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基于GNSS TEC的电离层模型IRI-Plas 2020与IRI-2020的全球精度评估

金俐君 陈必焰 王晓嫚 吴定一

金俐君, 陈必焰, 王晓嫚, 吴定一. 基于GNSS TEC的电离层模型IRI-Plas 2020与IRI-2020的全球精度评估[J]. 空间科学学报, 2024, 44(6): 1031-1046. doi: 10.11728/cjss2024.06.2023-0075
引用本文: 金俐君, 陈必焰, 王晓嫚, 吴定一. 基于GNSS TEC的电离层模型IRI-Plas 2020与IRI-2020的全球精度评估[J]. 空间科学学报, 2024, 44(6): 1031-1046. doi: 10.11728/cjss2024.06.2023-0075
JIN Lijun, CHEN Biyan, WANG Xiaoman, WU Dingyi. Global Accuracy Assessment and Analysis of the Ionospheric Model IRI-Plas 2020 and IRI-2020 Based on GNSS Observations (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(6): 1031-1046 doi: 10.11728/cjss2024.06.2023-0075
Citation: JIN Lijun, CHEN Biyan, WANG Xiaoman, WU Dingyi. Global Accuracy Assessment and Analysis of the Ionospheric Model IRI-Plas 2020 and IRI-2020 Based on GNSS Observations (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(6): 1031-1046 doi: 10.11728/cjss2024.06.2023-0075

基于GNSS TEC的电离层模型IRI-Plas 2020与IRI-2020的全球精度评估

doi: 10.11728/cjss2024.06.2023-0075 cstr: 32142.14.cjss.2023-0075
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(42274042), 国家自然科学基金项目(42388102), 湖南省优秀青年基金项目(2023JJ20060), 湖南省自然科学基金面上项目(2022JJ30697), 湖南省自然资源厅科技项目(20230167CH)和湖南省国土自然资源厅项目(HNGTCH-2023-05)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 金俐君 女, 1999年7月出生于湖北省荆门市, 硕士毕业于中南大学地球科学与信息物理学院, 主要研究方向为电离层建模. E-mail: jinlijun0603@foxmail.com
    通讯作者:
    • 陈必焰 男, 1988年11月出生于安徽省东至县, 现为中南大学地球科学与信息物理学院副教授, 博士生导师, 主要研究方向为GNSS气象学、电离层层析建模、地震电离层扰动等. E-mail: yeary124@csu.edu.cn
  • 中图分类号: P352

Global Accuracy Assessment and Analysis of the Ionospheric Model IRI-Plas 2020 and IRI-2020 Based on GNSS Observations

  • 摘要: 在信号传播与接收的过程中对电离层延迟进行改正可以提升卫星导航定位的精度, 电离层经验模型, 如国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)模型和IRI-Plas (IRI Extended to Plasmasphere)模型在估计电离层参数时得到广泛应用. 基于太阳活动低年2021年全球135个GNSS站的双频观测数据, 提取了垂直总电子含量(VTEC)和倾斜总电子含量(STEC)作为评价基准, 评估了同化GIM TEC数据的IRI-Plas 2020模型、未同化外部TEC的IRI-Plas 2020模型和IRI-2020模型. 针对不同模型与GNSS观测值之间的精度差异做了详细评估与分析, 分析了电离层纬度变化、日变化与季节变化规律, 探究了两种模型在不同地磁情况下的精度表现. 结果表明, 两种模型均能很好地表现电离层特征, 其中同化GIM TEC的IRI-Plas模型值精度最高, 由于模型计算高度范围的限制, 导致IRI模型值偏低, 未同化外部TEC的IRI-Plas模型值偏高. 同时, 两种模型的误差都表现出纬度变化, 通常随着纬度的增加而下降, 这些变化还显示出季节性趋势.

     

  • 图  1  135个GNSS站点的地理位置分布

    Figure  1.  Geographic distribution of the 135 selected GNSS stations

    图  2  全球误差分布. 不同模型在135个GNSS站点的STEC偏差(圆圈的颜色)和均方根误差(圆圈的大小)值

    Figure  2.  Global error distribution. Bias (indicated by the color of the circle) and root mean square error (indicated by the size of the circle) values of zenith hydrostatic delay at the 135 GNSS stations for the different models

    图  3  不同模型2021年日均STEC误差

    Figure  3.  Daily average STEC error of different ionospheric models in 2021

    图  4  不同模型2021年日均VTEC误差

    Figure  4.  Daily average VTEC error of different ionospheric models in 2021

    图  5  GNSS和经验模型在不同纬度上的季节性日平均STEC变化

    Figure  5.  Seasonal daily average STEC changes of the GNSS and empirical models at different latitudes

    图  6  GNSS和经验模型在不同纬度上的季节性日平均VTEC变化

    Figure  6.  Seasonal daily average VTEC changes of the GNSS and empirical models at different latitudes

