中國(guó)區(qū)域電離層特性對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響

劉 鈍 甄衛(wèi)民

（中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島 266107）

引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)穿越電離層到達(dá)地面，不可避免地受到電離層環(huán)境的影響，電離層應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)中的一項(xiàng)重要工作。

精度、完好性、連續(xù)性和可用性是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本性能要求。對(duì)電離層應(yīng)用技術(shù)，“精度”要求就是提供高精度的電離層修正功能?！巴旰眯浴笔请S著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展而提出的一項(xiàng)重要性能要求，“是對(duì)可以加之于導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的信息正確度信任程度的一種度量，其中包含當(dāng)系統(tǒng)不應(yīng)用于導(dǎo)航時(shí)向用戶發(fā)出及時(shí)報(bào)警的能力”［1］。根據(jù)完好性定義，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的電離層修正技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:

1）建立合適的誤差門(mén)限，以判定電離層修正誤差是否超限，以此實(shí)現(xiàn)電離層修正量的正確度評(píng)估和及時(shí)報(bào)警能力。

2）電離層修正一般針對(duì)平靜電離層狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，而在電離層擾動(dòng)情況下難以實(shí)現(xiàn)精確修正功能，因此，應(yīng)實(shí)現(xiàn)電離層擾動(dòng)的有效檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警能力。

國(guó)外在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)的電離層應(yīng)用技術(shù)研究上開(kāi)展有廣泛的工作。斯坦福大學(xué)早在1996年就提出電離層網(wǎng)絡(luò)模型，并用于全球定位系統(tǒng)（GPS）廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）的實(shí)現(xiàn)［15］。隨后，國(guó)外研究的重點(diǎn)就集中在電離層相關(guān)的完好性實(shí)現(xiàn)技術(shù)上，這些工作主要包括電離層有效誤差門(mén)限的研究及建立［8-11］，電離層擾動(dòng)的有效檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面［11-13，16］。

與美國(guó)和歐洲等區(qū)域主要覆蓋中緯地區(qū)不同，中國(guó)區(qū)域覆蓋中低緯地區(qū)，電離層環(huán)境具有明顯的區(qū)域性特征，如低緯區(qū)域存在赤道異常、是電離層閃爍高發(fā)區(qū)等。因此，中國(guó)區(qū)域電離層環(huán)境特性對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響更為復(fù)雜，一些電離層影響也更為強(qiáng)烈，相應(yīng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)電離層應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)也更為復(fù)雜。

國(guó)內(nèi)已有許多學(xué)者就中國(guó)區(qū)域電離層特性對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析研究。其中王一舉對(duì)監(jiān)測(cè)站分布稀疏情況下的電離層網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究［3］，袁運(yùn)斌提出了“站際分區(qū)法”等思路，以解決電離層網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)中觀測(cè)量的選擇問(wèn)題，進(jìn)而提高模型的精度［4］。但這些工作對(duì)于我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的電離層技術(shù)應(yīng)用仍是不夠的，主要表現(xiàn)在國(guó)內(nèi)目前已有工作主要圍繞基于電離層網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)的修正技術(shù)開(kāi)展，而在電離層相關(guān)的系統(tǒng)完好性實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面，工作開(kāi)展較少，目前僅有有限文章涉及。

本文通過(guò)就中國(guó)區(qū)域電離層環(huán)境特性對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其是區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的影響分析，表明我國(guó)獨(dú)特的電離層環(huán)境對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性實(shí)現(xiàn)具有嚴(yán)重影響，已有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)（如WAAS系統(tǒng)中的完好性實(shí)現(xiàn)技術(shù)），必須針對(duì)中國(guó)區(qū)域的環(huán)境特性進(jìn)行改進(jìn)和完善，形成適合我國(guó)環(huán)境特性和我國(guó)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)的電離層應(yīng)用技術(shù)。

1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)

早期的GPS實(shí)現(xiàn)中，主要考慮背景電離層（或平靜電離層）延遲對(duì)系統(tǒng)的影響，其方法一般是建立合適的全球單頻電離層修正模型進(jìn)行修正。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的發(fā)展和用戶應(yīng)用要求的提高，出現(xiàn)了各種區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)和局域增強(qiáng)系統(tǒng)。各種增強(qiáng)系統(tǒng)通過(guò)在局域／區(qū)域內(nèi)布設(shè)合理的地面監(jiān)測(cè)站／網(wǎng)絡(luò)對(duì)空間衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，獲得各種修正信息，并通過(guò)特定的通信鏈路向用戶發(fā)布以實(shí)現(xiàn)用戶定位精度提高和完好性服務(wù)等功能。

