Performance Analysis of Ionosphere Monitoring with BeiDou CORS Observational Data

Weiming Tang , Lei Jin and Kun Xu

(GNSS Research Center, Wuhan University)(E-mail: wmtang@whu.edu.cn)

Abstract

This paper focuses on the performance analysis of ionosphere monitoring using the measurements from a BeiDou Continuously Operating Reference Stations (CORS) network. Combined pseudo-range and carrier phase observations are used to estimate total electron content (TEC) and the hardware delay deviation is also computed. Using the observations from five BeiDou CORS in China, the TEC monitoring results were obtained from each station and compared with GPS monitoring results and also those from the Global Iono-sphere Maps (GIM) model. Numerical computation shows that the BeiDou system has the ability to precisely detect the TEC diurnal variation trend on each station. The Residual Mean Square (RMS) difference between the BeiDou and the GIM model at a higher latitude station is about four TEC Units (TECU), while the RMS difference between the GPS and the GIM is about three TECU; at a lower latitude station this difference increases to six TECU for BeiDou and four TECU for the Global Positioning System (GPS); at the lowest latitude station in this study, the differences for both systems are about six TECU.

KEYWORDS

1. Ionosphere Monitoring. 2. BeiDou. 3. TEC. 4. GPS. 5. GIM.

Submitted: 14 June 2013. Accepted: 14 December 2013. First published online: 17 January 2014.

INTRODUCTION

The BeiDou Satellite Navigation System (BDS) is developed, owned and operated by China. It has started providing its regional navigation and positioning service, which means that BDS has now become an important member of the Global Navigation Satellite System (GNSS) family (Wang, 2010). Like other GNSS, the signal transmission of BeiDou is affected by the changes in the refractive index in the ionosphere, due to the movement of free electrons in the propagation medium. These refractive index changes affect the velocity of the waves, causing the well-known effects of first-order ionospheric phase advance and group delay (Hofmann et al., 2008). The contribution of ionospheric delay to the pseudo-range errors is significant due to not only its potential magnitude, but also its large variability (Mazzella et al., 1996). Therefore it is one of the major error sources of satellite based navigation and positioning. Based on dispersive property ionospheric delay, about 99% of ionospheric error can be removed successfully by forming the “ionosphere free” linear combination (LC) (Xie and Han, 2000). On the other hand, the dispersive property also provides an opportunity to measure the ionospheric total electron content (TEC) directly (Klobuchar, 1985).

Scholars have carried out a wide range of studies on the characteristics of the ionosphere by using GPS observation data. Since the 1990s, GPS-based monitoring has become an ideal method to monitor the spatial variation of ionospheric TEC, and it can be widely used in detecting and studying the irregular ionospheric structure (Pi et al., 1997), the influence of geomagnetic storms on the ionosphere (Ho et al., 1996; 1997), the ionospheric scintillation characteristics (Wang et al., 2004), etc. This article focuses on BeiDou-based ionosphere monitoring performance. In this paper, combined pseudo-range and carrier phase observations are utilized to estimate TEC, and the hardware delay deviation is also calculated. Using the observational data from five BeiDou CORSs situated at different latitudes in China, the TEC monitoring results based on both BeiDou and GPS were obtained at a single station. These results were compared with the Global Ionosphere Maps (GIM) which are generated on a daily basis at CODE (Center for Orbit Determination in Europe) using data from about 200 GPS/GLONASS sites of the IGS (International GNSS Service) and other institutions (Schaer, 1997). Finally, the performance using BDS measurements in the ionosphere monitoring is analysed.

