電離層閃爍對(duì)GNSS的影響①

徐 彬,劉 鈍

(1.海軍頻譜管理辦公室,北京100846,2.中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島266107)

0 概 述

衛(wèi)星信號(hào)穿越電離層時(shí),電離層中存在的不均勻體結(jié)構(gòu)會(huì)引起信號(hào)強(qiáng)度和相位的快速隨機(jī)起伏變化,這種現(xiàn)象稱為電離層閃爍。對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言,電離層閃爍將引起地面接收機(jī)接收到的信號(hào)出現(xiàn)誤碼和信號(hào)畸變,影響信號(hào)的測(cè)量精度,閃爍強(qiáng)烈時(shí)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)跟蹤信號(hào)的失鎖,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)功能。對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言,電離層閃爍可以引起通信鏈路的中斷,同時(shí),由于通信網(wǎng)絡(luò)在很大程度上依賴衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)間同步,電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響也將形成對(duì)通信系統(tǒng)的潛在影響。

電離層閃爍效應(yīng)在低緯的赤道異常區(qū)最為強(qiáng)烈,我國(guó)南方區(qū)域正處于磁赤道異常區(qū)的北峰區(qū)域,是全球范圍內(nèi)電離層閃爍出現(xiàn)最頻繁、影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一。因此,開展電離層閃爍研究對(duì)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航、通信系統(tǒng)的建設(shè)都具有重要意義。重點(diǎn)對(duì)電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析,并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)電離層閃爍對(duì)我國(guó)低緯區(qū)域影響的嚴(yán)重性,最后提出我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)中建議采取的針對(duì)性減緩措施。

1 電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)影響

與電離層造成的信號(hào)延遲、電離層暴引起的電離層電子含量梯度變化等影響效應(yīng)不同,電離層閃爍的影響更為復(fù)雜。這種復(fù)雜性一方面表現(xiàn)在電離層閃爍造成衛(wèi)星信號(hào)的衰減,影響接收機(jī)接收信號(hào)的強(qiáng)度,因此將引起測(cè)量精度降低、空中可視衛(wèi)星數(shù)減少等一系列影響,并最終影響用戶定位精度;另一方面,造成閃爍的電離層不均勻體將引起電離層局域性的密度梯度變化,這種變化難以用電離層修正模型進(jìn)行補(bǔ)償,造成用戶定位精度降低。下面將按接收機(jī)測(cè)量定位的實(shí)現(xiàn)流程,對(duì)電離層閃爍的各種影響方式進(jìn)行分析。

1.1 電離層閃爍對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的影響

電離層閃爍將引起穿越其中的無線電信號(hào)的快速起伏,表現(xiàn)在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收的信號(hào)上,使信號(hào)載噪比快速抖動(dòng)、信噪比下降,甚至衛(wèi)星信號(hào)的中斷。圖1給出了閃爍期間,衛(wèi)星信號(hào)的典型變化。

圖1 電離層閃爍引起的衛(wèi)星信號(hào)幅度的衰落及衛(wèi)星的仰角變化(?？?2003年10月14日)

從圖中可以看出,電離層閃爍使得接收的衛(wèi)星信號(hào)信噪比下降,從典型的信號(hào)強(qiáng)度50 dB/Hz下降到40 dB/Hz甚至更低,信號(hào)衰落幅度可達(dá)13～20 dB,嚴(yán)重情況下還可以發(fā)生衛(wèi)星信號(hào)跟蹤的中斷。尤其從PRN 8號(hào)衛(wèi)星的影響可以看出,電離層閃爍造成的信號(hào)中斷持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),達(dá)5分鐘左右;信號(hào)受閃爍影響期間,衛(wèi)星仰角較高,表明該衛(wèi)星信號(hào)受到強(qiáng)電離層閃爍影響。

1.2 電離層閃爍對(duì)測(cè)量精度的影響

GNSS接收機(jī)偽距測(cè)量精度與衛(wèi)星信號(hào)的載噪比密切相關(guān),隨載噪比的降低和閃爍影響的增大,接收機(jī)環(huán)路跟蹤誤差增大。無電離層閃爍時(shí),GNSS接收機(jī)接收的信號(hào)載噪比一般為45～50 dB/Hz,對(duì)于高精度測(cè)量接收機(jī)而言,碼偽距測(cè)量精度可優(yōu)于20 cm.強(qiáng)閃爍情況下,接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào)載噪比將下降到30～35 dB/Hz.由文獻(xiàn)[6]的仿真結(jié)果可知,此時(shí)接收機(jī)的偽距測(cè)量精度將降至米級(jí)。當(dāng)信號(hào)的載噪比進(jìn)一步降低時(shí),接收機(jī)一般處于失鎖的臨界狀態(tài),其輸出的偽距具有很大的不確定性。閃爍期間實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的分析也表明,此時(shí)單頻用戶定位誤差可以達(dá)到幾百米甚至上千米的量級(jí),定位結(jié)果已不可信[5]。

