BDS格網(wǎng)點電離層信息性能評估

劉宸,王威,姜意,徐奧,朱偉剛

(1.北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094;2.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心,北京 100094)

0 引 言

電離層對全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)的影響主要表現(xiàn)在多普勒頻移、信號振幅衰減、幅度和相位閃爍效應、信號調制碼群延、載波相位超前、磁暴和電離層誤差對差分定位的影響等[1-2].電離層延遲誤差是影響衛(wèi)星導航定位的主要誤差源之一,電離層修正算法是影響用戶定位精度的關鍵因素.為減弱電離層延遲誤差對導航用戶的影響,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)基本導航服務提供Klobuchar模型來修正該誤差[3],模型參數(shù)每兩小時更新1次.BDS Klobuchar模型在中國區(qū)域的修正精度略高于GPS Klobuchar模型,修正率約70%[4],但夜間常值和初始相位的固定限制了模型修正精度[1,5].BDS同時提供廣域差分服務,為用戶提供高更新頻率及高更新精度的格網(wǎng)點電離層信息[3].

電離層除了會隨著晝夜、季節(jié)以及太陽活動變化產生周期性變化外[6-7],還極易受空間環(huán)境因素的影響,出現(xiàn)非周期性的擾動變化.由太陽活動噴發(fā)粒子流引起的太陽風會與地球磁場和電離層作用,從而發(fā)生磁暴、電離層暴、熱層暴和高能粒子暴等[8].這些自然現(xiàn)象都將顯著影響地球周圍的帶電粒子數(shù),導致電離層出現(xiàn)幾小時至數(shù)十天劇烈的擾動,對電離層的日變化規(guī)律產生顯著影響.由中國科學院國家空間科學中心空間環(huán)境預報中心網(wǎng)站(http://www.sepc.ac.cn)可知,2017年1月—2018年10月共發(fā)生41次太陽x射線耀斑事件、10次太陽質子事件、285次高能電子暴和192次地磁暴事件,如表1所示.這給GNSS的電離層修正帶來了嚴峻挑戰(zhàn).

表1 2017年1月—2018年10月太陽活動事件和地磁事件

受當時在役衛(wèi)星數(shù)目的限制,文獻[9]僅利用BDS 2012年18個格網(wǎng)點(IGP)的數(shù)據(jù)對格網(wǎng)點電離層信息進行了評估.但隨著BDS的發(fā)展與服務性能提升,格網(wǎng)點電離層信息的有效服務范圍和服務能力穩(wěn)步提升, 但目前缺少對BDS格網(wǎng)點電離層信息較為全面客觀的評價.本文將利用近期數(shù)據(jù)對BDS格網(wǎng)點電離層信息的服務范圍、服務精度和抗擾動能力進行評估,為BDS格網(wǎng)點電離層信息應用和研究提供依據(jù).

1 BDS格網(wǎng)點電離層信息

格網(wǎng)點電離層信息更新頻率為6 分鐘/次,覆蓋范圍為東經(jīng)70°～145°,北緯7.5°～55°,按經(jīng)度5°×緯度2.5°進行劃分,形成320個格網(wǎng)點.具體格網(wǎng)點編號如圖1所示.

格網(wǎng)點電離層垂直延遲參數(shù)為該格網(wǎng)點B1I頻點的電離層垂直延遲(VTEC),用距離表示,單位為m,比例因子為0.125,電離層垂直延遲量范圍為0～63.625 m,63.750 m表示格網(wǎng)點未被監(jiān)測,63.875 m表示格網(wǎng)點不可用.用戶使用時需將格網(wǎng)值內插得到觀測衛(wèi)星穿刺點處的電離層改正數(shù),計算電離層穿刺點時電離層薄層模型參考高度為375 km[3,5].當用戶穿刺點所在格網(wǎng)點周圍至多有1個點未被監(jiān)測或不可用時,可以采用文獻[3,10-11]給出的雙線性內插法進行內插,需要指出的是當只有3個格網(wǎng)點可用時,未被監(jiān)測或不可用格網(wǎng)點的權重為0.其他頻點的延遲可以通過乘以比例因子k=f12/fi2(i=2,3;其中fi表示Bi信號的標稱載波頻率進行轉換.

圖1 格網(wǎng)點編號[3]

2 評估理論與方法

2.1 評估策略

格網(wǎng)點電離層信息更新頻率為6 min/次,利用最新發(fā)布的電離層信息評估作為評估基本原則.利用格網(wǎng)點電離層信息更新后6 min內電離層穿刺點處的VTEC評估最新發(fā)布的格網(wǎng)點電離層信息修正精度,指標包括偏差Bias和修正率V,即

(1)

100%.