The total electron content (TEC) is the number of electrons in a column square extending from the observing station to the satellite. Generally, dual-frequency pseudo-range or carrier phase observation data can be used to esti-mate ionospheric TEC. Due to the fact that pseudo-range observations do not contain ambiguity parameters, this method is easy to implement. However, calculation of TEC from only pseudo-range measurements will produce a noisy result, so it is desirable to use the relative phase delay between the two carrier frequencies to obtain a more precise result. In the carrier phase measurements, the actual number of cycles of phase is not known; therefore the absolute TEC cannot be estimated (Zhao, 2003; Dautermann et al., 2007; Norsuzila et al., 2007). Based on the above considerations, in this paper the single station TEC is estimated by using the combination of pseudo-range ase observations. The dual frequency pseudo-range observation equations can be expressed as follows (Klobuchar, 1985):

Here Slant TEC (STEC) is a measure of the total electron content of the ionosphere,,and can be written a

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北斗CORS观测资料对电离层监测的性能分析

魏明明，雷金，徐坤

（武汉大学GNSS研究中心）（电子邮件：wmtang@whu.edu.cn）

摘要:

本文重点介绍了使用北斗连续运行参考站（CORS）网络测量的电离层监测性能分析。组合的伪距和载波相位观测用于估计总电子含量（TEC），并且还计算硬件延迟偏差。利用中国五个北斗CORS的观测结果，从每个站点获取TEC监测结果，并与GPS监测结果以及全球电离层地图（GIM）模型进行比较。数值计算表明，北斗系统能够精确检测每个站点的TEC日变化趋势。北纬和高纬度站的GIM模型之间的残差均方（RMS）差值约为4个TEC单位（TECU），而GPS和GIM之间的RMS差值约为3个TECU;在低纬度电台，这种差异增加到北斗的6个TECU和全球定位系统（GPS）的4个TECU;在本研究的最低纬度站，两个系统的差异大约是6个TECU。

关键词: 电离层监测 北斗 TEC GPS GIM

介绍

北斗卫星导航系统（BDS）由中国开发，拥有和运营。它已开始提供其区域导航和定位服务，这意味着BDS现已成为全球导航卫星系统（GNSS）系列的重要成员（Wang，2010). 由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射16颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。与其他GNSS一样，由于传播介质中自由电子的运动，北斗的信号传输受到电离层折射率变化的影响。这些折射率变化会影响波的速度，从而引起一级电离层相位超前和群延迟的众所周知的影响.（Hofmann等，2008).电离层延迟对伪距误差的贡献是显着的，因为它不仅具有潜在的幅度，而且还有很大的变异性（Mazzella等，1996).因此，它是基于卫星的导航和定位的主要误差源之一。基于分散性电离层延迟，通过形成“电离层自由”线性组合（LC）可以成功地消除大约99％的电离层误差（谢和汉，2000).另一方面，色散特性也提供了直接测量电离层总电子含量（TEC）的机会（Klobuchar，1985)

学者们利用GPS观测数据对电离层的特征进行了广泛的研究。自20世纪90年代以来，基于GPS的监测已成为监测电离层TEC空间变化的理想方法，可广泛应用于检测和研究不规则电离层结构（Pi等，1997），地磁暴对电离层的影响（Hoetal，1996; 1997），电离层闪烁特性（Wangetal，2004）本文重点介绍基于北斗的电离层监测性能。在本文中，利用组合的伪距和载波相位观测来估计TEC，并且还计算硬件延迟偏差。利用位于中国不同纬度的五个北斗CORS的观测数据，在一个站点获得了基于北斗和GPS的TEC监测结果。将这些结果与使用IGS（国际GNSS服Schaer，1997).最后，分析了在电离层监测中使用BDS测量的性能。

从观测数据到总电子内容。总电子含量（TEC）是从观测站延伸到卫星的列方形中的电子数。通常，双频伪距或载波相位观测数据可用于估计电离层TEC。由于伪距观测不包含模糊参数，因此该方法易于实现。然而，仅从伪距测量计算TEC将产生噪声结果，因此希望使用两个载波频率之间的相对相位延迟来获得更精确的结果。在载波相位测量中，相位的实际周期数是未知的;因此无法估计绝对TEC（赵，2003;Dautermann等人，2007;Norsuzila等人，2007).基于上述考虑，在本文中，通过使用伪距和载波相位观测的组合来估计单站TEC。双频伪距观测方程可表示如下（Klobuchar，1985):