文獻(xiàn)[5]中閃爍期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,存在電離層閃爍情況下,GPS接收機(jī)碼偽距的測(cè)量精度普遍較低,并且,強(qiáng)烈的電離層閃爍造成了衛(wèi)星信號(hào)中斷。

1.3 電離層閃爍對(duì)載波周跳的影響

電離層閃爍造成的GNSS接收機(jī)載噪比降低,同樣將影響接收機(jī)的載波測(cè)量。衛(wèi)星信號(hào)載噪比的降低將影響載波環(huán)路的測(cè)量精度。閃爍期間,載波周跳的發(fā)生次數(shù)也大幅增加。通過對(duì)2001年電離層閃爍期間我國(guó)南方區(qū)域GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明,發(fā)生電離層閃爍時(shí),GPS接收機(jī)的周跳現(xiàn)象在一小時(shí)內(nèi)最多可以達(dá)到230次左右,遠(yuǎn)大于電離層平靜時(shí)的次數(shù)(一小時(shí)內(nèi)最多不超過15次)[7]。

1.4 電離層閃爍對(duì)電離層延遲修正的影響

無電離層閃爍情況下,衛(wèi)星升起時(shí),隨仰角變化,衛(wèi)星信號(hào)穿越電離層的距離變短,電離層延遲逐漸減小;衛(wèi)星降落時(shí),電離層延遲變化趨勢(shì)正好相反。因此,在平靜電離層情況下,衛(wèi)星的傾斜電離層延遲應(yīng)為一條光滑的曲線。

與電離層閃爍相關(guān)的電離層不均勻體可造成局域電離層電子密度增強(qiáng),衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過上述區(qū)域時(shí),傾斜電離層延遲將不再遵循上述變化規(guī)律。增強(qiáng)的電子密度使得電離層傾斜延遲隨衛(wèi)星仰角的升高,沒有減小反而增大,這樣就使得電離層模型不能準(zhǔn)確描述由于電離層不均勻體造成的電離層傾斜延遲變化,從而影響了硬件延遲估計(jì)精度,并進(jìn)一步影響電離層網(wǎng)格模型的實(shí)現(xiàn)精度[5]。

1.5 電離層閃爍對(duì)DOP的影響

電離層閃爍可以造成衛(wèi)星跟蹤中斷,從而影響用戶定位中可用的衛(wèi)星數(shù)及衛(wèi)星的空間分布。尤其是對(duì)于較低仰角的衛(wèi)星,由于其載噪比較低,因此更容易受到電離層閃爍的影響。而上述衛(wèi)星跟蹤的中斷,往往引起較大的DOP突變[5],嚴(yán)重影響接收機(jī)的定位精度。

1.6 電離層閃爍對(duì)用戶定位性能的影響

電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能的上述影響之間是互相影響的,這些影響效應(yīng)一起造成了用戶最終定位精度的降低。圖2給出了閃爍期間,單頻用戶的定位結(jié)果?？梢钥闯?用戶的位置發(fā)生巨大的位置跳變。進(jìn)一步的分析表明,電離層閃爍造成多顆的衛(wèi)星失鎖,引起用戶可用衛(wèi)星數(shù)的快速變化(圖3),在這些時(shí)間段內(nèi),用戶定位結(jié)果發(fā)生大的位置跳變。

圖3 QION站定位中可用的衛(wèi)星數(shù)

2 電離層閃爍對(duì)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)影響的嚴(yán)重性

圖4給出了世界范圍內(nèi)電離層閃爍影響區(qū)域的分布,淺黑色表示電離層閃爍高發(fā)區(qū)域,深黑色表示電離層閃爍不發(fā)生。可以看出,我國(guó)低緯地區(qū)是世界范圍內(nèi)的電離層閃爍高發(fā)區(qū)之一。

圖4 世界范圍內(nèi)電離層閃爍發(fā)生頻率的分布

電離層閃爍嚴(yán)重影響我國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用。圖5給出了我國(guó)2003年觀測(cè)的部分電離層閃爍結(jié)果[3],圖中給出的是一個(gè)星期(2003年10月6日-2003年10月12日),海口觀測(cè)到的電離層閃爍指數(shù)S4變化。可以看出,在一個(gè)星期內(nèi),有6天發(fā)生了電離層閃爍,并且多為強(qiáng)電離層閃爍。由于文中的部分結(jié)果及文獻(xiàn)[3]中的結(jié)果主要利用上述時(shí)間段及鄰近時(shí)間段的數(shù)據(jù)分析獲得,因此可知,上述時(shí)間范圍內(nèi),電離層閃爍嚴(yán)重影響了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

