团队博士生何蓉在《Space Weather》期刊发表中国区域GIM和IRI-2020两种电离层模型在不同电离层活动条件下的精度评估研究成果

电离层误差是全球卫星导航系统（GNSS）定位的主要误差之一，特别是对单频用户而言。GNSS信号受到电离层的影响，同时也可以利用其获得高时空分辨率的总电子含量（TEC）。全球电离层电子含量分布图（GIM）可以由全球分布的国际GNSS服务（IGS）站点提供的双频观测数据构建。利用GIM可以获取VTEC，从而计算电离层时延，提高定位性能。国际参考电离层（IRI）模型是由空间研究委员会（COSPAR）和国际无线电科学联盟（URSI）共同发的电离层经验模型。它基于来自全球分布的地面和空间电离层观测的数据，可获得全球60~20000 km高度的电子密度、温度、离子温度和离子成分。通过IRI提供的电子密度，根据积分的方法可以得到对应高度的TEC。分析GIM模型和IRI模型在不同电离层活动条件下的性能可以为两种模型的数据同化以及模型精化提供有利参考。本研究基于武汉大学电离层产品WHU-GIM和IRI-2020模型，分析中国区域在2008-2020年间两种模型的差异分布和各自精度。这项研究表明，在太阳活动低年和地磁平静的时期，IRI-2020模型可以提供可靠的TEC。与WHU-GIM产品和GPS实测数据相比，其在太阳活动高年和地磁扰动期间的性能较弱。尽管IRI-2020模型利用太阳活动和地磁条件作为输入参数，但由于实验基于的数据量相对较小，在地磁扰动或其他事件的条件下其精度会有所降低。本文在应用IRI-2020模型构建三维区域电离层模型，以及实现中国及邻近地区电离层实时预报等方面具有参考价值。

论文于近期以“A Comparison of a GNSS-GIM and the IRI-2020 Model Over China Under Different Ionospheric Conditions”为题，发表在SCI期刊《Space Weather》。整个工作由团队博士生何蓉在其导师李敏教授和团队张强博士指导下完成。该项研究受到了国家自然科学基金（42030109, 41931075和 42004020）课题资助。

论文主要内容

本研究采用不同的方法对2008 -2020年WHU-GIM和IRI-2020在中国区域的性能进行了评估。首先，计算了两种电离层模型之间的差异。其次，以双频观测得到的精确dSTEC作为参考，计算观测到的dSTEC与模型值之间的误差。然后，在太阳活动高、低的不同地磁条件下，直接将WHU-GIM和IRI-2020与基于GPS计算的TEC进行比较。最后，给出了两种电离层模型改正下SF-PPP的性能。

图1给出了评估时间内太阳辐射通量F10.7，WHUG和IRIG两种模型的差值均值和STD序列。可以看出二者差异在-5-15 TECU内，且与太阳活动紧密相关。

图1 2008-2020年间太阳辐射通量F10.7，WHUG和IRIG之间VTEC的差值均值以及STD序列

图2为2008-2020年间WHUG和IRIG两种模型的dSTEC误差均值和RMS序列，可以看出二者在太阳活动低年精度相当，而IRIG在太阳活动高年精度较低。图3为太阳活动高年(2014年)和太阳活动低年(2018年)两种模型dSTEC误差随纬度的变化。可以发现，dSTEC误差在低纬度测站明显较大，随纬度的增加而减小，在太阳活动高年表现出更明显的特征。这是由于低纬度地区的电离层更加活跃和受干扰，因而这些地区的模型精度将降低。

图2 2008-2020年间WHUG和IRIG两种模型的dSTEC误差均值和RMS序列

图3 太阳活动高年(2014年)和太阳活动低年(2018年)两种模型dSTEC误差随纬度的变化

图4为2015年和2018年选择的磁暴期间，基于GPS实测数据计算的TEC与WHUG和IRIG TEC之间的相关系数。该图表明，在不同电离层条件下，WHUG和IRIG与GPS-TEC的相关性大于0.85。在选定的时间段内，2015年和2018年WHUG与GPS-TEC之间几乎所有的相关系数都在0.95以上，显示出较高的相关性。IRIG与GPS-TEC的相关性略低于WHUG，且受电离层条件的影响，当地磁暴发生时相关性下降。在2015年和2018年选取的时间段中，前三天为磁平静日。以此为参考，在不同地磁条件下，相对于GPS-TEC而言IRIG的TEC改正率62.85% ~ 80.51%，WHUG的为83.2% ~ 91.95%。这意味着IRI-2020模型受地磁活动的影响更大。

图4 太阳活动高年（2015年）和低年（2018年）磁暴期间WHUG/IRIG模型提供的TEC与实测GPS数据计算TEC的相关系数和RMS。

不同电离层模型改正的SF-PPP定位误差的RMS表明，2015年，两种模型的水平定位精度在0.5 m左右波动，IRIG的垂直定位精度比WHUG差。在太阳活动较弱的2018年，两种模型的水平定位精度在0.3 m以内，垂直定位精度在0.5 m以内。在选取时间内，两种模型TEC的差值在太阳活动低年间（2018年）位于0 TECU浮动，太阳活动高年期间（2015年）最大差值为12 TECU，出现在0°~ 15°N纬度带。根据各测站SF-PPP定位误差的平均值分布（图5）可知，采用IRIG进行电离层延迟改正的低纬度测站在U方向存在较大偏差。而低纬度台站的电离层穿刺点分布靠近赤道区域，即IRIG的TEC偏差较大的区域。由此可见，使用IRIG的低纬度站点的U方向定位误差偏差比使用WHUG的定位误差偏差大近1 m。这表明，IRI-2020的低TEC估计可能会导致定位上向偏差较大，特别是在中国低纬度地区。

图5 各测站2015年DOY 072-080年和2018年DOY 230-240年内，不同电离层模型改正条件下SF-PPP定位误差的均值分布

结论

本文评估了武汉大学电离层产品WHU-GIM和IRI-2020模型在2008-2020年间在中国区域的精度。结果表明IRI-2020的TEC总体上低于WHU-GIM，在高太阳条件和低纬度地区差异更为明显。利用GPS观测数据计算的dSTEC进行模型验证的结果表明，WHU-GIM和IRI-2020的精度分别为3.14和4.57 TECU，且dSTEC误差在低纬度较大，随纬度的增加而减小。以GPS实测的TEC为参考，对两种模型的可靠性进行了评价。结果表明，两种模型计算的TEC均有日变化的特征，但IRI-2020受地磁活动的影响更大。不同电离层条件下，IRI-2020的TEC改正率约为60% ~ 80%，WHUG的为80% ~ 90%。利用模型分别改正电离层延迟进行了单频精密单点定位(SF-PPP)。定位误差结果显示使用IRI-2020改正定位精度较低，且在低纬度地区，其TEC差异会造成较大的向上偏差。

论文信息：

He, R., Li, M., Zhang, Q., & Zhao, Q. (2023). A Comparison of a GNSS-GIMand the IRI-2020 model over China under different ionospheric conditions. Space Weather, 21, e2023SW003646. https://doi.org/10.1029/2023SW003646