Availability analysis for ionospheric gird model in China areas under multi-GNSS observations
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摘要: 多系统全球卫星导航系统(GNSS)的出现为天基增强系统(SBAS)电离层格网模型的性能提升提供了可能，但多系统GNSS测量对电离层格网模型性能提升是有条件的. 为此，利用中国区域GPS观测模拟分析了多系统GNSS测量对中国区域电离层格网模型可用性的影响. 结果表明：多系统GNSS测量可有效提高电离层格网模型的覆盖范围. 中国南方地区存在低纬赤道电离异常(EIA)现象，严重影响SBAS电离层格网模型实现性能，单纯增加GNSS测量不能有效应对低纬电离异常现象影响. 中国北方地区电离层延迟变化平缓，在多系统GNSS测量情况下可以考虑减少地面监测站数量，仍能保持系统原有性能.
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关键词:
- 电离层 /
- 赤道电离异常 /
- 天基增强系统(SBAS) /
- 格网模型
Abstract: While multi-Global Navigation Satellite System (GNSS) observation make it possible for a better performance of ionospheric model for Space Based Augmentation System (SBAS), the potential improvement depends on various factors. The paper analyzes the availability of ionospheric grid model for SBAS covering China and around areas under multi-GNSS scenarios. The results show that the covering area of grid model could be extended with multi-GNSS measurements. But for southern China, where equatorial ionolization anomaly (EIA) exists, the performance improves marginally as the increased observations cannot counter effectively the EIA’s serious impacts on grid model. In northern China, the ionosphere varies smoothly and multi-GNSS observations are helpful to reduce the number of sites while maintains the system performance. -
0. 引 言
全球卫星导航系统（GNSS）可以提供基本的导航、定位和授时（PNT）服务. 同时，为了满足特殊用户更高性能的应用需求，多个国家或地区建设了GNSS天基增强系统（SBAS），典型系统包括美国的WAAS （Wide Area Augmentation System）、欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）、日本的多功能GPS卫星星基增强系统（MSAS）、印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN）系统等. 同时，我国也在规划建设北斗天基增强系统（BD SBAS）[1].
SBAS采用格网模型进行电离层误差的高精度修正，及相应的系统完好性实现. 在电离层格网模型实现中，利用地面区域GNSS监测站网的观测数据进行模型参数估计[2].
多系统GNSS的出现，可以为SBAS提供更多电离层环境测量，在同样监测站网规模下，有助于扩大系统格网点覆盖区域，提高格网点参数估计性能；或者在保持系统性能的情况下，减少监测站数量. 但由于中国区域电离层环境具有显著区域特征，并不能简单地认为通过多系统GNSS观测就可以提高电离层格网模型的性能，或降低地面监测站网数量而仍可以保持模型性能.
为此，本文分析了多系统GNSS监测对中国区域SBAS电离层格网模型的影响，从电离层格网模型实现角度提出了中国区域SBAS多系统GNSS监测站网的建设建议.
文章首先介绍了SBAS电离层格网模型实现原理和分析方法，其次重点分析了多系统GNSS监测对电离层格网模型覆盖范围的影响，再次重点分析了中国区域电离层环境特征对格网模型实现的影响，然后给出了中国区域SBAS监测站网的建设建议，最后进行了总结.
1. SBAS格网模型及其覆盖范围分析方法
1.1 SBAS电离层格网模型
SBAS中采用电离层格网模型进行电离层误差修正. 电离层格网模型基于平面假设，利用地面监测网络获得的区域内电离层延迟测量，对格网点电离层垂直延迟（GIVD）及其误差门限-格网点电离层垂直误差（GIVE）进行估计. GIVD和GIVE通过卫星播发给用户，进行电离层误差修正及相应的完好性实现[3].
SBAS电离层格网模型实现中，首先需对每个格网点进行电离层扰动检测，只有通过了扰动检测才认为该格网点可用，并进一步按格网模型的实现方法估计其GIVD和GIVE. 格网点处的电离层扰动检测采用改进的卡方检测统计实现[4].
$$ \chi _{{\rm{irreg}}}^2 = \frac{{{R_{{\rm{noise}}}}{\chi ^2}}}{{\chi _{{\rm{threshold}}}^2}} . $$ (1) 式中：
$\;\chi _{{\rm{irreg}}}^2$ 为用于扰动检测的统计量；${R_{{\rm{noise}}}}$ 为描述观测噪声和模型噪声的系数；${\;\chi ^2}$ 为电离层延迟平面拟合残差；$\;\chi _{{\rm{threshold}}}^2$ 为根据系统指定的完好性威胁风险确定的误差门限. 实际模型实现中，电离层扰动的检测门限一般为3[5].1.2 SBAS电离层格网模型覆盖性能分析
由于Galileo建设以及GLONASS系统完善等因素影响，很难获得四个系统GNSS同时具有完整星座的星历数据. 考虑到四个系统GNSS的空间可视卫星数大体一致，因此利用模拟方法分析四个系统GNSS在完全部署情况下中国区域SBAS电离层格网模型的可用性，分析中主要考虑中国区域电离层格网点覆盖范围及格网点的可用性.
