基于Bernese軟件的局部電離層TEC模型參數(shù)估計(jì)

尹茂國(guó),陳 義,2

(1.同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,上海200092;2.現(xiàn)代工程測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

0 引 言

電離層是高度約為60～1000 km范圍內(nèi)的離子化的大氣層。它作為一種傳播介質(zhì)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(duì)電波傳播的影響與人類活動(dòng)密切相關(guān),如無線電通信、廣播、無線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位[1]。因此,對(duì)電離層活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),對(duì)于揭示太陽和電離層活動(dòng)的規(guī)律性,進(jìn)而對(duì)人們了解地球磁場(chǎng)及大氣圈層變化有重要意義。

GPS系統(tǒng)建成后,基于GPS的電離層監(jiān)測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外電離層研究領(lǐng)域的主要方向之一。用GPS測(cè)量TEC是目前精度最高的TEC測(cè)量手段[1]。目前針對(duì)電離層建模主要是通過計(jì)算TEC模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多關(guān)于Bernese在定位及基線解算等方面應(yīng)用的研究,并對(duì)其進(jìn)行了一定程度的二次開發(fā)[2-7]。Bernese自身的IONEST及GPSEST程序模塊分別提供了電離層多項(xiàng)式模型和球諧函數(shù)模型的計(jì)算功能,利用這兩個(gè)功能進(jìn)行電離層參數(shù)估計(jì)。

1 Bernese功能介紹

由瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所開發(fā)的BER-NESE GPS SOFTWARE是目前國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的高精度數(shù)據(jù)處理軟件之一,能夠快速處理中小型GPS觀測(cè)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)高精度定位;自動(dòng)處理大型乃至全球的GPS永久跟蹤網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù);組合處理GPS和GLONASS觀測(cè)數(shù)據(jù)等功能[8]。軟件的BPE模塊是基于TCP/IP協(xié)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(zhí)行腳本)等組成[1]。其中利用PPP.PCF和RNX2SNX.PCF兩個(gè)控制文件可以得到mm級(jí)坐標(biāo)[9]。軟件中IONEST和GPSEST功能用到的輸入文件均是上述兩個(gè)控制文件運(yùn)行的結(jié)果。

1.1 IONEST模塊

模塊中,Bernese中局部電離層模型采用多項(xiàng)式函數(shù)模型,并用IONEST進(jìn)行估計(jì)。在估計(jì)之前,應(yīng)確保RXOBV3和CODSPP這兩個(gè)模塊成功運(yùn)行[8]。所用到的函數(shù)模型為

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

IONEST對(duì)非差L4組合觀測(cè)值,采用最小二乘估計(jì)方法,得到相應(yīng)電離層參數(shù)[8]。

1.2 GPSEST模塊

Bernese的設(shè)計(jì)初衷是處理長(zhǎng)時(shí)間全球各IGS臺(tái)站大量數(shù)據(jù)。因此在電離層模型建立方面,針對(duì)全球的TEC,它的GPSEST功能模塊采用球諧函數(shù)模型,對(duì)模型參數(shù)利用最小二乘方法進(jìn)行估計(jì)。函數(shù)模型為

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2 實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)說明

利用1個(gè)IGS站shao及上海10個(gè)CORS站在2013年1月8日的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)。軟件處理數(shù)據(jù)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(zhǔn)備文件,需要編寫測(cè)站信息文件(STA)及地殼板塊文件(PLD)。本文使用迅雷下載相應(yīng)的數(shù)據(jù),具體步驟是:將預(yù)編輯好的FTP地址,存入txt文檔,然后導(dǎo)入迅雷下載即可。以shao站RINEX數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)處理步驟及結(jié)果展示

將所需數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后,運(yùn)行MENU>BPE>Start BPE process,分別運(yùn)行完P(guān)PP.PCF及RNX2SNX.PCF之后,得到最終坐標(biāo)文件F1_130080.CRD及標(biāo)準(zhǔn)軌道文件IGS130080.STD[9],具體過程見參考文獻(xiàn)[9]。

2.2.1 IONEST模塊步驟

利用之前得到的結(jié)果文件,運(yùn)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(xiàng)

圖3 IONEST操作選項(xiàng)

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

2.2.2 GPSEST模塊步驟

運(yùn)行MENU>Processing>Parameter estimation。此處既可以選擇對(duì)非差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,也可以對(duì)雙差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖4所示。

圖4 GPSEST輸入選項(xiàng)

2.2.3 結(jié)果展示

以GPSEST計(jì)算的結(jié)果為例,可以得到如圖5所示的電離層相關(guān)文件。

圖5 生成文件

1)ION130080.ION(各個(gè)測(cè)站的5×5階球諧函數(shù))

2)RIM130080.ION(區(qū)域5×5階球諧函數(shù)模型的參數(shù))

3)RIM130080.INX(IONEX格式的數(shù)據(jù))

部分片段如圖6所示。

圖6 RIM130080.INX

3 結(jié)束語

利用Bernese自帶的兩個(gè)程序模塊(IONEST、GPSEST),分別計(jì)算了多項(xiàng)式模型及球諧函數(shù)模型的系數(shù),并由各測(cè)站DCB的結(jié)果可以說明求解步驟是正確的。但是在處理過程中,手動(dòng)操作的過程較多,會(huì)增加了工作量和出錯(cuò)的幾率,因此在計(jì)算過程的自動(dòng)化程度上還需要進(jìn)一步提高。

[1]李征航,張小紅. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M]. 武漢:武漢大學(xué)出版社,2009.

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[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.