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多系统GNSS 全球电离层监测及差分码偏差统一处理

聂文锋  
【摘要】:全球电离层格网产品是全球用户获得电离层总电子含量信息最直接的来源。影响电离层格网产品精度的电离层观测量以及函数模型精度最终都反映在全球电离层格网产品中。一方面,多频多模GNSS(包括GPS,GLONASS,BDS和Galileo)意味着更多的卫星数量、信号类型及复杂的星座构成,为GNSS电离层观测量提取与建模带来了全新的机遇与挑战;另一方面,以精密单点定位技术为代表的高精度GNSS大地测量手段越来越成熟,为电离层精细化监测提供了另外一种手段与途径。差分码偏差参数蕴含于电离层观测量中,与电离层函数模型系数同时估计,相互耦合。分离出差分码偏差的电离层观测量即为电离层总电子含量。因此差分码偏差参数与电离层观测量及函数模型都相关,是电离层总电子含量提取与建模的重要误差源。本文针对GNSS电离层中涉及的多系统全球电离层观测量提取、建模与监测以及差分码偏差的统一处理问题,系统开展了以下几个方面的研究工作:一、建立了多系统GPS/GLONASS/Galileo/BDS全球球谐电离层模型,并生成了IONEX全球格网产品SDU。目前IGS电离层分析中心提供的电离层格网产品主要以相位平滑伪距观测量作为电离层观测量,随着多系统GNSS的发展,GNSS电离层观测资料日益丰富。本文首先基于相位平滑伪距观测量建立了多系统GNSS全球电离层模型,并分析比较了不同全球电离层格网产品的精度。以2018年7月CODE发布的电离层格网最终产品为参考,本文统计评估了 SDU/JPL/ESA/UPC四家机构提供的电离层格网产品,结果表明ESA/JPL/UPC/SDU与CODE的平均偏差Bias为0.07,-1.99,-0.84,-0.13 TECU,均方根误差RMS 分别为1.15,2.19,1.45,1.64 TECU。二、评估了相位平滑伪距和PPP电离层观测量的精度,并进一步基于双层层析技术,分析比较了单层与双层全球电离层层析模型的精度。首先,针对相位平滑伪距和非差模糊度固定PPP电离层观测量,基于六组共站单差实验,评估了 2014年年积日150-180期间两者的精度,结果表明:非差模糊度固定PPP电离层观测量的精度均优于相位平滑伪距。具体而言,非差模糊度固定PPP电离层观测量的精度为0.05-0.11 TECU,而相位平滑伪距观测量精度为0.65-1.65 TECU,说明非差模糊度固定PPP电离层观测量精度要高于相位平滑伪距观测量一个数量级。其次,基于小时解接收机DCB,量化分析了接收机间DCB变化(BR-DCB)对单差电离层观测量的影响,结果表明:接收机DCB变化是电离层观测量误差的主要来源。最后,本文评估了不同太阳活动下不同电离层观测量与函数模型下的全球电离层模型的精度,包括以相位平滑伪距电离层观测量和球谐函数模型建立的EHRG,以PPP电离层观测量和球谐函数模型建立的GAG1以及以PPP电离层观测量和双层层析函数模型建立的FPPP。结果表明:(1)不论在太阳活动弱和强时,FPPP模型的精度均是最优,RMS值最小(太阳活动弱时为0.73TECU和太阳活动强时为2.12 TECU),其次是GAG1和EHRG;(2)EHRG和GAG1的比较结果表明,相对于相位平滑伪距电离层观测量,PPP电离层观测量精度更高,用于建模的效果更好;(3)相对于采用单层模型的GAG1,同样采用PPP电离层观测量,但是采用双层层析的FPPP模型的精度更高,改正效果更为明显。进一步基于单频伪距单点定位结果表明不同太阳活动强度下,采用FPPP进行电离层改正的定位结果最优,其次是GAG1和EHRG。具体而言,相对于EHRG,在太阳活动弱和强时,采用FPPP误差改正的定位精度最大能提高32%和38%。以上结论表明:GNSS电离层产品最终的精度取决于电离层观测量与函数模型的精度,高精度的电离层观测量需要匹配高精度的电离层函数模型。具体而言,全球球谐函数模型的精度与相位平滑伪距电离层观测量的精度相当,但是全球球谐函数模型无法反映PPP电离层观测量的精度,而基于双层层析的FPPP模型更适合于PPP电离层观测量的建模。