不同全球电离层格网产品在中国区域的应用精度评估与分析

盛传贞，张京奎，张宝成

( 1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081；2.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 430000 )

0 引言

基于全球卫星导航系统(GNSS)建立的全球电离层格网产品(GIM)是全球电离层总电子含量(TEC)研究和应用的重要数据资源，不仅是反演电离层变化规律、揭示电离层物理演变规律的基础数据产品[1-2]，而且也可作为单频导航定位研究中电离层延迟修正的重要技术手段[3-4].国际GNSS服务(IGS)的电离层综合中心(IAAC)和全球连续监测评估系统(iGMAS)综合中心发布了预报GIM、快速GIM 和最终GIM 三种类型的电离层产品[5].由于不同机构解算不同类型GIM 产品时采用了不同的数学模型及GNSS跟踪站数据，解算策略的不同导致不同机构产生的不同类型GIM 产品精度存在差异[6].

系统深入评估和分析了不同GIM产品在不同区域的应用效果，可为不同区域的电离层TEC探测、环境和灾害监测及导航用户电离层延迟修正服务提供参考[7].国内外学者针对不同GIM产品的应用性能开展了大量的精度评估工作，然而目前已开展的研究绝大部分都是针对不同分析中心的单一类型GIM 产品在全球范围内的平均应用性能[8-12].由于电离层活动具有显著的区域特性，特别是我国低纬地区受到电离层赤道异常影响[13]，不同GIM产品在全球范围内的评估结果不能直接适用于中国区域.文献[12]和文献[14]讨论了不同类型的GIM 产品在全球范围的内符合精度，文献[8]讨论了四种最终GIM 产品在中国区域的精度.然而，目前就不同机构不同类型的GIM产品在中国区域的精度分析工作还没有开展.本文基于不同太阳活动水平下GNSS跟踪站和Jason 测高卫星实测电离层TEC对不同机构不同类型的GIM产品在中国及周边海域区域的精度进行评估，并分析了不同GIM产品对中国区域单频导航定位精度的影响.

1 全球电离层格网产品

目前，发布GIM 产品的IGS的电离层联合分析中心(IAACs)主要包括美国喷气推进实验室(JPL)、欧洲定轨中心(CODE)、欧洲太空局(ESA/ESOC)、西班牙加泰罗尼亚理工大学(UPC)、中国科学院(CAS)和武汉大学卫星导航定位技术研究中心(WHU)等机构.我国建立的iGMAS综合中心也发布了综合国内各分析中心产品后的快速GIM 及最终GIM 产品.根据GIM 产品时效性，GIM 产品主要分为快速GIM(延迟1天)、最终GIM(延迟11天)以及预报GIM(提前1天或2天)产品.

如表1所示，本文评估的GIM 产品包含iGMAS综合中心提供的快速GIM 和最终GIM 以及IAACs的分析中心CODE、UPC、ESA、CAS、JPL提供的预报GIM、快速GIM 和最终GIM 产品.

表1 不同机构发布的GIM 产品

2 评估策略

2.1 评估方法

本文将GNSS参考站(后文统称为“跟踪站”)实测数据获取的电离层TEC变化量和测高卫星实测电离层TEC为参考，分析不同机构不同类型GIM 产品在中国及周边区域的电离层延迟改正精度及其对中国区域导航用户定位精度的影响.

1)与GNSS实测数据获取的电离层倾斜总电子含量(STEC)历元间变化进行对比

在未发生周跳的连续观测弧段内，基于GNSS跟踪站的无几何组合的载波相位观测值历元间变化可以计算卫星和接收机视线方向上电离层TEC的历元间变化，其精度优于0.1 TECU.由于卫星高度角最大时由天顶方向总电子含量(VTEC)转换为STEC时受到的投影函数误差最小，实际计算电离层历元间变化量时，通常选择卫星高度角最大时刻的载波相位观测值为参考，具体计算公式[15]如下：

由式(1)可知，采用电离层TEC历元间变化方法进行GIM 精度验证时，无需额外计算卫星和接收机的差分码偏差(DCB)参数.因此，与直接利用扣除DCB影响的GNSS电离层TEC测量值进行精度验证相比，电离层TEC历元间变化方法的优势在于消除了卫星和接收机DCB解算误差对于验证结果的不利影响.电离层TEC历元间变化方法是IGS电离层工作组评估各电离层分析中心GIM 产品精度采用最广泛的方法之一.

