刘宸,王威,姜意,徐奥,朱伟刚

(1.北京卫星导航中心,北京 100094;2.生态环境部卫星环境应用中心,北京 100094)

0 引 言

电离层对全球卫星导航系统(GNSS)的影响主要表现在多普勒频移、信号振幅衰减、幅度和相位闪烁效应、信号调制码群延、载波相位超前、磁暴和电离层误差对差分定位的影响等[1-2].电离层延迟误差是影响卫星导航定位的主要误差源之一,电离层修正算法是影响用户定位精度的关键因素.为减弱电离层延迟误差对导航用户的影响,北斗卫星导航系统(BDS)基本导航服务提供Klobuchar模型来修正该误差[3],模型参数每两小时更新1次.BDS Klobuchar模型在中国区域的修正精度略高于GPS Klobuchar模型,修正率约70%[4],但夜间常值和初始相位的固定限制了模型修正精度[1,5].BDS同时提供广域差分服务,为用户提供高更新频率及高更新精度的格网点电离层信息[3].

电离层除了会随着昼夜、季节以及太阳活动变化产生周期性变化外[6-7],还极易受空间环境因素的影响,出现非周期性的扰动变化.由太阳活动喷发粒子流引起的太阳风会与地球磁场和电离层作用,从而发生磁暴、电离层暴、热层暴和高能粒子暴等[8].这些自然现象都将显著影响地球周围的带电粒子数,导致电离层出现几小时至数十天剧烈的扰动,对电离层的日变化规律产生显著影响.由中国科学院国家空间科学中心空间环境预报中心网站(http://www.sepc.ac.cn)可知,2017年1月—2018年10月共发生41次太阳x射线耀斑事件、10次太阳质子事件、285次高能电子暴和192次地磁暴事件,如表1所示.这给GNSS的电离层修正带来了严峻挑战.

表1 2017年1月—2018年10月太阳活动事件和地磁事件

受当时在役卫星数目的限制,文献[9]仅利用BDS 2012年18个格网点(IGP)的数据对格网点电离层信息进行了评估.但随着BDS的发展与服务性能提升,格网点电离层信息的有效服务范围和服务能力稳步提升, 但目前缺少对BDS格网点电离层信息较为全面客观的评价.本文将利用近期数据对BDS格网点电离层信息的服务范围、服务精度和抗扰动能力进行评估,为BDS格网点电离层信息应用和研究提供依据.

1 BDS格网点电离层信息

格网点电离层信息更新频率为6 分钟/次,覆盖范围为东经70°～145°,北纬7.5°～55°,按经度5°×纬度2.5°进行划分,形成320个格网点.具体格网点编号如图1所示.

格网点电离层垂直延迟参数为该格网点B1I频点的电离层垂直延迟(VTEC),用距离表示,单位为m,比例因子为0.125,电离层垂直延迟量范围为0～63.625 m,63.750 m表示格网点未被监测,63.875 m表示格网点不可用.用户使用时需将格网值内插得到观测卫星穿刺点处的电离层改正数,计算电离层穿刺点时电离层薄层模型参考高度为375 km[3,5].当用户穿刺点所在格网点周围至多有1个点未被监测或不可用时,可以采用文献[3,10-11]给出的双线性内插法进行内插,需要指出的是当只有3个格网点可用时,未被监测或不可用格网点的权重为0.其他频点的延迟可以通过乘以比例因子k=f12/fi2(i=2,3;其中fi表示Bi信号的标称载波频率进行转换.

图1 格网点编号[3]

2 评估理论与方法

2.1 评估策略

格网点电离层信息更新频率为6 min/次,利用最新发布的电离层信息评估作为评估基本原则.利用格网点电离层信息更新后6 min内电离层穿刺点处的VTEC评估最新发布的格网点电离层信息修正精度,指标包括偏差Bias和修正率V,即

(1)

100%.