三、实现了 GPS/GLONASS卫星差分码偏差的频内与频间偏差估计。差分码偏差是电离层TEC提取的最大误差源。本文基于IGS测站分析了GPS/GLONASS卫星频内与频间偏差的精度与稳定性。以2018年7月CODE发布DCB月产品为参考,在频内偏差方面,SDU解算GPS P1C1和P2C2产品月稳定度为0.07和0.06ns,与CODE的均方根误差为0.09和0.13ns,GLONASS P1C1和P2C2月稳定度为0.18和0.08ns,与CODE的均方根误差为0.29和0.27ns;在频间偏差方面,SDU解算GPS和GLONASS P1P2月稳定度为0.03和0.09ns,与CODE的均方根误差分别为0.04和0.19ns。整体而言,SDU解算出的GPS/GLONASS卫星频内和频间偏差精度与目前国际水平相当。四、分析了 GPS卫星差分码偏差参数的短时稳定性,并揭示了接收机差分码偏差与电离层TEC模型误差的耦合关系,以及以温度为主的物理因素对差分码偏差的影响。首先,基于2014年年积日150-180期间观测数据,计算了 GPS卫星DCB小时解的结果。研究表明:GPS卫星一个月平均的DCB单天标准差为0.20ns左右,且每颗卫星DCB的稳定性都相差不大;而DCB月度标准差由于单日边界不连续性(DBD)的影响,范围为0.60到0.75ns之间,平均0.70ns左右。其次,在DCB变化与模型误差耦合方面,电离层模型误差和DCB变化的季节性和纬度特性证明了电离层模型误差与DCB变化相互耦合。而引起电离层模型误差季节性变化或DCB变化季节性的因素很大程度归因于太阳活动,即太阳活动的周日/周年变化影响电离层TEC模型误差的周期性变化。由于太阳活动周日特性导致了电离层模型误差的周日特性,小时解接收机DCB受太阳活动影响高于单天解接收机DCB,小时解DCB与太阳活动指数GEC相关性最高达到83.4%。最后,在DCB随温度变化方面,BR-DCB变化与温度变化的相关性,因不同的接收机配置而不同,在本文中,两者相关系数最大能达到84%(HERT-HERS),且随着绝对温度的升高,相关性增强。另一方面,由于单差接收机DCB可能抵消非差接收机DCB随温度变化的趋势项,因此,基于BR-DCB变化与温度变化实验计算的相关系数可以认为是DCB与温度相关性分析的最低限度,实际中非差DCB与温度相关性应该高于本文计算结果。五、实现了多系统GPS/GLONASS/Galileo/BDS差分码偏差的估计,并进一步分析了多系统差分码偏差向绝对码偏差统一的必要性,并给出了统一处理流程及计算结果。基于MGEX测站研究了多系统GPS/GLONASS/BDS/Galileo卫星和接收机差分码偏差的精度与稳定性。SDU解算的2018年7月的多系统差分码偏差与DLR产品相比,GPS C1C-C2W、C1C-C5X、C1C-C5Q平均外符合精度RMS分别为0.07、0.12和0.09ns,平均月稳定度为0.09、0.07和0.08ns;GLONASS C1C-C2P和C1C-C2C的平均外符合精度RMS为0.14和0.20ns,平均月稳定度均为0.09ns;BDS C2IC7I和C2IC6I平均外符合精度RMS分别为0.17和0.29ns,平均月稳定度均为0.10ns;Galileo C1X-C5X、C1X-C7X、C1X-C8X、C1C-C5Q、C1C-C7Q和C1C-C8Q六种类型DCB的平均外符合精度RMS为0.07,0.08、0.28,0.08,0.09和0.08ns,平均月稳定度分别为0.07,0.07,0.26,0.09,0.09和0.09ns。进一步,以GPS C1XC5Q观测值进行消电离层组合伪距定位为例,阐明了多系统差分码偏差统一处理的必要性,并介绍了多系统差分码偏差统一处理的基本原理,即通过卫星钟差基准,将差分码偏差还原为绝对码偏差。本文最后给出了详细的处理流程以及计算结果。同样以GPS C1XC5Q观测值进行消电离层组合伪距定位为例,证明了统一后的多系统绝对码偏差相对于差分码偏差的巨大优势。


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