A study on modeling the regional ionosphere using multi-constellation gnss observations for single-frequency PPP

Abstract

İyonosfer Dünya'nın yüzeyi üzerinde yaklaşık 50-1000 km mesafede bulunan tabakadır. Bu tabaka sırasıyla D-tabakası, E-tabakası, F1-tabakası ve F2-tabakası olmak üzere dört ana katmandan oluşur. İyonosfer, uydu ile alıcı arasındaki görüş-hattı (line-of-sight) boyunca toplam elektronların sayısı olan Toplam Elektron İçeriği (Total Electron Content- TEC) tarafından miktarı belirlenmiş serbestçe yüklü elektronların bulunduğu bir bölgedir. Toplam elektron içeriği, günlük, aylık, sezonluk ve tahmini 11 yıllık güneş döngüşünün varyasyonlarını içerir. Aynı zamanla coğrafi konuma göre değişir.Dünya'nın iyonosfer tabakası dağıtıcı bir ortamdır. Bu, sinyal yayılım hızının frekansa bağımlı olduğu anlamına gelir. İyonosfer ışık hızının ötesinde faz gözlemlerini hızlandırır ancak kod gözlemlerini geciktirir. Ayrıca, faz ve genlik sintilasyonuna sebep olur. İyonosferik gecikme, yüksek ionosferik faaliyetler sırasında bir metreden daha az bir düzeyden onlarca metreye kadar değişim göstermektedir. Bu nedenle, hem global hem de bölgesel ölçekte iyonosfer toplam elektron içeriğinin prezisyonlu (hassas) olarak belirlenmesi, hassas konum belirleme ve uzay hava uygulamaları için önemli ve gereklidir. İyonosferik gecikme Prezisyonlu Noktasal Konum Belirleme (Precise Point Positioning- PPP) uygulamalarında ana hata kaynaklarından biridir. TEC birinci derece iyonosferik gecikmeyi belirler. Çift frekanslı PPP kullanıcıları için, birinci derece iyonosferik gecikme, `iyonosfer içermeyen` (ionosphere-free) lineer kombinasyon olarak adlandırılan farklı frekanstaki iki sinyalin birleştirilmesi ile ortadan kaldırılabilir. Tek frekanslı PPP modeli için iyonosferik gecikme ek bir hata kaynağıdır. Modellenmemiş iyonosferik hata, konumlandırma doğruluğunu; özellikle yükseklik bileşeninde, düşürür. Bu nedenle, tek frekanslı PPP kullanıcılarının iyonosferik gecikme hesaplayabilmesi için bir düzeltme modeli kullanmaları gerekmektedir. Bu amaçla, gerçek zamanlı (Real Time) ve gözlem sonrası (Post Process) değerlendirme uygulamaları için birçok ampirik model, fiziksel model, bölgesel ve global iyonosferik harita geliştirilmiştir. Ancak, bu modeller sınırlı uzay-zamansal (spatiotemporal) çözünürlüklere sahip olduklarından tek frekanslı PPP uygulamaları için yeterli olmayabilmektedir.Buna ek olarak, birçok iyonosferik gecikme düzeltme modeli literatürde bulunan önceki çalışmalarda önerilmiştir. Ancak, bu çalışmalar da verilen modeller bazı sınırlı mekânsal ve zamansal çözünürlüklere sahiptir. Bu nedenle, belirtilen sorunu aşmak için, bu çalışmada örnek bölge Avrupa seçilerek tek frekanslı PPP kullanıcıları için bölgesel ionosferik hata düzeltme modellerinin oluşturulması ele alınmaktadır.Öncelikle Avrupa için Bölgesel İyonosfer Modeli (Regional Ionospheric Model-RIM) geliştirilmiştir. Önerilen model sırasıyla 1º × 1º ve 15 dakika mekânsal ve zamansal çözünürlüğe sahiptir. Bu kapsamda 60 IGS ve EUREF referans istasyonundan oluşan bölgesel ağa ait GNSS gözlemleri Dikey Toplam Elektron İçeriği (Vertical Total Electron Content- VTEC) değerleri üretmek amacıyla Bernese 5.2 yazılımı kullanılarak değerlendirmeler yapılmıştır. Yeni önerilen RIM'i test etmek için, farklı istasyonlar için tek frekanslı PPP doğruluğu ve yakınsama süresi (convergence time) hesaplanmış ve IGS Global İyonosfer Haritaları (IGS-Global Ionosphere Maps- IGS-GIM) ile üç farklı gün için karşılaştırılmıştır. Bu aşamada `İyonosfer içermeyen` çift frekanslı PPP çözümleri karşılaştırma amaçlı kullanımıştır. Elde edilen sonuçlar önerilen RIM'in IGS-GIM modeli ile karşılaştırıldığında yakınsama süresini hızlandırdığını, konum belirleme doğruluğununun yatay, düşey ve 3D bileşenlerini sırasıyla %20, %45 ve %45 düzeylerinde arttırdığını göstermektedir.Buna ek olarak, Gerçek zamanlı Bölgesel İyonosfer Modeli (Real Time Regional Ionosphere Model- RT-RIM) IGS Gerçek Zamanlı Servisi (IGS Real Time Servis-IGS-RTS) hassas uydu yörünge ve saat ürünleri kullanılarak geliştirilmiştir. Önerilen modelin mekansal ve zamansal çözünürlüğü, sırasıyla, 1º × 1º ve 15 dakikadır. 