(2)

2.2 雙頻電離層VTEC計算方法

本文采用雙頻數(shù)據(jù)求得VTEC,作為參考值進行評估.根據(jù)衛(wèi)星導航定位原理,利用BDS偽距觀測方程,計算B1、B2頻點的偽距之差,可以得到

-Mbias12],

(3)

VTEC=STEC·cosz,

(4)

式中:VTEC為天頂方向電離層電子總含量;STEC為觀測路徑上的總電子含量;z為穿刺點的天頂距.

3 試驗分析

3.1 長期精度評估分析

以B1、B2雙頻解算的VTEC作為參考值,以2017年1月—2018年10月的格網(wǎng)點電離層信息為樣本,評估格網(wǎng)點電離層信息的偏差、修正率,既包括平靜時期,也包括擾動時期.圖2示出了2017年1月—2018年10月每天的格網(wǎng)點電離層信息修正率和修正偏差變化情況.從圖中可知,格網(wǎng)點電離層信息修正率在75%～92%,大部分優(yōu)于85%.大部分優(yōu)于2 TECU.

經(jīng)統(tǒng)計,長期格網(wǎng)點電離層信息修正率的均值、最大值、最小值依次為86.7%、91.3%、76.6%,修正偏差的均值、最大值、最小值依次為1.62 TECU、2.93 TECU、1.08 TECU,優(yōu)于2012年的平均修正偏差(2.34 TECU)[9].

圖2 2017年1月—2018年10月格網(wǎng)點電離層信息修正偏差和修正率

圖3示出了格網(wǎng)點電離層信息某時刻的修正偏差,可以看出有效覆蓋區(qū)域占格網(wǎng)點電離層信息覆蓋區(qū)域的1/2左右,基本覆蓋了中國區(qū)域.在有效覆蓋區(qū)域內,大陸及周邊地區(qū)格網(wǎng)點電離層信息修正精度較好,偏差均在3 TECU以內,大部分在2 TECU以內,部分南海區(qū)域修正精度較差,修正偏差可達5.5 TECU.無效覆蓋和修正精度較差的原因主要受測站分布影響,導致該地區(qū)無電離層穿刺點或者有效穿刺點數(shù)目不足,或者衛(wèi)星高度角過小導致接收數(shù)據(jù)質量較差.

圖3 某一時刻的格網(wǎng)點電離層信息修正偏差

為了準確分析格網(wǎng)點電離層信息和地磁活動、太陽活動間的相關性,圖4示出了2017年1月至2018年10月地磁活動指數(shù)(KP)和太陽活動指數(shù)(F10.7)隨時間的變化，圖5示出了格網(wǎng)點電離層信息與KP、F10.7指數(shù)的互相關圖.可以發(fā)現(xiàn)格網(wǎng)點電離層信息的修正偏差與地磁活動、太陽活動的相關系數(shù)分別為(0.85、0.98),略低于格網(wǎng)點電離層信息的修正率與地磁活動、太陽活動的相關系數(shù)(分別為0.86、0.99).

圖4 地磁活動和太陽活動指數(shù)

圖5 格網(wǎng)點電離層信息與地磁活動、太陽活動間互相關圖

3.2 修正精度季節(jié)變化分析

圖6和圖7分別示出了不同月份格網(wǎng)點電離層信息修正偏差和修正率的分布.從圖中可以看出2017年1月、7月、9月、12月,修正偏差變化波動大,2017年10月、11月、12月和2018年1月,修正偏差較大;2017年1月、7月、9月、11月、12月和2018年1月,修正率變化波動大,2017年1月、11月、12月和2018年1月,修正率較低.

注:其中紅色線為當月修正偏差中位數(shù),藍色框線上下端分別為修正偏差的上四分之一界點Q1、下四分之一界點Q2,黑色上下線為內限2.5×Q1-1.5× Q2和2.5×Q2-1.5× Q1.

注:其中紅色線為當月修正偏差中位數(shù),藍色框線上下端分別為修正偏差的上四分之一界點Q1、下四分之一界點Q2,黑色上下線為內限2.5×Q1-1.5× Q2和2.5×Q2-1.5× Q1.

表2 不同季節(jié)格網(wǎng)點電離層信息修正精度

春季(2-4月)夏季(5-7月)秋季(8-10月)冬季(11-1月) 修正偏差/TECU均值1.531.551.601.96 最大值2.392.582.432.93 最小值1.201.121.081.29 修正率/%均值87.788.287.482.0最大值91.290.991.387.6最小值83.582.283.176.6

表2示出了有效覆蓋區(qū)域內不同季節(jié)格網(wǎng)點電離層信息修正精度差異.由表2可知,冬季格網(wǎng)點電離層信息平均修正偏差為1.96 TECU,其他季節(jié)修正偏差均優(yōu)于1.60 TECU;冬季格網(wǎng)點電離層信息平均修正率為82%,其他季節(jié)平均修正率均高于87%.綜合可知,冬季格網(wǎng)點電離層信息修正精度較其他季節(jié)低,且具有更強的波動性.格網(wǎng)點電離層信息的修正誤差主要受電離層電子密度的影響[9],而電離層冬季異?，F(xiàn)象在北半球常年發(fā)生，可能導致冬季修正精度略低.

