ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 1 · СМЕЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Особенности представления GEC в операционных ионосферных моделях Клобучара, BDGIM и NeQuickG

Ч. Чэнь1, А.М. Падохин1,2,3, А.К. Иванов1, И.А. Павлов1,2,3

1 Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия
2 Институт Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Троицк, Россия
3 Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.1.4 УДК 550.388.2 EDN IJLCNK

Аннотация

В статье рассматриваются особенности оценки глобального электронного содержания (GEC) ионосферы на основе простых эмпирических моделей Клобучара, BDGIM и NeQuickG, использующихся в системах спутниковой навигации GPS, Beidou и Galileo. С использованием данных наблюдений глобальных навигационных спутниковых систем за практически полный 24-й цикл солнечной активности и глобальных ионосферных карт CODG исследована статистика отклонений и спектральные характеристики вариаций GEC, оцениваемых в моделях и наблюдаемых экспериментально. Показано, что среднее отклонение и СКО оценок GEC по моделям BDGIM и NeQuickG от данных CODG составляет (-0.041GECu и 0.092GECu) и (-0.025GECu и 0.042GECu), соответственно. Таким образом, модель NeQuickG может быть использована в приложениях, требующих оперативной оценки GEC. Модель BDGIM дает сопоставимые результаты, однако дисперсия отклонений модельных оценок GEC от экспериментально наблюдаемых для нее выше, чем для NeQuickG, особенно в периоды максимума солнечной активности. Модель Клобучара дает существенно смещенные оценки GEC, как в минимуме (0.172GECu), так и в максимуме 24-го цикла солнечной активности (-0.243GECu) и не может быть рекомендована для оценки GEC. В тоже время модель BDGIM требует улучшений в части надежного воспроизводства амплитуд 27-дневных и полугодовых вариаций GEC, особенно в периоды максимальной солнечной активности, что в перспективе должно также улучшить учет ионосферной задержки в навигационных задачах в одночастотном режиме.

  • ионосфера
  • глобальные навигационные спутниковые системы
  • глобальное электронное содержание
  • модель Клобучара
  • BDGIM
  • NeQuick-G
Abstract (in English)

Features of GEC representation in operational ionospheric models of Klobuchar, BDGIM and NeQuickG

The article considers the features of ionospheric global electron content (GEC) estimation based on simple empirical models of Klobuchar, BDGIM and NeQuickG used in the global satellite navigation systems GPS, Beidou and Galileo. Using GNSS observational data for almost the entire 24th solar activity cycle and global ionospheric maps CODG, the statistics of deviations and spectral characteristics of GEC variations estimated in the models and observed experimentally are studied. It is shown that the average deviation and standard deviation of GEC estimates by the BDGIM and NeQuickG models from the CODG data are (-0.041GECu and 0.092GECu) and (-0.025GECu and 0.042GECu), respectively. Thus, the NeQuickG model can be used in applications requiring prompt GEC estimation. The BDGIM model gives comparable results, but the dispersion of deviations of the model GEC estimates from the experimentally observed ones is higher for it than for NeQuickG, especially during periods of maximum solar activity. The Klobuchar model gives significantly biased GEC estimates, both at the minimum (0.172GECu) and at the maximum of the 24th solar activity cycle (-0.243GECu) and cannot be recommended for estimating GEC. At the same time, the BDGIM model requires improvements in terms of reliable reproduction of the amplitudes of 27-day and semi-annual GEC variations, especially during periods of solar maximum, which in the future should also improve the accounting of the ionospheric delay in positioning tasks in the single-frequency mode.

Для цитирования

Чэнь Ч., Падохин А.М., Иванов А.К., Павлов И.А. Особенности представления GEC в операционных ионосферных моделях Клобучара, BDGIM и NeQuickG // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.1.4

