HOI延迟对BDS对流层参数估计的影响.pdf
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1、第4 3卷 第9期2 0 2 3年9月大 地 测 量 与 地 球 动 力 学J o u r n a l o fG e o d e s ya n dG e o d y n a m i c sV o l.4 3N o.9S e p t.,2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-1 0-3 0第一作者简介:方卓,助理工程师,主要研究方向为卫星导航定位方法与技术,E-m a i l:1 7 5 5 8 7 7 8 9 3q q.c o m。通讯作者:魏僮,硕士生,主要研究方向为卫星导航定位方法与技术,E-m a i l:7 2 7 4 2 9 0 8 0q q.c o m。D O I:1 0.1 4
2、0 7 5/j.j g g.2 0 2 3.0 9.0 0 3文章编号:1 6 7 1-5 9 4 2(2 0 2 3)0 9-0 8 9 3-0 6H O I延迟对B D S对流层参数估计的影响方 卓1 魏 僮2 房海若3 张兵良41 南京数维测绘有限公司,南京市砖墙经济园3 6 7号,2 1 1 8 0 82 沈阳建筑大学交通与测绘工程学院,沈阳市浑南中路2 5号,1 1 0 1 6 83 中北大学材料科学与工程学院,太原市学院路3号,0 3 0 0 5 14 南京农业大学公共管理学院,南京市卫岗1号,2 1 0 0 9 5摘 要:基于GAM I T 1 0.7 1研究高阶电离层(h i
3、g h-o r d e ri o n o s p h e r e,HO I)延迟对于北斗卫星导航系统(B D S)B 2 I、B 2 a和B 3 I三种频段信号对对流层参数估计的影响。实验结果表明,太阳活动低水平时期,HO I延迟对B 2 I天顶总延迟(z e n i t ht o t a l d e l a y,Z T D)、南北梯度(N Sg r a d)和东西梯度(EWg r a d)的影响最大分别达到0.8 0mm、0.6 0mm和0.9 9mm,对B 2 a的Z T D、N Sg r a d和EWg r a d的影响最大分别达到3.6 0mm、1 0.7 7mm和1 0.7 4mm,
4、对B 3 I的Z T D、N Sg r a d和EWg r a d的影响最大分别达到1.6 0mm、3.2 8mm和5.9 0mm;太阳活动高水平时期,HO I对对流层参数估计产生了更大影响。实验结果进一步表明,HO I对对流层参数估计的影响呈现出白天高于夜晚、低纬度地区高于高纬度地区的特征。关键词:高阶电离层(HO I)延迟;频段信号;太阳活动低水平;太阳活动高水平;对流层参数估计中图分类号:P 2 2 8 文献标识码:A 从2 0世纪末开始,GN S S不仅广泛应用于大地测量,而且还广泛应用于大气参数估计1-3。当GN S S信号通过大气层时,它会受到电离层和对流层误差的影响。使用两个不同
5、的载波相位和测距码,可以将电离层误差的一阶项从方程中消除4-5。然而,电离层误差的二阶项和三阶项误差通常被 忽 略。随 着 科 学 技 术 的 进 步 和 高 精 度GN S S的应用,如位置或大气参数估计,高阶电离层(HO I)延迟对GN S S的影响已不再可以忽略。GN S S信号因对流层延迟产生的误差只能通过建立相应的模型进行消除。对流层延迟由两部分组成:天顶静 力学 延 迟(z e n i t hh y d r o s t a t i cd e l a y,Z HD)和天顶湿延迟(z e n i t hw e td e l a y,ZWD)。Z HD通常与大气中气体的浓度有关,而ZWD
6、则与温度、压力和湿度等大气参数有关2,6。对流层延迟和梯度可从GN S S观测中估算,GN S S观测已广泛用于全球和区域层面的大气研究和预测,使用其近实时、实时或后处理解决方案7-9。一些学者研究HO I延迟对GN S S定位的影响,C a i等1 0研究HO I对多模GN S S精密单点定位(P P P)的影响,结果表明,HO I延迟可以影响多模GN S SP P P的三维位置解,最大值为6mm;Z h o u等1 1研究HO I延迟对实时动态定位(r e a l t i m ek i n e m a t i c,R T K)模糊度固定可靠性的影响,结果表明,在电离层活跃期,HO I延迟对
