北斗系统全球电离层建模理论与方法研究

朱永兴

1. 地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安 710054； 2. 信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001； 3. 西安测绘研究所，陕西 西安 710054

电离层延迟是卫星导航系统的主要误差源。北斗卫星导航系统(BDS)已由区域系统(北斗二号系统，BDS-2)发展为全球系统(北斗三号系统，BDS-3)，BDS-3星座具有全球覆盖、区域异构的特点，卫星播发了S和L频段多个导航信号，向下兼容BDS-2的B1I和B3I信号，增加B1C、B2a(兼容GPSL1/L5、GalileoE1/E5a)两个新信号，试验卫星播发了Bs频点信号。论文从BDS-3卫星观测数据质量分析、差分码偏差(DCB)估计、电离层总电子含量(TEC)估计、BDS全球电离层建模和北斗全球电离层时延修正模型(BDGIM模型)性能分析等方面研究了GNSS电离层建模相关理论与方法。主要内容如下：

(1) 提出了BDGIM模型约束的DCB解算方法，解算得到的BDS-3卫星新信号DCB精度优于1.0 ns，解决了绝对电离层TEC估计问题。该方法不依赖于外部高精度电离层产品，可以应用于单站的卫星、接收机DCB实时解算。

(2) 基于BDS星座中GEO、IGSO、MEO运行速度和轨道面不同的分析，设计了基于临近穿刺点TEC变化和日界TEC跳变的电离层TEC精度综合评估方法，充分考虑了BDS星座中GEO、IGSO、MEO的特点，采用该方法分析B1I/B2I载波相位平滑伪距双频组合估计的电离层TEC精度优于3.0 TECu。

(3) 构建了顾及经纬度方向异性的反距离加权插值(IDW)方法，充分考虑了电离层TEC经纬度方向梯度，采用连续12年“两分两至”日前后的IGS-GIM产品分析表明，电离层TEC插值精度比常规IDW方法提高25%左右。

(4) 构建了顾及粗差影响的Kriging插值方法，采用2014年“两分冬至”日前后的IGS-GIM产品和GNSS双频观测量进行试验验证，分析结果表明，该方法有效抑制了粗差数据影响，全球插值精度1.0～4.0 TECu，优于改进的IDW方法。

(5) 提出了BDGIM模型约束的BDS全球电离层建模方法，克服了现有BDS-3地面跟踪站分布稀疏问题，以BDGIM模型作为虚拟观测量约束球谐函数模型建模，采用平方根信息滤波仿实时方法按照5 min时间间隔解算模型参数，BDS全球电离层建模精度2.0～5.0 TECu，相比原有BDGIM模型提升6.5%。

(6) 构建了北斗全球电离层时延修正模型(BDGIM)性能评估指标体系，系统评估了BDGIM模型性能，以IGS-GIM产品和GNSS双频观测量为基准，分析结果表明，BDGIM模型参数改正精度明显优于GPS的Klobuchar模型参数，在全球范围改正中误差为4.0 TECu，改正比例75%。

(7) 针对BDS-3卫星新信号体制，深入分析了各频点观测数据质量，为优选观测量组合开展电离层TEC研究提供参考。采用BDS-3组网卫星数据分析表明，BDS-3卫星各频点伪距多路径误差为0.11～0.27 m，对比BDS-2卫星B1I、B3I频点，随高度角变化的异常现象已基本消除；BDS-3卫星各频点载波相位观测噪声为0.11～0.37 mm。