Литература

  1. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Wasle E. GNSS-global navigation satellite systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more. - Springer Science & Business Media, 2007.
  2. Afraimovich E.L. et al. A review of GPS/GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena // Journal of Space Weather and Space Climate. - 2013. - Т. 3. - С. A27.
  3. Gendt G. et al. Near real time GPS water vapor monitoring for numerical weather prediction in Germany // Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II. - 2004. - Т. 82. - №. 1B. - С. 361-370.
  4. Larson K.M., Freymueller J.T., Philipsen S. Global plate velocities from the Global Positioning System // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. - 1997. - Т. 102. - №. B5. - С. 9961-9981.
  5. Vergados P., Komjathy A., Meng X. GNSS observation for detection, monitoring, and forecasting natural and man-made hazardous events // Position, Navigation, and Timing Technologies in the 21st Century: Integrated Satellite Navigation, Sensor Systems, and Civil Applications. - 2020. - Т. 1. - С. 939-969.
  6. EUSPA EO and GNSS market report // Publications Office of the European Union. - 2022. - №. 1.
  7. NAVSTAR GPS Space Segment/Navigation User Segment Interfaces; IS-GPS-200-N; Interface Specification Document; GPS.gov: USA, 2022. Available online: https://www.gps.gov/technical/icwg
  8. BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document Open Service Signal B1C, China, 2017. Available online: http://en.beidou.gov.cn/SYSTEMS/ICD/201806/P020180608519640359959.pdf
  9. Galileo open service signal-in-space interface control document, EU, 2023. Available online: https://www.gsc-europa.eu
  10. Klobuchar J. A. Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users // IEEE Transactions on aerospace and electronic systems. - 1987. - №. 3. - С. 325-331.
  11. European GNSS (Galileo) Open Service-Ionospheric Correction Algorithm for Galileo Single Frequency Users; European Commission. 2016. Available online: https://www.gsc-europa.eu
  12. Yuan Y. et al. The BeiDou global broadcast ionospheric delay correction model (BDGIM) and its preliminary performance evaluation results // Navigation. - 2019. - Т. 66. - №. 1. - С. 55-69.
  13. Yasyukevich Y.V. et al. Klobuchar, NeQuickG, BDGIM, GLONASS, IRI-2016, IRI-2012, IRI-Plas, NeQuick2, and GEMTEC Ionospheric Models: A Comparison in Total Electron Content and Positioning Domains // Sensors. - 2023. - Т. 23. - №. 10. - С. 4773.
  14. Dow J.M., Neilan R.E., Rizos C. The international GNSS service in a changing landscape of global navigation satellite systems // Journal of geodesy. - 2009. - Т. 83. - С. 191-198.
  15. Hernández-Pajares M. et al. The IGS VTEC maps: a reliable source of ionospheric information since 1998 // Journal of Geodesy. - 2009. - Т. 83. - С. 263-275.
  16. Setti Jr P.T., da Silva C.M., Alves D.B.M. Assessing GNSS ionospheric models at low latitudes: BDGIM, NeQuick-G, and Klobuchar // GPS Solutions. - 2025. - Т. 29. - №. 1. - С. 15.
  17. Afraimovich E.L. et al. Global electron content: a new conception to track solar activity // Annales Geophysicae. - Göttingen, Germany: Copernicus Publications, 2008. - Т. 26. - №. 2. - С. 335-344.
  18. Gulyaeva T.L., Veselovsky I.S. Two-phase storm profile of global electron content in the ionosphere and plasmasphere of the Earth // Journal of Geophysical Research: Space Physics. - 2012. - Т. 117. - №. A9.
  19. Sezen U., Gulyaeva T.L., Arikan F. Performance of solar proxy options of IRI-Plas model for equinox seasons // Journal of Geophysical Research: Space Physics. - 2018. - Т. 123. - №. 2. - С. 1441-1456.
  20. Roma-Dollase D. et al. Consistency of seven different GNSS global ionospheric mapping techniques during one solar cycle //Journal of Geodesy. - 2018. - Т. 92. - С. 691-706.
  21. Wang N. et al. BeiDou Global Ionospheric delay correction Model (BDGIM): performance analysis during different levels of solar conditions // GPS solutions. - 2021. - Т. 25. - №. 3. - С. 97.
  22. Nava B., Coisson P., Radicella S. M. A new version of the NeQuick ionosphere electron density model // Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics. - 2008. - Т. 70. - №. 15. - С. 1856-1862.
  23. Prieto-Cerdeira R. et al. Performance of the Galileo single-frequency ionospheric correction during in-orbit validation // GPS world. - 2014. - Т. 25. - №. 6. - С. 53-58.
  24. Montenbruck O., González Rodríguez B. NeQuick-G performance assessment for space applications // GPS solutions. - 2020. - Т. 24. - №. 1. - С. 13.
  25. Yasyukevich Y. et al. Ionospheric Global and Regional Electron Contents in Solar Cycles 23-25 // Symmetry. - 2023. - Т. 15. - №. 10. - С. 1940.
  26. Space Weather Canada. https://www.spaceweather.gc.ca/solarflux/sx-en.php
  27. ESA GNSS Science Support Centre. ftp.gssc.esa.int/gnss/products/ionex/ (открывается через программы доступа к ftp серверам)
  28. CAS Ionospheric Service ftp.gipp.org.cn/product/ (открывается через программы доступа к ftp серверам)
  29. Wang N. et al. An examination of the Galileo NeQuick model: comparison with GPS and JASON TEC // GPS solutions. - 2017. - Т. 21. - С. 605-615.
  30. Wang N. et al. Refinement of global ionospheric coefficients for GNSS applications: Methodology and results // Advances in space research. - 2019. - Т. 63. - №. 1. - С. 343-358.
  31. Jones Jr M. et al. Origins of the thermosphere-ionosphere semiannual oscillation: Reformulating the "thermospheric spoon" mechanism // Journal of Geophysical Research: Space Physics. - 2018. - Т. 123. - №. 1. - С. 931-954.