模拟分析中，利用不同时期GPS的星历数据模拟计算其他系统GNSS的可见卫星分布； 利用不同年份中同一年积日的GPS星历数据分析模拟GPS、Galileo、BDS、GLONASS系统完整星座下的空间可视卫星变化.
模拟分析中，监测站站址从中国大陆构造环境监测网络（CMONOC）与国际GNSS服务（IGS）网络的可用观测站中选取；监测网站点在国内均匀分布；同时尽量在我国陆地区域的边境线附近区域及南海区域考虑监测站点分布.
如图1所示，在实际工作中分别对两种监测站网布局情况进行分析，一种是30个监测站情况，另一种是27个监测站情况. 其中，从30个监测站分布情形中剔除3个监测站，以模拟27个监测站分布情形. 剔除的3个监测站分别位于最北端（HLMH站，黑龙江漠河）、最南端（HIYS站，永暑岛），以及西南区域（XZGE站，西藏噶尔），图1中用星状标示标出3个监测站位置. 采用不同站网分布的目的在于分析特殊区域站点增减对中国区域 SBAS格网点可用性的影响.
采用SBAS电离层格网模型中的电离层穿刺点选择算法分析每个电离层格网点可用穿刺点数量. 具体参数选择为电离层格网点最少可用穿刺点数量设置为10个，格网点拟合半径分别设置为600 km、800 km、1 000 km、1 200 km[6].
2. 中国区域SBAS电离层格网模型覆盖性能分析
实际数据分析中选择了多个年份进行模拟，结果类似，下面仅以典型结果进行说明. 该结果中利用2005年、2012年、2015年、2017年中年积日第100天的GPS星历数据分别模拟GPS、Galileo、BDS、GLONASS四系统完整星座在同一天的观测结果. 限于篇幅，仅以格网点拟合半径1 000 km的分析结果进行说明.
通过对比图2~5中不同GNSS观测数量，及不同电离层格网可用性情况下的格网点分布情况，可以进行以下分析并获得相应的结论：
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图 2 单系统GNSS观测下中国区域电离层格网模型覆盖范围及格网点可用性结果注：图(a)中电离层格网点满足95%可用性，图(b)中电离层格网点满足100%可用性. 红色格网点表明可满足相应的可用性指标(95%或100%)，绿色格网点表明不能满足相应的可用性指标.1）单系统GNSS与多系统GNSS观测对中国区域 SBAS电离层格网模型的影响
多系统GNSS观测可有效扩展中国区域SBAS电离层格网模型中格网点的覆盖范围，以及格网点的可用性. 具体为：
● 双系统与单系统相比，在不同方向上的绝大部分区域可以向外扩展约500 km范围（即向外扩展1个格网点范围）.
● 三系统与单系统相比，在不同方向上可以向外扩展约500 km范围（即向外扩展1个格网点范围）.
● 四系统与单系统相比，在不同方向上可以向外扩展约500 km范围（即向外扩展1个格网点范围），个别地方可以向外扩展约1 000 km范围（即向外扩展2个格网点范围）.
2） 30站规模与27站规模
对于中国大陆内部区域，站址的增减对格网点可用性影响较小，但中国区域边界附近监测站的增减对SBAS电离层格网模型覆盖范围及格网点可用性影响较显著. 具体而言，最北端（HLMH站，漠河）和最南端（HIYS站，永暑岛）监测站的增减，对于格网点可用性影响较大. 增减最北端或最南端站点，可使有效格网点范围向北或向南扩展500 km （即向外扩展1个格网点）范围. 对于西南区域（主要是西藏），增减监测站对格网点可用性影响较小，增加1个监测站（XZGE站，西藏噶尔）仅可以增加1个有效格网点.
3）不同格网点可用性比较（格网点95%可用性与格网点100%可用性）
在两种不同监测站分布，以及不同多系统GNSS观测情况下，仅在最边缘存在个别格网点可以达到95%可用性而不能达到100%可用性. 由此表明，在监测站网分布和可观测GNSS数量确定情况下，单纯提高站网的数量和可见卫星数，对提高格网点可用性的能力有限.