60 IGS ve EUREF referans istasyonundan oluşan bölgesel ağa ait GPS gözlemleri gerçek zamanlı VTEC değerleri üretmek amacıyla Bernese 5.2 yazılımı kullanılarak değerlendirmiştir. Yeni önerilen RIM'i test etmek için, farklı istasyonlar için tek frekanslı PPP doğruluğu ve yakınsama süresi hesaplanarak IGS-GIM ile üç ardışık gün için karşılaştırılmıştır. Bu yolla, RT-RIM ile elde edilen PPP yakınsama süresi ve konum belirleme doğruluğu test edilmiş ve IGS-GIM modeli ile elde edilenlerle karşılaştırmıştır. Bu kapsamda `İyonosfer içermeyen` çift frekanslı PPP çözümleri karşılaştırma amaçlı kullanımıştır. Elde edilen sonuçlar önerilen RIM'in IGS-GIM modeli ile karşılaştırıldığında yakınsama süresini önemli ölçüde hızlandırdığını göstermektedir. Ayrıca, PPP doğruluğunun yatay, düşey ve 3D bileşenlerini IGS-GIM modeline kıyasla sırasıyla %40, %55, ve %40 düzeylerinde arttırdığı görülmektedir.Prezisyonlu toplam elektron içeriğini modellemek amacıyla, hem uydu hem de alıcı için Diferansiyel Kod Sapması (Differential Code Bias -DCB) hesaba katılmalıdır. Diferansiyel Kod Sapması, iki farklı frekansda kod gecikmeleri farkıdır. Uydu DCB değerleri, bir gün boyunca stabildir ancak alıcı DCB değerleri uydununki kadar stabil değildir. GPS gözlemleri genellikle bölgesel ve global ölçeklerde TEC modellemesi için kullanılmaktadır. Son zamanlarda, çoklu-sistem GNSS TEC modelleme yaygın olarak kullanılmaktadır. Çoklu-sistem GNSS teknolojileri, diğer bir deyişle birden fazla uygu konum belirleme sisteminin birleşimi gözlenen uyduların ve izlenen sinyallerin sayısını artırır. Ayrıca, çalışılan bölge için iyonosfer modelinin doğruluğunu artırıran İyonosfer Delme Noktası (İonosphere Pierce Point-IPP) için daha iyi bir kapsama alanı sağlar. Çoklu-sistem GNSS içinde ek DCB parametrelerinin hesaplanması gerekmektedir.Bu nedenle, Çoklu-sistem GNSS Alıcısı Diferansiyel Kod Sapması (Multi-constellation GNSS Receiver Diffrential Code Bias- MGR-DCB) hesaplama modeli geliştirilmiştir. Önerilen model iyonosfer düzeltmesi getirilmiş pseudorange farklarıyla GPS, Galileo ve Beidou sinyalleri için alıcı DCB'lerini hesaplamaktadır. Bu model, bölgesel iyonosferik model 'pseudorange' farklarından iyonosfer hatalarını kaldırmak için geliştirilmiştir. Önerilen modelin mekansal ve zamansal çözünürlüğü, sırasıyla, 1º × 1º ve 15 dakikadır. Geliştirilen MGR-DCB modelini test etmek için, örnek üç IGS Çoklu-sistem GNSS Test (IGS-MGEX) istasyonları alıcı DCB'leri üç farklı gün için değerlendirimiştir. Sonrasında, hesaplanan DCB değerleri yayınlanan MGEX değerleri ile karşılaştırmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, hesaplanan DCB'ler ve MGEX arasındaki uyuşumda ortalama fark ve Karesel Ortalama Hatasının (KOH) 1 ns den daha az olduğu görülmektedir. Ayrıca, GPS, Galileo ve Beidou gözlemlerinden hesaplanan VTEC değerleri IGS-GIM'den hesaplanan değerlerle karşılaştırılmıştır. Hesaplanan VTEC değerlerinin ortalama fark ve KOH değerlerinin 1 Toplam Elektron İçeriği Birimi (Total Electron Content Unit- TECU)'den daha az oldugu görülmektedir.Elde edilen sonuçlara göre, konum belirleme doğruluğu CBS, hidrografik ölçmeler ve uzaktan algılama uygulamaları dahil bir çok uygulamada kullanılabilir olduğu sonucuna varılabilir. Buna ek olarak, gelişmiş MGR-DCB değerlendirmeleri prezisyonlu iyonosfer izleme ve uzay hava uygulamalarında da kullanılabilir.