3.3 修正精度日變化分析

圖8示出了格網(wǎng)點電離層信息平均VTEC和修正精度隨北斗時間的變化.由圖中可知,格網(wǎng)點電離層信息平均修正偏差白天(BDT 0:00-12:00)高于夜間(BDT 12:00-24:00),白天具有規(guī)律的單峰結構,約在BDT 7:00達到峰值,約為1.93 TECU,夜間有較為平緩的變化,約為1.45 TECU,與平均電離層TEC具有較為一致的變化趨勢;格網(wǎng)點電離層信息平均修正率白天高于夜間,全天具有較為平緩的單峰結構,在BDT 7:00左右達到峰值,約91%,在BDT 22:00達到最低點,約為80%.

3.4 抗擾動能力分析

2017年9月5日00:40—9月9日00:40發(fā)生了太陽質子事件,在8日00:35達到峰值,2017年9月8日發(fā)生了大地磁暴(Kp=8);2017年9月10日15:35發(fā)生X8.2級耀斑事件,于11日11:40達到峰值.下面分析此階段格網(wǎng)點電離層信息的變化.

圖9示出了擾動期間低緯地區(qū)的格網(wǎng)點電離層信息修正情況.可知,6日電離層并無顯著異常變化,格網(wǎng)電離層的修正精度仍能保持在95%以上;7日電離層出現(xiàn)異常變化,導致格網(wǎng)電離層的修正精度下降,但基本優(yōu)于90%.8日爆發(fā)的大地磁暴對電離層異常擾動十分明顯.期間格網(wǎng)電離層的修正精度出現(xiàn)明顯下降.隨著擾動的結束,格網(wǎng)電離層的修正精度能迅速恢復到較高水平.10日出現(xiàn)的耀斑事件導致格網(wǎng)電離層的修正能力出現(xiàn)持續(xù)的偏低.由于格網(wǎng)電離層是利用最近6 min的電離層觀測數(shù)據(jù)求解所得,具有一定的實時性,經(jīng)過格網(wǎng)電離層修正后與電離層的變化最大時相差約10 TECU.但基于快速更新能力,修正精度能迅速地恢復至正常水平.從整體上看,在上述空間事件集中爆發(fā)的這幾天內,格網(wǎng)電離層的修正精度基本能保持在80%以上,與電離層VTEC參數(shù)相差基本在3 TECU以內.

圖9 電離層擾動期間低緯度地區(qū)電離層變化、格網(wǎng)點電離層信息修正情況

圖10示出了電離層擾動期間有效覆蓋區(qū)內的格網(wǎng)電離層修正精度.可以看出在該擾動時段內,格網(wǎng)電離層修正精度會出現(xiàn)較大波動,但修正率均優(yōu)于70%,均值為85%，修正偏差均小于3.2 TECU,均值約為1.5 TECU.文獻[13-14]給出Klobuchar模型在應對擾動事件時，修正率會下降40%～60%,對比可見,格網(wǎng)電離層的修正性能具有較強的抗攏動能力.

圖10 電離層擾動期間有效覆蓋區(qū)內的格網(wǎng)電離層的修正情況

4 結束語

利用2017年1月—2018年10月的數(shù)據(jù)對BDS格網(wǎng)點電離層信息的服務范圍和服務精度進行評估,得出以下結論:

1)格網(wǎng)點電離層信息有效覆蓋區(qū)域基本覆蓋中國全域,約占格網(wǎng)點電離層信息覆蓋區(qū)域的1/2,在有效覆蓋區(qū)域內,格網(wǎng)點電離層信息修正精度普遍較好,偏差均在3 TECU以內,大部分在2 TECU以內;;

2)格網(wǎng)點電離層信息日修正偏差最大不超過2.93 TECU,最小可達1.08 TECU,平均修正偏差為1.62 TECU,日修正率最高可達91.3%,最低優(yōu)于76.6%,平均修正率為86.7%;

3)格網(wǎng)點電離層信息冬季修正精度較低且波動較大,修正率約為82%,修正偏差為1.96 TECU,其他季節(jié)修正率和偏差分別均優(yōu)于87%和1.60 TECU;

4)格網(wǎng)點電離層信息修正偏差、修正率白天均高于夜間,均具有單峰結構;

5)電離層擾動期間,格網(wǎng)點電離層信息修正精度較高且變化較小.

6)在高能粒子暴、太陽質子事件、地磁暴等攏動期間，格網(wǎng)電離層信息修正精度較高且變化較小，具有較強的抗攏動能力.