3. 中国区域电离层环境特征对SBAS格网模型实现的影响
中国南方地区存在显著的低纬电离异常（EIA）现象，造成在该区域电离层延迟随纬度增大呈现出明显的梯度变化，并在海口地区上空（约为20°N）电离层延迟达到最大值[7-8]. 为了进一步明确显示电离层延迟随纬度的变化，图6中给出了太阳活动高年（2012年）电离层活跃时期（3月） GIVD随纬度的变化. 时间为UT 11:02:30 （LT 19:02:03），电离层垂直延迟利用CMONOC及IGS网络中选择的近200个站GPS观测数据获得. 从图6中可以明显看出，在30°N以上地区，穿刺点电离层延迟呈现出平缓变化趋势；在30°N~20°N区域，即使在傍晚，穿刺点电离层延迟仍表现出显著的增强趋势；在接近20°N区域，穿刺点电离层延迟达到最大值；随着纬度的进一步降低，穿刺点电离层延迟又变现出降低趋势，降低的趋势小于电离层延迟在30°N~20°N区域内的变化趋势.
图7中进一步给出了采用不同拟合半径对位于低纬地区的电离层格网点（25°N，110°E）估计时计算得到的相应卡方扰动检测量变化. 可以看出：降低电离层格网点估计时的拟合半径可以在一定程度上降低卡方扰动检测量的估计值，但降低的程度很小. 这是因为该电离层格网点处于低纬电离异常区域影响最为剧烈的附近地方，降低电离层格网点估计时的拟合半径尽管可以减少使用位于电离层延迟梯度变化剧烈区域内的穿刺点测量，从一定程度上提高格网模型拟合的优度，但由于电离层延迟梯度随沿纬度有剧烈变化，使得电离层延迟变化不符合平面变化趋势. 因此，降低格网点估计时的拟合半径并不能有效应对低纬电离异常现象的影响[9-10].
4. 中国区域SBAS监测站建设建议
通过上述分析可以看出，对于中国区域SBAS系统而言，监测站建设需考虑：
1）至少实现对双系统GNSS的观测；
分析可得，对两个系统GNSS进行监测即可有效扩展SBAS电离层网格模型的覆盖范围和格网点可用性；进一步增加系统GNSS监测数量，仍可以进一步增加电离层格网模型覆盖范围和格网点可用性，但增加趋势减缓. 因此，在系统建设允许的情况下，建议进行多系统GNSS监测，但应至少实现对两个系统GNSS的监测（BDS+GPS）.
2）尽可能在边境区域建设监测站，尤其是在最北端和最南端区域.
从分析中还可以看出，最北端和最南端监测站的增加，可以显著扩展中国区域SBAS电离层格网模型的覆盖范围和格网点可用性. 因此，在系统建设允许情况下，应增加在中国北部区域监测站数量，尤其是在东北区域和新疆区域增加. 此时，外蒙古区域可用通过东北区域和西北区域的多系统GNSS观测进行有效覆盖.
3）考虑中国区域电离层环境特征，应增加在南部区域的监测站数量，尤其是中国区域最南端增加监测站（南海区域）.
考虑到中国区域北部为中纬电离层区域，电离层环境变化较为平缓，南部为低纬电离异常区，电离层环境存在显著的“驼峰”状变化，因此，应尽可能增加在中国南部区域的监测站数量，以实现对电离层异常区的更为密集采用观测. 北部区域由于电离层变化平缓，可以用电离层平面球壳模型较好地描述，适当增加边界区域监测站数量即可.
5. 结 论
多系统GNSS的出现为电离层格网模型的性能提升提供了可能，但多系统GNSS下的电离层格网模型实现性能提升是有前提条件的. 为此，利用中国区域中国大陆构造环境监测网络、中国及周边区域IGS站所有可用数据模拟分析了多系统GNSS测量对中国区域电离层格网模型实现性能的影响.
总体而言，多系统GNSS观测可以有效提高中国区域电离层格网模型覆盖范围和格网点可用性. 但对于不同区域，多系统GNSS监测并不能够完全解决中国区域电离层格网模型面临的问题.
对于中国南方地区而言，该区域存在的低纬电离异常现象是影响中国区域SBAS电离层格网模型实现性能的根本原因. 通过比较不同拟合半径及不同数量穿刺点测量情况下的电离层格网点扰动检测结果表明，单纯增加GNSS测量（多系统GNSS观测）不能有效应对低纬电离异常现象的影响，因此难以从根本上提升电离层格网模型的实现性能.
对于中国北方地区而言，该区域处于中纬电离层环境，电离层延迟变化平缓，可以用平面模型很好地拟合. 利用多系统GNSS测量并不能显著提高电离层格网模型的实现性能. 但对于中国北方地区而言，可以考虑在多系统GNSS测量情况下减少地面监测站的数量，同时仍保持系统原有性能.
致谢：感谢中国地震台网中心提供的中国大陆构造环境监测网络（CMONOC） GPS测量数据. 感谢IGS提供的GPS测量数据.
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图 2 单系统GNSS观测下中国区域电离层格网模型覆盖范围及格网点可用性结果
注：图(a)中电离层格网点满足95%可用性，图(b)中电离层格网点满足100%可用性. 红色格网点表明可满足相应的可用性指标(95%或100%)，绿色格网点表明不能满足相应的可用性指标.
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期刊类型引用(2)
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