其中是卫星和接收器之间的几何范围;分别是卫星和接收机时钟偏移; 是双频率的电离层校正;是对流层延迟。线性组合可以从等式中获得（1） 作为电离层的性能分析。

表1.物理常数的值

在这里， TEC（STEC）是衡量电离层总电子含量的指标，可以写成（Dautermann等，2007)

在绝对TEC的计算中，分别通过卫星和接收器的模拟硬件在两个独立频率上的信号的不同传播时间引入不可忽略的误差源，使其产生恒定的TEC偏差。在准确估算总电子含量之前，必须估算这些差分偏差并从测量中去除的（Coco等，1991).为了提高TEC估计的准确性，本文考虑了卫星硬件延迟偏差定时群延迟（TGD）和频率间偏差（IFB）的接收机硬件延迟偏差。那么L顾 的表达式可以从方程式中获得（4）

等式（5） 如下：

(5)

在上面的等式中，存在三个未确定的参数，即STEC，卫星硬件延迟偏差和接收机硬件延迟偏差可以从卫星广播导航消息中获得。将这些已知参数移到等式的右侧，并用索引j表示各个卫星，可以为每个时期和每个观测到的卫星获得以下等式：

(6)

是地球的平均半径，而 是电离层中主要电子浓度的高度.将STEC映射到垂直方向，来自高海拔高度上卫星的每次测量应该产生与接收器上方所分配的位置的大致相同的TEC值。因此我们假设一个垂直的总电子含量（VTEC）。

实验数据和结果分析

数据选择。本文主要研究利用BDS测量与监测电离层的性能。在中国武汉大学GNSS研究中心建立的哈尔滨，拉萨，武汉，广州和香港五个不同纬度的站点被选中。2012年8月21日收集了双系统接收器的四个数据频率（B1，B2和L1，L2），因为电离层活动在夏季被认为更加活跃。北斗和GPS系统的TEC监测结果分别计算。采样率为30秒，截止仰角为15°。单层电离层的高度设定为450 km，以与CODE生成的全球电离层地图保持一致。TEC结果的比较。单站TEC监测在上述五个站中进行，分别使用BDS或GPS系统。将结果与全球电离层网格模型插值进行比较。

图1 电离层的性能分析

按哈尔滨（HARN），拉萨（LASA），武汉（WUHN），广州（GDCH）和香港（HKTU）的顺序排列。每个站的数值由两部分组成：上部显示BDS，GPS和GIM的计算结果;较低的一个显示了北斗和GIM之间的区别。

GPS和GIM之间的区别。单位为TECU（1TECU = 1016 el mminus;2），水平坐标标记为LT时间，如图所示图1.

图1表明北斗系统的解决方案反映了每个站点的TEC日变化趋势，与GPS和GIM的解决方案具有一定的一致性。然而，北斗系统目前的在轨卫星比GPS少，这导致某些台站的卫星几何形状更差，因此精度更高

表2 TEC的D值（单位：TECU）

使用北斗的电离层监测低于GPS。将北斗系统的计算结果与GPS进行了比较。GIM插值结果与来自北斗系统的估计TEC值之间的差异按时期进行评估，并计算差异的统计平均值。GPS也计算了类似的统计数据。结果列于表2.在该表中，可以看出，与北斗结果相比，GPS结果更接近GIM插值结果。北纬解决方案在较高纬度的GIM模型的平均差异约为4个TECU，而这个平均值约为GPS解决方案的3个TECU;在较低的纬度，北斗为6个TECU，GPS为4个TECU;在两个系统的最低纬度，与GIM的平均差异大约是6个TECU。随着纬度的减小，电离层变得活跃。因此，两个系统的监测性能在低纬度地区比在高纬度地区更不准确。表2 同时也反映出北斗系统电离层监测性能的退化趋势更接近GPS，纬度下降。

为了更好地了解上述结果，本研究论文选择了拉萨，广州和香港的代表性站点，绘制了GPS和北斗系统用于电离层监测的天空图，彩色单元为TECU，如图所示。图2-4.