7、双差(d o u b l ed i f f e r e n c e,D D)网络解的影响达到7mm,在GN S S数据处理中可影响模糊度固定成功率达3 0%,当新卫星出现时,HO I延迟影响更为显著,可改变约0.3%的模糊度修正结果。此外,HO I延迟也会在定位解决方案中引入几mm的误差。本文通过GAM I T 1 0.7 1分析澳大利亚地区8个MG E X(m u l t i-GN S Se x p e r i m e n t)跟踪站的B D S数据,分别在太阳活动低水平和高水平时期比较HO I延迟对于B 2 I、B 2 a和B 3 I三种频段信号对对流层参数估计的影响。1 数据与方法1.1
8、 测站选择考虑到B D S的B 2 I频段信号主要服务于亚太地区,因 此 本 次 实 验 选 择 澳 大 利 亚 地 区 的MG E X跟踪站。按照连续性、稳定性、高精度、多种解、平衡性和精度一致性等原则1 2,选取8个MG E X跟 踪 站(A L I C、C E DU、HO B 2、KA R R、大 地 测 量 与 地 球 动 力 学2 0 2 3年9月KAT 1、MCHL、MO B S、NNO R)。其中,太阳活动低水平时期,通过GAM I T 1 0.7 1解算MG E X跟踪站B D S数据的日期为2 0 2 2-0 8-0 10 5;太阳活动高水平时期,则为2 0 2 2-0 8-
9、2 52 9。1.2 算法原理电离层高阶项效应的载波相位和伪距观测方程可表示为:L i=+Z T D-HO I+c(tr-ts)+NL i+r-s+vL iP RL i=+Z T D+HO I+c(tr-ts)+dr-ds+vP RL i (1)式中,L i(i=1,2)为信号频率,为卫星到GN S S接收机之间的几何距离,c tr和c ts为卫星和接收机的时钟误差,为波长,Ni为相位模糊度,r和dr是接收机硬件误差,s和ds是卫星硬件误差,vL i和vP RL i为相位和伪距残差。通过使用无电离层组合(i o n o s p h e r e f r e e,I F)的D D网络解能够消除电离
10、层一阶项延迟,但电离层二阶和三阶项延迟仍然保留。二阶项延迟与电离层折射率上的地磁场有关,而三阶项延迟与射线弯曲误差有关。因此,在高精度GN S S应用中使用地磁场模型是必要的。I G R F(i n t e r n a t i o n-a lg e o m a g n e t i cr e f e r e n c ef i e l d)模型向用户提供北向、东向和垂直向下方向的地磁场分量。由于信号传播路径上的分量不同,因此在广义坐标系中,I G R F模型数据采用矢量表示。对于每个频率观测值,二阶项(I(2)d,L i)可表示为:I(2)d,L i=e Af3L i2 meB|c o s|T E
11、 C(2)三阶项(I(3)d,L i)可以表示为:I(3)d,L i=3A28f4L iNe,m a xT E C(3)式中,A=8 0.6m3/s2,e=1.6 0 21 81 0-1 9为库仑电子,me=9.1 0 93 91 0-3 1k g为 电 子 质 量,B为地磁感应矢量B的大小,为函数因子(常取近似值0.6 6),Ne,m a x为电子峰值密度,信号传播路径中的T E C可表示为:T E C=f2L1f2L24 0.3(f2L1-f2L2)(P RL1-P RL2-c(D C Br+D C Bs)+L1L2)(4)式中,fL i(i=1,2)是GN S S信号频率,D C Br和
12、D C Bs分别是接收机和卫星的差分码偏差(即两个频率间的硬件延迟),c为真空中的光速,L1L2为所有未建模的残差效应。通过GAM I T 1 0.7 1软件分别处理HO I校正前后的B D S数据,使用相同的处理策略,即I F的线性组合(l i n e a rc o m b i n a t i o n,L C)、S a a s t a m o i n-e n模型和全球映射函数(g l o b a lm a p p i n gf u n c-t i o n,GMF)模 型。此 外,GAM I T 1 0.7 1软 件 的D D网络解方案中使用了F E S 2 0 0 4全球海潮模型、I T R