2)与测高卫星电离层TEC对比

测高卫星通过向海洋表面发射的双频信号可实现信号传播路径上的电离层TEC反演.测高卫星电离层TEC是目前独立于GNSS之外覆盖性较广、连续观测时间最长的电离层观测数据，也是IGS电离层工作组用来评估不同分析中心GIM 产品性能的有效数据之一.需要说明的是：由于测高卫星仅能测量从海洋表面测高卫星轨道高度以下的电离层电子密度，其测量的电离层TEC与GIM 电离层TEC通常存在量级为2～5 TECU 的系统性偏差.

3)GIM 产品对定位精度影响评估

对于单频卫星导航用户，可以采用GIM 产品来削弱电离层延迟对导航定位结果的影响.为评估和掌握不同GIM产品在定位中的应用效果，利用GNSS跟踪站观测数据进行标准单点定位，评估不同GIM 产品对定位的影响.以IGS发布的精密周解坐标产品作为坐标参考“真值”，基于动态标准单点定位估计测站坐标及接收机钟差参数.标准单点定位数据处理中，采用的数据为GPS和北斗卫星导航系统(BDS)观测数据采样率为30 s，卫星截止高度角为15°，卫星轨道及钟差采用广播星历的轨道及钟差参数，对流层误差采用UNB3模型改正.

2.2 精度评定指标选择

本文采用不同电离层模型的TEC计算值与电离层TEC参考值之间的平均偏差(BIAS)、标准差(STD)、均方根(RMS)和相对误差(PER)作为精度分析的指标，其计算公式为

3 实验与结果分析

3.1 评估方法

为了合理全面的评估不同机构不同类型GIM产品在中国区域的实际应用效果，选取不同太阳活动水平条件下的数据开展性能评估工作.由于iGMAS从2015年开始才稳定提供综合快速GIM 和最终GIM 产品，本文选取的数据测试时段为最近一个太阳活动周期中2015年(太阳活动中年)和2020年(太阳活动低年)各一个月的数据(年积日第100—130天).为评估不同GIM 产品的外符合精度，本文选择中国地壳运动观测网络(CMONC)跟踪站以及Jason 测高卫星获取的电离层TEC数据进行GIM产品精度验证.为充分利用IGS发布的精密坐标产品，在研究GIM 产品对定位精度影响时选择中国区域的IGS跟踪站进行实验.如图1所示，本文选取的GNSS数据由59 个CMONC跟踪站和8个IGS跟踪站组成.

图1 选取的GNSS检测站及Jason 穿刺点轨迹分布图

需要说明的是：由于获取不到2020年的Jason测高卫星数据，选择2019年度的Jason-3测高卫星数据进行实验.此外，部分机构的GIM 产品存在某些时段缺失的现象，如iGMAS分别缺失2015年年积日第101天、102天和124天的快速GIM 产品；ESA 分别缺失2020年的预报产品、2015年年积日第101—103和120—122天的快速GIM产品；UPC分别缺失2019年的快速GIM 产品和2020年度的预报GIM 产品.

3.2 与GNSS实测电离层TEC比较的外符合精度分析

图2、图3分别给出了不同机构GIM 产品电离层TEC的历元间变化RMS精度时间序列及其在各CMONC跟踪站的分布情况，不同太阳活动水平下的精度分布绘制在虚线的左右两侧.表2～表4分别给出了电离层TEC的历元间变化平均精度统计情况.从上述图表可知，不同机构的GIM 产品在中国区域的电离层TEC的历元间变化精度具有如下特点：

表2 不同机构预测GIM 产品电离层TEC的历元间变化精度统计TECU

表3 不同机构快速GIM 产品电离层TEC的历元间变化精度统计TECU

表4 不同机构最终GIM 产品电离层TEC的历元间变化精度统计TECU

图2 2015年(虚线左侧)和2020年(虚线右侧)不同机构GIM 产品的电离层TEC的历元间变化精度时间序列

图3 2015年(虚线左侧)和2020年(虚线右侧)不同机构GIM产品的电离层TEC的历元间变化精度在各跟踪站的分布情况

1)各机构不同类型GIM产品的精度由高到低分别是最终GIM、快速GIM 和预报GIM 产品；各GIM产品在太阳活动中年的精度通常低于太阳活动低年，且在低纬度跟踪站的精度通常低于中纬度跟踪站，这与电离层在不同太阳活动条件及不同地理纬度的变化复杂程度密切相关.