    图  7  不同模型2021年分至点STEC均值误差日变化

    Figure  7.  Daily STEC error variation of different ionospheric models in 2021

    图  9  不同模型2021年分至点STEC均方根日变化

    Figure  9.  Daily STEC RMS variation of different ionospheric models in 2021

    图  10  不同模型2021年分至点VTEC日变化

    Figure  10.  Daily VTEC error variation of different ionospheric models in 2021

    图  12  不同模型2021年分至点VTEC均方根日变化

    Figure  12.  Daily VTEC RMS variation of different ionospheric models in 2021

    图  13  2021年Ap, Kp, Dst指数变化情况

    Figure  13.  Changes of Ap, Kp, and Dst indices in 2021

    图  8  不同模型2021年分至点STEC标准差日变化

    Figure  8.  Daily STEC STD variation of different ionospheric models in 2021

    图  11  不同模型2021年分至点VTEC标准差日变化

    Figure  11.  Daily VTEC STD variation of different ionospheric models in 2021

    图  14  不同地磁活动情况下的全球误差均值分布. (a)为地磁平静日, (b)为地磁活动日, (c)为小磁暴日. 圆圈的颜色表示偏差值, 圆圈的大小表示均方根误差值

    Figure  14.  Global error distribution map under different geomagnetic condition. (a) Geomagnetic activity: quiet, (b) geomagnetic activity: active, (c) geomagnetic activity: weak storms. Bias is indicated by the color of the circle and root mean square error is indicated by the size of the circle

    图  15  磁暴日全球误差分布. 圆圈的颜色表示偏差值, 圆圈的大小表示均方根误差值

    Figure  15.  Global error distribution map on geomagnetic storm day. Bias is indicated by the color of the circle and root mean square error is indicated by the size of the circle

    表  1  不同电离层经验模型与GNSS观测值偏差和均方根误差统计

    Table  1.   Statistical results of the differences between ionospheric empirical models derived from GNSS observations and calculated at 135 GNSS Sites

    模型 Bias/TECU RMSE/TECU
    均值 最大值 最小值 均值 最大值 最小值
    IRI-Plas1 1.46 4.11 –0.88 10.22 14.74 7.30
    IRI-Plas2 7.30 16.00 2.16 14.94 24.88 9.95
    IRI 0.05 5.50 –4.82 11.96 18.39 8.33
      上角标1表示同化GIM TEC, 上角标2表示未同化外部TEC.
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    表  2  不同模型与GNSS观测值偏差统计

    Table  2.   Statistical values of the differences in TEC of different ionospheric models

    △TEC 分至点 STEC/TECU VTEC/TECU
    最大值 最小值 均值 最大值 最小值 均值
    IRI-Plas1—GNSS 春分 18.59 –5.47 1.10 12.08 –3.21 1.25
    夏至 8.35 –7.70 0.87 6.53 –4.65 1.10
    秋分 12.74 –6.34 1.19 10.10 –3.86 1.29
    冬至 13.58 –5.19 1.11 9.74 –2.85 1.24
    IRI-Plas2—GNSS 春分 53.22 –6.88 6.55 34.90 –4.13 4.77
    夏至 52.02 –13.90 5.89 34.79 –8.99 4.35
    秋分 52.64 –10.05 6.94 35.16 –5.72 5.02
    冬至 42.95 –18.03 6.41 28.55 –11.10 4.69
    IRI—GNSS 春分 26.62 –19.54 –2.12 17.38 –11.37 –1.38
    夏至 23.81 –26.98 –2.22 15.69 –16.72 –1.45
    秋分 27.35 –23.24 –1.33 18.58 –14.51 –0.88
    冬至 19.14 –30.69 –1.69 13.31 –20.05 –1.11
      上角标1表示同化GIM TEC, 上角标2表示未同化外部TEC.
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    表  3  不同地磁情况下电离层经验模型与GNSS观测值偏差和均方根误差统计

    Table  3.   Statistical results of the differences between ionospheric empirical models derived from GNSS observations and calculated under different geomagnetic condition

    地磁活动 天数 模型 Bias/TECU RMSE/TECU
    最大值 最小值 均值 最大值 最小值 均值
    地磁平静日 302 IRI-Plas1 4.21 –0.85 1.49 14.70 7.28 10.26
    IRI-Plas2 16.48 2.32 7.41 25.33 9.93 15.05
    IRI 5.70 –4.62 0.19 18.39 8.50 11.94
    地磁活动日 52 IRI-Plas1 3.87 –0.88 1.30 14.73 5.87 9.97
    IRI-Plas2 14.75 1.28 6.54 22.88 9.17 14.28
    IRI 4.12 –5.69 –0.85 17.93 7.35 11.90
    小磁暴日 10 IRI-Plas1 5.07 –1.77 1.49 15.60 5.97 10.09
    IRI-Plas2 19.29 2.05 7.82 27.55 8.88 15.32
    IRI 6.95 –5.09 0.05 20.08 7.63 12.36
      上角1表示同化GIM TEC, 上角2表示未同化外部TEC.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-24
  • 修回日期:  2024-01-24
  • 网络出版日期:  2024-11-02

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