(2)

2.2 双频电离层VTEC计算方法

本文采用双频数据求得VTEC,作为参考值进行评估.根据卫星导航定位原理,利用BDS伪距观测方程,计算B1、B2频点的伪距之差,可以得到

-Mbias12],

(3)

VTEC=STEC·cosz,

(4)

式中:VTEC为天顶方向电离层电子总含量;STEC为观测路径上的总电子含量;z为穿刺点的天顶距.

3 试验分析

3.1 长期精度评估分析

以B1、B2双频解算的VTEC作为参考值,以2017年1月—2018年10月的格网点电离层信息为样本,评估格网点电离层信息的偏差、修正率,既包括平静时期,也包括扰动时期.图2示出了2017年1月—2018年10月每天的格网点电离层信息修正率和修正偏差变化情况.从图中可知,格网点电离层信息修正率在75%～92%,大部分优于85%.大部分优于2 TECU.

经统计,长期格网点电离层信息修正率的均值、最大值、最小值依次为86.7%、91.3%、76.6%,修正偏差的均值、最大值、最小值依次为1.62 TECU、2.93 TECU、1.08 TECU,优于2012年的平均修正偏差(2.34 TECU)[9].

图2 2017年1月—2018年10月格网点电离层信息修正偏差和修正率

图3示出了格网点电离层信息某时刻的修正偏差,可以看出有效覆盖区域占格网点电离层信息覆盖区域的1/2左右,基本覆盖了中国区域.在有效覆盖区域内,大陆及周边地区格网点电离层信息修正精度较好,偏差均在3 TECU以内,大部分在2 TECU以内,部分南海区域修正精度较差,修正偏差可达5.5 TECU.无效覆盖和修正精度较差的原因主要受测站分布影响,导致该地区无电离层穿刺点或者有效穿刺点数目不足,或者卫星高度角过小导致接收数据质量较差.

图3 某一时刻的格网点电离层信息修正偏差

为了准确分析格网点电离层信息和地磁活动、太阳活动间的相关性,图4示出了2017年1月至2018年10月地磁活动指数(KP)和太阳活动指数(F10.7)随时间的变化，图5示出了格网点电离层信息与KP、F10.7指数的互相关图.可以发现格网点电离层信息的修正偏差与地磁活动、太阳活动的相关系数分别为(0.85、0.98),略低于格网点电离层信息的修正率与地磁活动、太阳活动的相关系数(分别为0.86、0.99).

图4 地磁活动和太阳活动指数

图5 格网点电离层信息与地磁活动、太阳活动间互相关图

3.2 修正精度季节变化分析

图6和图7分别示出了不同月份格网点电离层信息修正偏差和修正率的分布.从图中可以看出2017年1月、7月、9月、12月,修正偏差变化波动大,2017年10月、11月、12月和2018年1月,修正偏差较大;2017年1月、7月、9月、11月、12月和2018年1月,修正率变化波动大,2017年1月、11月、12月和2018年1月,修正率较低.

注:其中红色线为当月修正偏差中位数,蓝色框线上下端分别为修正偏差的上四分之一界点Q1、下四分之一界点Q2,黑色上下线为内限2.5×Q1-1.5× Q2和2.5×Q2-1.5× Q1.

注:其中红色线为当月修正偏差中位数,蓝色框线上下端分别为修正偏差的上四分之一界点Q1、下四分之一界点Q2,黑色上下线为内限2.5×Q1-1.5× Q2和2.5×Q2-1.5× Q1.

表2 不同季节格网点电离层信息修正精度

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示出了有效覆盖区域内不同季节格网点电离层信息修正精度差异.由表2可知,冬季格网点电离层信息平均修正偏差为1.96 TECU,其他季节修正偏差均优于1.60 TECU;冬季格网点电离层信息平均修正率为82%,其他季节平均修正率均高于87%.综合可知,冬季格网点电离层信息修正精度较其他季节低,且具有更强的波动性.格网点电离层信息的修正误差主要受电离层电子密度的影响[9],而电离层冬季异常现象在北半球常年发生，可能导致冬季修正精度略低.

