的監測(BDS+GPS).

2)盡可能在邊境區域建設監測站，尤其是在最北端和最南端區域.

從分析中還可以看出，最北端和最南端監測站的增加，可以顯著擴展中國區域SBAS電離層格網模型的覆蓋范圍和格網點可用性. 因此，在系統建設允許情況下，應增加在中國北部區域監測站數量，尤其是在東北區域和新疆區域增加. 此時，外蒙古區域可用通過東北區域和西北區域的多系統GNSS觀測進行有效覆蓋.

3)考慮中國區域電離層環境特征，應增加在南部區域的監測站數量，尤其是中國區域最南端增加監測站(南海區域).

考慮到中國區域北部為中緯電離層區域，電離層環境變化較為平緩，南部為低緯電離異常區，電離層環境存在顯著的“駝峰”狀變化，因此，應盡可能增加在中國南部區域的監測站數量，以實現對電離層異常區的更為密集采用觀測. 北部區域由于電離層變化平緩，可以用電離層平面球殼模型較好地描述，適當增加邊界區域監測站數量即可.

5 結 論

多系統GNSS的出現為電離層格網模型的性能提升提供了可能，但多系統GNSS下的電離層格網模型實現性能提升是有前提條件的. 為此，利用中國區域中國大陸構造環境監測網絡、中國及周邊區域IGS站所有可用數據模擬分析了多系統GNSS測量對中國區域電離層格網模型實現性能的影響.

總體而言，多系統GNSS觀測可以有效提高中國區域電離層格網模型覆蓋范圍和格網點可用性. 但對于不同區域，多系統GNSS監測并不能夠完全解決中國區域電離層格網模型面臨的問題.

對于中國南方地區而言，該區域存在的低緯電離異常現象是影響中國區域SBAS電離層格網模型實現性能的根本原因. 通過比較不同擬合半徑及不同數量穿刺點測量情況下的電離層格網點擾動檢測結果表明，單純增加GNSS測量(多系統GNSS觀測)不能有效應對低緯電離異常現象的影響，因此難以從根本上提升電離層格網模型的實現性能.

對于中國北方地區而言，該區域處于中緯電離層環境，電離層延遲變化平緩，可以用平面模型很好地擬合. 利用多系統GNSS測量并不能顯著提高電離層格網模型的實現性能. 但對于中國北方地區而言，可以考慮在多系統GNSS測量情況下減少地面監測站的數量，同時仍保持系統原有性能.

致謝：感謝中國地震臺網中心提供的中國大陸構造環境監測網絡(CMONOC) GPS測量數據. 感謝IGS提供的GPS測量數據.