2)在太阳活动中年，iGMAS综合的快速和最终GIM 在同类产品中的精度最高，其RMS均值为2.65 TECU；除iGMAS综合的GIM 产品外，UPC的最终GIM 和快速GIM 产品精度优于其他机构的同类产品，其RMS值分别为2.69 TECU 和2.70 TECU；CAS的快速GIM 和ESA 的最终GIM 产品精度略低于其他机构同类产品.

3)在太阳活动低年，JPL 的快速GIM 和最终GIM 在同类产品中精度最低；尽管iGMAS的快速GIM 产品精度在某些天存在异常现象，与其他机构的快速GIM 产品精度差异仍小于0.11 TECU；CODE和iGMAS的最终产品精度略优于其他机构的最终GIM 产品.

4)CODE 和UPC的预报GIM 产品精度略优于ESA 的预报产品.CODE 预报1天与预报2天的GIM产品精度大致相当.

3.3 与Jason测高卫星电离层TEC比较的外符合精度分析

图4给出了Jason-2和Jason-3测高卫星电离层TEC和GIM 电离层TEC之差的均值和标准差，表5给出了快速和最终GIM电离层TEC的RMS精度统计情况.其中，Jason-2和Jason-3测高卫星有效观测数据时间分别为2015年年积日第100—130天和2019年年积日第102—130天.从图4可以看出，以Jason 测高卫星获取的TEC为参考，不同机构的GIM产品在中国周边海洋区域的精度有以下特点：

图4 不同GIM产品相对于Jason VTEC的BIAS和STD

表5 不同机构快速和最终GIM 产品相对于Jason VTEC的RMS精度统计TECU

1) Jason 测高卫星电离层TEC与不同机构各GIM的电离层TEC的系统性偏差均小于0，这与测高卫星观测数据不包含测高卫星轨道高度至GNSS卫星轨道高度处的电离层TEC是一致的.

2)测高卫星和不同机构GIM 电离层TEC的差异在电离层活动中年(2015年)时的差异较低年(2019年)要明显偏大，这与电离层在活动水平存在一定的相关性.不同机构的预报GIM、快速GIM 和最终GIM与测高卫星TEC差异的标准差在太阳活动中年与低年BIAS分别为3.56 TECU、4.36 TECU 和4.63 TECU.

3)对比太阳活动中年不同参考基准获取的GIM标准差结果发现，以实测GNSS电离层TEC为基准获取的GIM精度约为测高卫星电离层TEC为基准的精度的2倍，表明不同机构的GIM 产品在中国周边海洋区域的精度显著低于GNSS数据覆盖的中国陆地区域.

4)从系统偏差指标来看，JPL 的快速和最终GIM产品在同类型产品中与Jason 测高卫星电离层TEC的系统偏差最大，平均差值均为5.5 TECU，其他机构的快速和最终GIM产品与Jason 测高卫星TEC的BIAS分别在1.88～2.84 TECU 和2.68～4.07 TECU 之间.

5)从标准差指标来看，除JPL 和UPC的快速和最终GIM产品精度大致相当外，其他机构均表现为同一机构最终GIM 精度略高于快速和预报GIM产品；CODE 和UPC的预报GIM 产品精度大致相当，ESA 的预报产品精度在三种预报产品中精度最差.

6)从RMS指标来看，在太阳活动中年，UPC的快速GIM 和最终GIM 产品在同类产品中精度最高；在太阳活动低年，iGMAS的最终GIM和CAS的快速GIM 在同类产品中精度最高；JPL 的快速GIM和最终GIM 产品在不同太阳活动水平下均显著低于其他结构的同类型GIM 产品.