隨著2012年太陽活動(dòng)高年的到來,電離層閃爍又將進(jìn)入一個(gè)高發(fā)期。圖6利用電離層閃爍預(yù)報(bào)模型給出的2012年3月19日我國(guó)南方區(qū)域電離層閃爍影響區(qū)域分布的預(yù)測(cè)?？梢钥闯?我國(guó)南方較大區(qū)域?qū)⒖赡苁艿诫婋x層閃爍的影響,其中,三亞、海口、湛江、廣州、廈門等地受電離層閃爍影響的可能性最大。

3 我國(guó)應(yīng)采用的針對(duì)措施

電離層閃爍將影響整個(gè) L頻段,使用該頻段的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(包括BeiDou、GPS、GALILEO、GLONASS等)都將受到電離層閃爍影響。因此,電離層閃爍研究對(duì)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。針對(duì)電離層閃爍影響,可采取的應(yīng)對(duì)措施主要包括:

1)GNSS接收機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

在GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中,針對(duì)電離層閃爍的影響,從環(huán)路設(shè)計(jì)、信號(hào)跟蹤及重捕算法實(shí)現(xiàn)等方法,考慮對(duì)接收機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。目前,歐洲的Septentrio公司正在和巴西(位于南美電離層閃爍高發(fā)區(qū))有關(guān)單位開展CIGALA項(xiàng)目的合作研究,其目的是尋求GNSS接收機(jī)中有效的電離層閃爍減緩方法,以滿足該區(qū)域GNSS用戶應(yīng)用需求[8]。我國(guó)也應(yīng)開展類似的工作。

2)GNSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)采取針對(duì)性措施

針對(duì)電離層閃爍的區(qū)域特性進(jìn)行研究,對(duì)閃爍影響的范圍、程度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,為GNSS及其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。如印度的GAGAN設(shè)計(jì)中,針對(duì)印度區(qū)域的電離層閃爍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并作為監(jiān)測(cè)站選址的依據(jù)[11];美國(guó)的WAAS設(shè)計(jì)中,針對(duì)閃爍影響的持續(xù)時(shí)間、間隔等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,針對(duì)性地對(duì)WAAS的性能標(biāo)準(zhǔn)(WAAS MOPS)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)[9],并將電離層閃爍監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)已納入WAAS的運(yùn)控系統(tǒng)。

3)建立有效的電離層閃爍監(jiān)測(cè)與預(yù)警服務(wù)

減緩電離層閃爍影響的一個(gè)重要途徑是建立電離層閃爍監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制,并結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),為系統(tǒng)運(yùn)行及應(yīng)用提供服務(wù)保障,如可通過預(yù)警信息的發(fā)布,為受閃爍影響的區(qū)域用戶(如通信、導(dǎo)航用戶)提供預(yù)警,使用戶及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急備份系統(tǒng)等。目前,美國(guó)軍方、NASA、FAA、ESA等都建有或正在建設(shè)相應(yīng)的電離層閃爍監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

電離層閃爍是影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要因素。電離層閃爍可以引起用戶接收機(jī)測(cè)量誤差增大,電離層延遲修正精度降低,用戶定位精度因子的增大,從而降低用戶的定位精度,閃爍影響嚴(yán)重時(shí)可以造成接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星的失鎖,引起用戶定位結(jié)果發(fā)生巨大跳變,嚴(yán)重影響了用戶的定位性能。

我國(guó)南方區(qū)域處于電離層閃爍高發(fā)區(qū),電離層閃爍在影響的區(qū)域、時(shí)間、程度上都遠(yuǎn)大于中緯地區(qū),這將嚴(yán)重影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在該區(qū)域內(nèi)的定位精度、完好性、連續(xù)性等性能。因此電離層閃爍是我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的環(huán)境影響因素。

電離層閃爍造成的誤差難以通過相應(yīng)的模型進(jìn)行精確的修正,只能通過接收機(jī)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、定位方法算法改進(jìn)等方面的設(shè)計(jì)改進(jìn),提高系統(tǒng)性能。建立電離層閃爍監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能保障的有效手段,也是對(duì)系統(tǒng)各種應(yīng)用的重要服務(wù)功能之一。

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