13、 F 2 0 1 4固体潮模型、U S NOB u l l e t i n-b地球定向参数模型、1 3参数E C OMC光压模型以及C O D E(C e n t e rf o rO r b i tD e t e r m i n a t i o ni n E u-r o p e)时 钟 和 轨 道 参 数 的 最 终 产 品。最 终,GAM I T 1 0.7 1的对流层延迟和梯度输出的时间分辨率设置为1h。对流层延迟可表示为:Td=TWd+TDd=TZWdMFw e t()+TZ DdMFd r y()+Ad(,)(5)式中,Td为对流层延迟,TWd和TDd为对流层干、湿延迟,TZ Dd和T
14、ZWd为天顶干、湿延迟,MFd r y和MFw e t分别为干、湿映射函数,为卫星高度角。大气延迟中Ad(,)的方位不对称效应包含在模型中,可表示为:Ad(,)=N Sg r a dc o sMF()+EWg r a ds i nMF(),MF=1s i nt a n+0.0 0 32(6)式中,为方位角,N Sg r a d和EWg r a d分别是南北梯度和东西梯度,MF()是梯度的映射函数。综上所述,MG E X跟踪站B D S数据处理策略之间的唯一区别在于是否应用HO I的电离层模型文件I ON E X。通过式(1)中表示的数学模型,估算选定MG E X跟踪站的对流层Z T D和梯度。
15、在载波相位模糊、站坐标固定、使用卫星轨道和时钟相同的情况下,作为未知数进入方程的唯一参数是Z T D、梯度分量N Sg r a d和EWg r a d。因此,D D网络解的估计参数向量可表示为:X=(Z T D,N Sg r a d,EWg r a d),Z T D=TZWd+TZ Dd(7)2 算例分析2.1 太阳活动低水平时期中国空间环境预报中心发布太阳活动状况如表1所示,2 0 2 2-0 8-0 10 5太阳活动整体处于极低水平状态,其中0 8-0 5射电流量和太阳黑子数较高,但仍处于太阳活动低水平状态。2.1.1 HO I对对流层Z T D和梯度估计的影响统计B D S的Z T D在
16、HO I延迟改正前后差值(d i f f e r e n c e,D i f f)的均值(m e a n)和均方 根值(RM S),如表2(单位mm)所示。综合比较HO I延迟改正前后MG E X跟踪站B D S的Z T D差值m e a n和RM S,并 绘 制 出m e a n和RM S综 合 数 值498 第4 3卷第9期方 卓等:HO I延迟对B D S对流层参数估计的影响表1 太阳活动低水平时期状况T a b.1 S t a t u so f l o ws o l a ra c t i v i t y日期射电流量1 0.7c m太阳黑子数X射线背景耀斑X射线耀斑光学耀斑CMXS123
17、质子流量(G O E S 1 3)大于1 0M e VP r o t o n s/(c m2d a ys r)电子流量(G O E S 1 3)大于2M e VE l e c t r o n s/(c m2d a ys r)地磁Ap指数2 0 2 2-0 8-0 19 53 2B 2.000030003.3 01 043.5 01 0682 0 2 2-0 8-0 29 83 1B 2.820040003.3 01 046.5 01 0692 0 2 2-0 8-0 31 0 03 7B 2.420001003.2 01 044.3 01 0692 0 2 2-0 8-0 41 0 95 2B
18、 3.501010003.2 01 045.6 01 0662 0 2 2-0 8-0 51 1 46 9B 4.040040003.2 01 041.7 01 066表2 Z T D差值m e a n和RM ST a b.2 M e a na n dRM Sv a l u e so f t h eZ T DMG E X跟踪站B D S-B 2 IB D S-B 2 aB D S-B 3 Im e a nRM Sm e a nRM Sm e a nRM SA L I C0.1 20.2 10.6 81.1 30.1 40.1 9C E D U0.1 30.2 50.2 70.3 80.1 60
19、.2 1HO B 20.1 20.2 10.6 81.1 30.1 40.1 9KA R R0.1 60.2 60.4 80.5 70.1 80.2 2KA T 10.1 40.3 20.5 90.8 60.2 00.2 4MCHL0.1 30.2 10.4 30.5 40.3 20.4 7MO B S0.1 80.2 80.3 00.3 70.1 90.2 6NN O R0.1 50.2 60.3 50.4 20.1 80.2 4较大的MG E X跟踪站B D S的Z T D和Z T D差值的时间序列图(图1)。由图1可知,KAT 1测站B 2 I的Z T D时间序列图整体重合较好,没有明显