从图中可以看出，由于北斗卫星导航系统的在轨卫星数量少于GPS，其中一些是地球静止卫星（GEO），因此电离层穿刺点（IPP）的数量远少于GPS。解决方案，它们分布不均匀。因此，北斗系统无法反映电站在电站上的变化，导致电离层监测的准确性低于GPS。在LASA站，北斗卫星主要分布在火车站东侧，因此卫星几何形状比GPS差。在GDCH，北斗卫星的分布更好，但从中可以看出图3特定卫星的结果很差，因为即使在高仰角，估计的TEC值也大于120 TECU。在香港电讯大学站，北斗卫星分布良好，所有卫星都正常工作。这些细节解释了结果表2：随着纬度的减小，电离层变得更加活跃，两个系统的监测性能在低纬度时比在高纬度时更不准确。然而，在中高纬度地区，由于北斗卫星的几何形状较差，北斗的电离层监测性能与GPS相比准确度较低;在低纬度地区，更好的卫星分布带来的好处意味着北斗的电离层监测性能接近全球定位系统。

图2. LASA站GPS和北斗的TEC比较

图3.GDCH站GPS和北斗的TEC比较

图4.香港特别行政区车站GPS和北斗的TEC比较

自北斗导航卫星系统于2011年12月27日开始提供试运行服务以来，它已在四次发射中成功发射了六颗卫星，扩大了系统覆盖范围，增强了星座稳健性，提高了系统精度。目前，通过对各类用户终端的测试和评估，所有在轨卫星和地面系统运行稳定，系统性能满足设计要求。从2012年12月27日起，北斗导航卫星系统正式开始为中国及周边地区提供连续无源定位，导航和定时服务，以及原有的定位，双向定时和短信通信服务。

由北斗实验导航卫星系统提供。随着北斗导航系统在轨卫星数量的增加，湖北省CORS系统中的三个站点被用来研究北斗目前的电离层监测性能。分别使用BDS或GPS系统，将单站TEC监测结果与全球电离层网格模型插值进行了比较。我们在2013年2月2日按CENT，SY02和XN06的顺序列出结果。每个站的数字由两部分组成：左侧部分显示TEC值和每个站点的差异，右侧部分显示天空图表每个站的北斗系统。该单位是TECU，如图所示图5.GIM插值结果与来自北斗系统的估计TEC值之间的差异按时期进行评估，并计算差异的统计平均值。同样也计算了GPS的统计数据。结果列于表3.随着北斗系统在轨卫星数量的增加，卫星几何形状变得比以前更好，从右边可以看出图5.由于卫星分布较好，即使在中纬度地区，北斗的电离层监测性能也接近于GPS。这个结论可以从左侧部分获得。图5还来自表3.尽管在轨卫星数量增加，但由于部分北斗系统是地球静止卫星（GEO），电离层穿刺点（IPP）的数量仍远低于GPS解决方案，并且它们不均匀。

如第2节所述，tifb 也可以计算，所以表4每天的平均接收器硬件延迟偏差列在名为Method One的第二列中。为了检查估计，每个站的tifb 也是由Jin提出的基于最小二乘法的方法计算的（Jin等，2012）并列在名为Method Two的第三列中。这两个估计值显示出良好的一致性，平均差异小于0.5 。

比较多日结果。为了更好地比较，获得了多日结果。我们在此呈现2013年8月1日至3日的HARN，LASA和HKTU的结果（DOY：213 - 215）。使用如上所述的比较方法，结果显示在图6和表5.可以得出结论，北斗系统能够检测出通常与GIM结果一致的TEC昼夜变化趋势。

表3. 每个站点的TEC值