Currently, the use of single-frequency Precise Point Positioning (PPP) technique for precise applications is limited by the effect of the ionospheric delay. For this purpose, a number of models have been developed for post processing and real-time applications. In addition, a number of international organizations have developed ionospheric correction products, including the International Global Navigation Satellite Systems (GNSS) Service (IGS). Unfortunately, however, those models and products have limited accuracy or spatiotemporal resolution, which may not be adequate for single-frequency PPP applications. To overcome this problem, this study introduces the development of regional ionospheric error correction models for single-frequency PPP users in Europe. A Regional Ionospheric Model (RIM) over Europe is firstly developed. The proposed model has a spatial and temporal resolutions of 1º×1º and 15 minutes, respectively. GNSS observations from a regional network consisting of 60 IGS and EUREF reference stations are processed using the Bernese 5.2 software to extract the Vertical Total Electron Content (VTEC) values. To validate the newly proposed RIM, the single-frequency PPP accuracy and convergence time for another set of stations are estimated and compared with those of the IGS Global Ionospheric Maps (IGS-GIM) counterparts in three different days. The ionosphere-free dual frequency PPP is used as reference. The findings reveal that the proposed RIM accelerates the convergence time and enhances the positioning accuracy by about 20%, 45% and 45% for the horizontal, height and 3D components, respectively, in comparison with the IGS-GIM model. In addition, a Real-Time Regional Ionospheric Model (RT-RIM) is developed using the IGS Real-Time Service (IGS-RTS) precise satellite orbit and clock products. The spatial and temporal resolutions of the proposed model are also 1º×1º and 15 minutes, respectively. In order to produce the real-time VTECs, Global Positioning System (GPS) observations from a regional network consisting of 60 IGS and EUREF reference stations are processed using the Bernese 5.2 software. The newly proposed RT-RIM is validated for PPP applications for another set of stations in three successive days. The PPP convergence time and positioning accuracy obtained through the RT-RIM is assessed and compared with those obtained through the IGS-GIM model. The ionosphere-free dual frequency PPP is used as reference. It is shown that the developed RT-RIM speeds up the convergence time. Moreover, the PPP accuracy is improved by about 40%, 55% and 40% for the 2D, height and 3D components, respectively, with respect to the IGS-GIM counterparts. To precisely model the ionosphere TEC, a Multi-constellation GNSS Receiver Differential Code Bias (MGR-DCB) estimation model is developed. The proposed model estimates the receiver DCBs for the GPS, Galileo and BeiDou signals using the ionosphere-corrected pseudoranges differences. A regional ionospheric model is developed in order to remove the ionospheric errors from the pseudorange differences. The proposed RIM has a spatial and temporal resolutions of 1º×1º and 15 minutes, respectively. To validate the developed MGR-DCB model, the receiver DCBs for three IGS Multi-GNSS Experiment (IGS-MGEX) stations are obtained for three different days. The estimated DCB values are compared with the published MGEX values. The results show that the agreement between the estimated DCBs and the MGEX is less than 1 ns for both of the mean difference and Root Mean Square Error (RMSE) values. Moreover, the VTEC values are computed from the combined GPS, Galileo and BeiDou measurements and compared with the IGS-GIM counterparts. It is shown that the computed VETC values have good agreement with the IGS-GIM counterparts with mean difference and RMSE values less than 1 Total Electron Content Unit (TECU).