20、差异,Z T D差值峰值出 现 在G P S时(G P S T)0 8-0 13:0 0,达 到0.8 0mm;HO B 2测站B 2 a的Z T D时间序列图出现几处明显偏差,Z T D差值峰值出现在G P S T0 8-0 52 0:0 0,达到3.6 0mm;MCHL测站B 3 I的Z T D时间序列图整体一致性较好,Z T D差值峰值图1 Z T D和Z T D差值时间序列F i g.1 T i m es e r i e so f t h eZ T Da n dZ T Dd i f f e r e n c e s出现在G P S T0 8-0 31 4:0 0,达到1.6 0mm。统计
21、B D S的梯度在HO I延迟改正前后的差值m e a n和RM S值,如表3(单位mm)所示。综合比较HO I延迟改正前后MG E X跟踪站B D S的梯度差值m e a n和RM S值,并绘制m e a n和RM S综合数值较大的MG E X跟踪站B D S的梯度和梯度差值的时间序列图(图2,图3)。表3 南北和东西梯度差值m e a n和RM ST a b.3 M e a na n dRM Sv a l u e so f t h eN Sa n dEWg r a d i e n t sd i f f e r e n c e sMG E X跟踪站B D S-B 2 IB D S-B 2 a
22、B D S-B 3 IN Sg r a dEWg r a dN Sg r a dEWg r a dN Sg r a dEWg r a dm e a nRM Sm e a nRM Sm e a nRM Sm e a nRM Sm e a nRM Sm e a nRM SA L I C-0.1 40.2 0-0.0 30.2 51.2 01.9 92.2 63.3 10.1 30.1 40.1 90.3 4C E D U-0.0 70.1 7-0.0 50.2 70.6 50.8 60.9 11.1 60.1 00.1 10.1 90.3 5HO B 2-0.3 10.3 70.0 80.1 11
23、.3 72.7 30.3 50.4 70.2 60.3 60.3 70.6 2KA R R-0.0 90.2 50.1 00.3 50.9 61.1 80.9 61.1 90.2 00.2 40.1 40.1 7KAT 1-0.1 40.2 9-0.3 50.6 01.5 92.1 31.5 82.7 10.2 60.3 90.2 20.3 8MC HL-0.1 60.1 9-0.0 60.2 20.9 81.2 21.1 91.5 00.6 51.0 21.0 51.7 0MO B S-0.1 80.2 2-0.0 20.1 80.5 20.7 10.6 10.8 90.1 10.1 60.
24、2 90.5 2NN O R-0.1 80.3 1-0.1 40.4 00.5 30.6 41.9 02.5 60.1 20.1 50.0 70.0 9 通过图2和图3可知,HO B 2和KAT 1测站B 2 I的N Sg r a d和EWg r a d时间序列图整体一致性较好,没有出现明显偏差。N Sg r a d和EWg r a d差值峰值出现在G P S T0 8-0 30 0:0 0和2 3:0 0,分别达到0.6 0mm和0.9 9mm。HO B 2和A L I C测站B 2 a的N Sg r a d和EWg r a d时间序列出现几处明显的不重合。N Sg r a d和EWg r
25、a d差值峰值均出现在G P S T0 8-0 62 3:0 0,分别达到1 0.7 7 mm和1 0.7 4 mm。MCHL测站B 3 I的N Sg r a d和EWg r a d时间序列图整体一致性较好,但在0 8-0 3出现明显偏差。N Sg r a d和EWg r a d差值峰值出现在G P S T0 8-0 32 3:0 0和0 0:0 0,分别达到3.2 8mm和5.9 0mm。2.1.2 HO I在昼夜对流层Z T D估计中的影响进一步研究HO I延迟对于白天(d a yt i m e)和夜晚(n i g h t t i m e)Z T D估计的影响。为便于研究,本次实验仅绘制部
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