3.3 修正精度日变化分析

图8示出了格网点电离层信息平均VTEC和修正精度随北斗时间的变化.由图中可知,格网点电离层信息平均修正偏差白天(BDT 0:00-12:00)高于夜间(BDT 12:00-24:00),白天具有规律的单峰结构,约在BDT 7:00达到峰值,约为1.93 TECU,夜间有较为平缓的变化,约为1.45 TECU,与平均电离层TEC具有较为一致的变化趋势;格网点电离层信息平均修正率白天高于夜间,全天具有较为平缓的单峰结构,在BDT 7:00左右达到峰值,约91%,在BDT 22:00达到最低点,约为80%.

3.4 抗扰动能力分析

2017年9月5日00:40—9月9日00:40发生了太阳质子事件,在8日00:35达到峰值,2017年9月8日发生了大地磁暴(Kp=8);2017年9月10日15:35发生X8.2级耀斑事件,于11日11:40达到峰值.下面分析此阶段格网点电离层信息的变化.

图9示出了扰动期间低纬地区的格网点电离层信息修正情况.可知,6日电离层并无显著异常变化,格网电离层的修正精度仍能保持在95%以上;7日电离层出现异常变化,导致格网电离层的修正精度下降,但基本优于90%.8日爆发的大地磁暴对电离层异常扰动十分明显.期间格网电离层的修正精度出现明显下降.随着扰动的结束,格网电离层的修正精度能迅速恢复到较高水平.10日出现的耀斑事件导致格网电离层的修正能力出现持续的偏低.由于格网电离层是利用最近6 min的电离层观测数据求解所得,具有一定的实时性,经过格网电离层修正后与电离层的变化最大时相差约10 TECU.但基于快速更新能力,修正精度能迅速地恢复至正常水平.从整体上看,在上述空间事件集中爆发的这几天内,格网电离层的修正精度基本能保持在80%以上,与电离层VTEC参数相差基本在3 TECU以内.

图9 电离层扰动期间低纬度地区电离层变化、格网点电离层信息修正情况

图10示出了电离层扰动期间有效覆盖区内的格网电离层修正精度.可以看出在该扰动时段内,格网电离层修正精度会出现较大波动,但修正率均优于70%,均值为85%，修正偏差均小于3.2 TECU,均值约为1.5 TECU.文献[13-14]给出Klobuchar模型在应对扰动事件时，修正率会下降40%～60%,对比可见,格网电离层的修正性能具有较强的抗拢动能力.

图10 电离层扰动期间有效覆盖区内的格网电离层的修正情况

4 结束语

利用2017年1月—2018年10月的数据对BDS格网点电离层信息的服务范围和服务精度进行评估,得出以下结论:

1)格网点电离层信息有效覆盖区域基本覆盖中国全域,约占格网点电离层信息覆盖区域的1/2,在有效覆盖区域内,格网点电离层信息修正精度普遍较好,偏差均在3 TECU以内,大部分在2 TECU以内;;

2)格网点电离层信息日修正偏差最大不超过2.93 TECU,最小可达1.08 TECU,平均修正偏差为1.62 TECU,日修正率最高可达91.3%,最低优于76.6%,平均修正率为86.7%;

3)格网点电离层信息冬季修正精度较低且波动较大,修正率约为82%,修正偏差为1.96 TECU,其他季节修正率和偏差分别均优于87%和1.60 TECU;

4)格网点电离层信息修正偏差、修正率白天均高于夜间,均具有单峰结构;

5)电离层扰动期间,格网点电离层信息修正精度较高且变化较小.

6)在高能粒子暴、太阳质子事件、地磁暴等拢动期间，格网电离层信息修正精度较高且变化较小，具有较强的抗拢动能力.