典型的衛(wèi)星區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)有美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS），歐洲的歐洲同步衛(wèi)星導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)（EGNOS），日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS）等，以及規(guī)劃中的中國(guó)區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)，印度的GPS／GEO增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（GAGAN），加勒比及南美測(cè)試系統(tǒng)（CSTB）等。其中，WAAS、EGNOS、MSAS的主要服務(wù)區(qū)一般為中緯地區(qū)。與這些區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)不同，中國(guó)區(qū)域的增強(qiáng)系統(tǒng)其主要服務(wù)區(qū)覆蓋中低緯地區(qū)（圖1）。因此，中國(guó)區(qū)域的增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將面臨更多的區(qū)域環(huán)境特性，尤其是電離層環(huán)境特性的影響。

圖1 各區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的覆蓋范圍

2.中國(guó)區(qū)域電離層環(huán)境特性

對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)具有較大影響的中國(guó)區(qū)域電離層環(huán)境特性主要包括三個(gè)方面:

1）低緯地區(qū)的赤道異常影響

F層電子密度峰值隨地磁緯度變化，白天在磁赤道上空出現(xiàn)極小值，而在磁赤道南北兩邊15°～20°的地方出現(xiàn)兩個(gè)極大值的現(xiàn)象通常稱為赤道異常［2］。赤道異常造成較大的電子密度及較大的電子密度梯度變化，其直接影響是電離層空間相關(guān)性的降低，因此，是影響各種差分系統(tǒng)的重要因素。我國(guó)南方地區(qū)位于赤道異常區(qū)（圖2見(jiàn)211頁(yè)），區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，必須要考慮赤道異常的影響。

2）電離層暴的影響

源于太陽(yáng)爆發(fā)的強(qiáng)磁暴使地球空間環(huán)境發(fā)生擾動(dòng)，伴隨強(qiáng)磁暴的發(fā)生，全球范圍內(nèi)的電離層都會(huì)出現(xiàn)劇烈變化，即電離層暴［2］。電離層暴的發(fā)展變化機(jī)制較為復(fù)雜，其發(fā)展通常經(jīng)歷不同的相，不同相期間，電子密度和總電子含量增大或減小。同時(shí)，不同緯度區(qū)域電離層暴的發(fā)展變化過(guò)程也不盡相同。電離層暴將引起電離層時(shí)空相關(guān)性的降低，由于赤道異常也會(huì)引起電離層時(shí)空相關(guān)性的降低，因此對(duì)于中國(guó)區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)而言，電離層暴的影響更為復(fù)雜。

3）電離層閃爍的影響

導(dǎo)航衛(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［2］。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，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)跟蹤信號(hào)的失鎖。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3（見(jiàn)211頁(yè)）），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。尤其是電離層閃爍影響整個(gè)L頻段，而不是單個(gè)頻點(diǎn)，更凸現(xiàn)出電離層閃爍研究的重要性。

3.中國(guó)區(qū)域電離層特性對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響

3.1 赤道異常對(duì)衛(wèi)星區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的影響

區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)中一般采用電離層網(wǎng)格模型對(duì)用戶定位中的電離層誤差進(jìn)行修正。數(shù)據(jù)處理中心利用監(jiān)測(cè)站測(cè)量的電離層穿刺點(diǎn)處電離層延遲估計(jì)電離層網(wǎng)格點(diǎn)處的電離層垂直延遲（GIVD），及相應(yīng)的誤差門(mén)限信息（GIVE）值，并播發(fā)至用戶。用戶利用播發(fā)的GIVD和GIVE值內(nèi)插出用戶至衛(wèi)星視線路徑上的電離層延遲及相應(yīng)的誤差估計(jì)，并用于定位修正和相應(yīng)的完好性計(jì)算。與電離層相關(guān)的系統(tǒng)完好性實(shí)現(xiàn)中，采用卡方檢測(cè)方法，對(duì)估計(jì)的電離層網(wǎng)格模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的符合性進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果設(shè)置播發(fā)信息中的標(biāo)志位，以提示用戶電離層修正及其精度估計(jì)是否可用。

電離層空間相關(guān)性變化將影響電離層延遲提取的精度，并進(jìn)一步影響通過(guò)簡(jiǎn)單線性內(nèi)插方法獲得的電離層延遲修正的精度。在系統(tǒng)完好性實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)提高電離層誤差門(mén)限的方法有效限定電離層延遲殘差估計(jì)中的不確定性，并基于這個(gè)新的門(mén)限建立系統(tǒng)的完好性估計(jì)。電離層相關(guān)性的變化直接影響電離層延遲殘差的分布特性，進(jìn)而影響有效電離層誤差門(mén)限的建立［5］。同時(shí)，由于電離層相關(guān)性的變化使得電離層延遲殘差不再符合正態(tài)分布，卡方檢測(cè)也就失去作用［15］。

