摘要
差分码偏差(DCB)是GNSS测码信号在卫星与接收机硬件通道内的时延偏差，该参数既是GNSS电离层TEC精确提取与计算必须扣除的硬件误差，与之相关的TGD、BGD及ISC参数也是GNSS广播星历中的基本播发参数。目前关于DCB的研究仍多局限于GPS及GLONASS，随着GPS现代化以及BDS、Galileo等导航系统的建设，多模GNSS DCB精密处理显得日益重要。因此，有必要针对当前多模GNSS应用需求，开展多系统DCB参数的精确确定研究。 广播电离层模型参数作为GNSS广播星历中的基本播发参数，是GNSS单频导航用户实时电离层误差修正的最主要手段。各GNSS导航系统播发的广播电离层模型包括GPS采用的Klobuchar模型（GPSKlob）、Galileo采用的NeQuick模型(NeQuickG)以及BDS区域导航系统播发的8参数Klobuchar模型(BDSKlob)。随着我国BDS全球系统的建设，发展与建立适用于BDS的全球广播电离层模型既是当前系统建设的重要任务，也是未来提升BDS导航服务水平的重要手段。因此，有必要在系统总结不同电离层模型优势与不足的基础上，为构建数学结构优良、改正效果好并能兼顾区域与全球电离层误差修正的BDS全球广播电离层模型提供参考。本文针对GNSS电离层研究中涉及的差分码偏差及全球广播电离层模型，系统开展以下几个方面的研究工作: 1.多模GNSS差分码偏差参数的精确确定 目前多模GNSS DCB参数估计中的困难可以概括为以下两个方面:一是GNSS码观测量类型多，多类型DCB参数的定义、类型等尚无统一标准;二是当前MGEX及iGMAS基准站分布不适于电离层TEC全球建模，难以采用全球电离层建模的方式实现多模GNSSDCB参数的解算。本文在确定适用于多模GNSS应用的DCB参数类型的基础上，将IGGDCB方法进一步扩展用于GPS、GLONASS、BDS及Galileo卫星与接收机频内及频间参数的精确确定。IGGDCB方法通过逐测站利用广义三角级数建立局部电离层TEC模型，实现了电离层TEC参数与DCB参数的分离，避免了常用DCB参数确定方法对全球大量基准站的依赖，解决了当前MGEX基准站（特别是BDS监测站的数量与分布）不适于全球电离层TEC同步建模处理的难题。 基于IGGDCB方法确定的GPS及GLONASS卫星频内偏差参数的精度分别为0.1ns及0.2～0.4ns，GPS、GLONASS、BDS及Galileo卫星频间偏差参数的精度分别可达0.29ns、0.56ns、0.36ns及0.24ns。2015年10月中旬开始，基于IGGDCB方法处理得到的GPS、GLONASS、BDS及Galileo卫星与接收机DCB产品已正式提交至国际IGS组织，为各类多模GNSS应用提供服务。 2.GPS广播的Klobuchar模型改进 GPS采用8参数Klobuchar模型为单频导航用户提供电离层时延误差修正服务，该模型数学结构简单，但只能在全球中纬度地区实现50％左右的电离层误差改正效果。影响Klobuchar模型修正精度的因素可以概括为以下两点:(1) GPS播发的Klobuchar参数是根据当前太阳活动的实际情况、从370组预先设置的系数中选取的一组，其预先设置的播发参数由Bent模型拟合得到，难以准确反映当前电离层在全球范围内的变化情况;(2)受卫星通讯容量及模型计算效率的限制，Klobuchar模型在设计时仅采用8个参数描述电离层TEC周日尺度上的振幅及周期变化，忽略了初始相位及夜间平场的变化。 在分析Klobuchar模型初始相位及夜间电离层平场参数变化规律的基础上，本文提出了一种改进的10参数Klobuchar模型。与8参数Klobuchar模型将夜间天顶电离层时延设置为固定的5ns相比，10参数Klobuchar模型将夜间天顶电离层时延表示为与地磁赤道对称的线性函数更为合理。与GPS广播的Klobuchar模型相比，改进的10参数模型在2002及2006年的电离层改正精度提高了10～14％。 针对GPS用户接口文件中Klobuchar模型参数接口已固定且难以改变的现状，本文在不改变当前GPS电离层播发参数数量、系数大小及更新频率的条件下，通过对夜间电离层参数的建模与预报，进一步提出了一种顾及夜间电离层变化的NKlob单频电离层时延修正方案。2013-2014年的测试结果表明，NKlob与GPS广播的Klobuchar模型相比，修正精度提高了0.5～8.8％。 3.Galileo全球广播电离层模型-NeQuick Galileo采用NeQuick作为其全球广播电离层模型，NeQuick是一种三维电离层模型，能够同时给出信号传播路径上的电离层电子密度及其对应的TEC信息。针对Galileo广播星历中NeQuick电离层参数难以获取的现状，本文在系统总结NeQuick模型结构特点的基础上，设计了一种基于实测GNSS电离层TEC数据的NeQuick模型系数计算方法，并基于全球23个GPS基准站数据实现了2002-2014年Galileo全球广播电离层模型播发参数-NeQuickC的解算。与GPS及JASON电离层TEC的对比结果表明，2013年NeQuickC在全球陆地及海洋区域的修正精度分别可达72.4％及68.8％。NeQuickC参数为进一步分析Galileo全球电离层模型的改正效果奠定了基础。 NeQuick模型无需投影函数即可实现不同视线方向电离层TEC的计算，有效避免了电离层薄层假设及常用投影函数引入的误差。本文在利用陆态网GPS及GLONASS电离层TEC实测数据分析中国区域电离层投影函数误差的基础上，提出了一种基于NeQuick的电离层投影函数误差分析方法，为电离层薄层假设及常用投影函数的进一步改进提供了新的思路。 4.BDS全球广播电离层模型-BDSSH 目前，BDS区域导航系统分别采用改进的8参数及14参数Klobuchar模型为民用和军用单频导航用户提供电离层误差修正服务。受Klobuchar模型本身数学结构的限制，即便采用全球监测站数据实现8参数及14参数Klobuchar模型参数的解算，也只能在全球范围内提供65％左右的修正精度，难以满足BDS全球高精度电离层时延误差修正需求。BDS全球系统的建设还面临全球监测站布设的约束条件，因此BDS全球电离层模型必须同时具备在“境内为主，境外为辅”条件下实现模型播发参数解算的能力。 基于改进球谐函数构建的BDSSH模型基本能够满足BDS全球广播电离层模型的需求，本文针对BDSSH模型工程化应用的具体要求，分析了不同播发参数解算策略、参数更新频率及非播发参数选择对模型修正精度的影响，同时利用区域BDS及全球GPS观测数据全面分析BDSSH模型的应用精度及可靠性。基于区域BDS数据的测试结果表明，BDSSH模型在中国区域的修正精度为80.2％，分别优于GPSKlob、BDSKlob及NeQuickG约15.8％、14.4％及9.8％;基于全球GPS数据的测试结果表明，BDSSH模型在全球范围内的修正精度为77.2％，分别优于GPSKlob及NeQuickG约17.4％及11.9％。
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