基于Bernese软件的局部电离层TEC模型参数估计

2014-08-22尹茂国

全球定位系统 2014年6期

尹茂国,陈义,2

(1.同济大学测绘与地理信息学院,上海200092;2.现代工程测量国家测绘局重点实验室,上海200092)

0 引言

电离层是高度约为60～1000 km范围内的离子化的大气层。它作为一种传播介质使电波在电离层中被折射、反射、散射和吸收而损失部分能量。电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关,如无线电通信、广播、无线电导航、雷达定位[1]。因此,对电离层活动进行监测和预报,对于揭示太阳和电离层活动的规律性,进而对人们了解地球磁场及大气圈层变化有重要意义。

GPS系统建成后,基于GPS的电离层监测已成为国内外电离层研究领域的主要方向之一。用GPS测量TEC是目前精度最高的TEC测量手段[1]。目前针对电离层建模主要是通过计算TEC模型参数实现的。

国内已经有很多关于Bernese在定位及基线解算等方面应用的研究,并对其进行了一定程度的二次开发[2-7]。Bernese自身的IONEST及GPSEST程序模块分别提供了电离层多项式模型和球谐函数模型的计算功能,利用这两个功能进行电离层参数估计。

1 Bernese功能介绍

由瑞士伯尔尼大学天文研究所开发的BER-NESE GPS SOFTWARE是目前国际上应用比较广泛的高精度数据处理软件之一,能够快速处理中小型GPS观测网,实现高精度定位;自动处理大型乃至全球的GPS永久跟踪网观测数据;组合处理GPS和GLONASS观测数据等功能[8]。软件的BPE模块是基于TCP/IP协议,采用C/S模式[3],主要由FORTRAN编写的功能程序,PERL编写的脚本和控制文件(主要定义了按一定顺序的执行脚本)等组成[1]。其中利用PPP.PCF和RNX2SNX.PCF两个控制文件可以得到mm级坐标[9]。软件中IONEST和GPSEST功能用到的输入文件均是上述两个控制文件运行的结果。

1.1 IONEST模块

模块中,Bernese中局部电离层模型采用多项式函数模型,并用IONEST进行估计。在估计之前,应确保RXOBV3和CODSPP这两个模块成功运行[8]。所用到的函数模型为

(1)

式中: (β,s)为穿刺点的太阳-地磁纬度和经度;n、m为二维泰勒级数展开的最大阶数; (β0,s0)为展开中心的太阳-地磁纬度和经度;Eij为需要估计的泰勒级数展开的系数。

IONEST对非差L4组合观测值,采用最小二乘估计方法,得到相应电离层参数[8]。

1.2 GPSEST模块

Bernese的设计初衷是处理长时间全球各IGS台站大量数据。因此在电离层模型建立方面,针对全球的TEC,它的GPSEST功能模块采用球谐函数模型,对模型参数利用最小二乘方法进行估计。函数模型为

(2)

2 实例分析

2.1 数据说明

利用1个IGS站shao及上海10个CORS站在2013年1月8日的双频观测数据。软件处理数据前,需要下载精密星历(SP3)、钟差文件(CLK)、码偏差(DCB)、极移信息(ERP)等准备文件,需要编写测站信息文件(STA)及地壳板块文件(PLD)。本文使用迅雷下载相应的数据,具体步骤是:将预编辑好的FTP地址,存入txt文档,然后导入迅雷下载即可。以shao站RINEX数据获取为例,按下面所示编辑好文本后,打开迅雷即可快速下载shao站从2013.1.1-2013.1.8的数据。

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 数据处理步骤及结果展示

将所需数据准备完毕后,运行MENU>BPE>Start BPE process,分别运行完PPP.PCF及RNX2SNX.PCF之后,得到最终坐标文件F1_130080.CRD及标准轨道文件IGS130080.STD[9],具体过程见参考文献[9]。

2.2.1 IONEST模块步骤

利用之前得到的结果文件,运行MENU>Service>Ionospheretools>Local Ionosphere-model-estimation,如图1,2,3所示。

图1 IONEST模块

图2 IONEST输入选项

图3 IONEST操作选项

如果想在每个时段得到多个电离层模型,只需要运行Bernese自带的分割模块(Menu>Service>Bernese observation files>Split observation files),再运行IONEST即可得到多组系数。不过此时需要自己手动将得到的各个电离层模型文件组合到一个共同的文件[8]。

2.2.2 GPSEST模块步骤

运行MENU>Processing>Parameter estimation。此处既可以选择对非差数据进行分析,也可以对双差数据进行分析,如图4所示。