3.4 对中国区域标准单点定位结果的影响分析

以2015年和2020年年积日第100 —130天选取的中国区域IGS测站，对用户采用不同GIM模型的单频标准单点定位定位结果作进一步分析.图5和图6分别给出了所有跟踪站在天顶和水平方向上的平均定位误差的1天内时间序列图.表6至表8分别给出了试验期间不同GIM 产品在所有测试站的天顶和水平方向定位误差的RMS统计情况.对比上述图表可知，不同机构GIM产品获取的定位精度存在如下特点：

表6 不同快速GIM 产品在各测试站天顶和水平方向上定位误差RMS统计m

表7 不同最终GIM 产品在各跟踪站天顶和水平方向上定位误差RMS统计m

表8 不同预报GIM 产品和不施加电离层修正在各跟踪站定位误差RMS统计m

图5 2015年（虚线左侧）和2020年（虚线右侧）不同GIM产品获取的水平方向定位精度时间序列

图6 2015年（虚线左侧）和2020年（虚线右侧）不同GIM产品获取的高程方向定位精度时间序列

1)采用不同GIM产品进行标准单点定位定位与不采用电离层延迟修正相比在天顶和水平方向的定位精度均有所提升，且不同GIM产品获取的定位精度差异主要体现在天顶方向上.与未对电离层延迟进行修正的单点定位结果相比，不同机构的预报GIM、快速GIM和最终GIM 产品在太阳活动中年在天顶方向上的定位精度分别提升65.8%～73.9%、72.7%～74%和62.5%～71.8%，在水平方向上的定位精度分别提升28.5%～44.8%、36.1%～46.2%和34.7%～41%.

2)不同机构的GIM产品在太阳活动低年获取的定位精度差异较小，在太阳活动中年差异较为显著，且最终GIM 产品获取的定位精度差异较快速GIM产品小.在太阳活动中年，UPC的最终GIM 和快速GIM 在同类GIM产品中获取的水平方向定位精度最高；除ESA 产品外，不同机构的快速GIM、最终GIM 和预报GIM 产品获取的天顶方向定位误差最大差异分别为0.17 m、0.06 m 和0.06 m，获取的水平方向定位误差最大差异分别为0.4 m、0.11 m 和0.18 m.在太阳活动低年，不同机构的预报GIM、快速GIM产品获取的天顶方向定位误差最大差异分别为0.05 m、0.06 m 和0.01 m，获取的水平方向定位误差最大差异分别为0.04 m、0.05 m 和0 m.

3)CODE的两种预报GIM 和UPC的预报GIM产品精度大致相当，二者获取的天顶方向上的定位精度要显著优于ESA 的预报GIM 产品.

4)根据太阳活动中年各跟踪站上获取的定位时间天内时间序列可知，白天的定位精度比晚上定位精度低，这与电离层日间变化趋势是一致的.

4 结束语

本文基于中国区域均匀分布的59个陆态网跟踪站数据以及8个IGS跟踪站对不同机构发布的预报GIM、快速GIM 和最终GIM 产品在中国及周边海域区域的应用精度进行了评估.通过对比GIM、跟踪站实测GNSS数据和Jason 测高卫星的电离层TEC，并分析不同GIM 产品对中国区域导航用户单频定位精度的影响，针对不同GIM 产品在中国及周边海域区域的应用精度，得到以下结论：

1)不同类型GIM 产品在中国区域的精度由高到低分别为最终GIM、快速GIM 和预报GIM 产品；

2)不同机构不同类型GIM 产品的精度差异在太阳活动中年大于太阳活动低年，在低纬度区域高于中纬度区域；

3)当采用不同机构不同类型的GIM 产品进行中国区域定位试验时，除ESA 产品获取的定位精度较差外，其他机构的GIM产品获取的定位精度大致相当；

4)总体而言，iGMAS和UPC的快速和最终GIM产品精度优于其他机构的GIM 产品，基于GIM 数据进行中国区域电离层探测时，建议用户使用时优先选择iGMAS和UPC的快速和最终GIM产品；

5) CODE 预报1天的GIM产品与预报2天的GIM产品精度相当，优于ESA 的预报GIM 产品精度.

随着不同分析中心GIM 解算策略的不断改进，不同类型GIM产品的精度和稳定性将会进一步提升，未来需要采用更长时段的数据对不同机构不同类型的GIM 产品在中国区域的应用精度进行进一步分析.此外，由于实时GIM 产品数据较少，本文未对实时GIM产品的精度进行评估，未来也需进一步分析实时GIM 产品在中国区域的应用精度.