圖5是利用文獻(xiàn)［8］-［10］中方法對(duì)中國(guó)低緯區(qū)域GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層相關(guān)性研究的結(jié)果［5］。圖中分別統(tǒng)計(jì)電離層延遲差ΔIv在不同概率條件下（68%，95%，99%，99.9%），經(jīng)歸一化后獲得的方差隨穿刺點(diǎn)距離的變化。當(dāng)ΔIv的變化符合正態(tài)變化規(guī)律時(shí)，上述四條曲線應(yīng)是重合的（見(jiàn)圖4美國(guó)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果）。從圖5可見(jiàn)，對(duì)于中國(guó)低緯區(qū)域，不同概率下的電離層延遲差值的門(mén)限經(jīng)過(guò)歸一化后，各σ值不重合，表明電離層延遲的差值不符合正態(tài)分布特性。這個(gè)結(jié)論也與美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）和斯坦福大學(xué)對(duì)南美電離層異常區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得的結(jié)論類似［11］。中國(guó)區(qū)域電離層延遲的這種特性表明，必須考慮中國(guó)區(qū)域電離層的相關(guān)特性，建立合理的誤差門(mén)限，對(duì)電離層相關(guān)性造成的電離層延遲殘差進(jìn)行有效限定，而不是簡(jiǎn)單地認(rèn)為電離層延遲殘差符合標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，利用通用的方法進(jìn)行限定。

3.2 電離層暴對(duì)區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的影響

電離層暴對(duì)中國(guó)區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的影響較為復(fù)雜。一方面，我國(guó)地跨中低緯地區(qū)，電離層暴具有不同的形態(tài)變化；另一方面，電離層暴影響更大程度上在于暴時(shí)電離層電子密度梯度的較大變化破壞了電離層的時(shí)空相關(guān)性，而中國(guó)低緯地區(qū)赤道異常的主要影響也在于赤道異常引起的電子密度梯度變化。因此，電離層暴的影響和赤道異常的影響“糾纏”在一起，在區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)中難以區(qū)分。

文獻(xiàn)［13］中給出了利用電離層空間梯度變化實(shí)現(xiàn)的一種電離層擾動(dòng)檢測(cè)方法。該方法通過(guò)對(duì)平靜時(shí)和暴時(shí)北美區(qū)域電離層延遲梯度變化的統(tǒng)計(jì)（表1），認(rèn)為該變化量符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，并利用平均梯度變化為統(tǒng)計(jì)量，通過(guò)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的均值（μ）和方差（σ），實(shí)現(xiàn)了一種電離層擾動(dòng)的序貫檢測(cè)方法［13］。表2和表3中，給出了利用該方法獲取的中國(guó)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。其中，表2為電離層平靜時(shí)期，國(guó)內(nèi)不同區(qū)域的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表3為電離層暴時(shí)（2003年10月29日-2003年11月1日），TWTF站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯觯c北美區(qū)域相比，中國(guó)區(qū)域存在以下特點(diǎn):

1）從表2可以看出:中緯地區(qū)（BJFS）具有較小的μ，而位于異常區(qū)“駝峰”頂及南北兩側(cè)的區(qū)域（TWTF，QION，甚至包括異常區(qū)北坡底部的 WUHN）具有較大的μ，但在靠近磁赤道地區(qū)（PIMO），μ反而減小。盡管中緯地區(qū)和赤道異常區(qū)的μ具有較大差異，但在更低緯度（如我國(guó)南海區(qū)域，和PIMO在同一緯度上），μ則介于中緯地區(qū)和赤道異常區(qū)μ值的中間，就難以確定一個(gè)μ值的檢測(cè)區(qū)間以實(shí)現(xiàn)對(duì)暴的檢測(cè)。

2）從表3可以看出，盡管電離層暴的開(kāi)始階段及結(jié)束階段，具有較大的μ，但在暴期間，μ較小。對(duì)于異常區(qū)（TWTF），電離層平靜時(shí)期的μ值（如表2中的-2.1216）和電離層暴期間的μ值（-2.5638）相近，難以確定一個(gè)合理的μ值檢測(cè)區(qū)間以實(shí)現(xiàn)對(duì)暴的檢測(cè)。異常區(qū)（如TWTF）在電離層平靜時(shí)期和電離層暴期間具有相近的值，這種現(xiàn)象表明，電離層異常的影響在一定程度上類似暴的影響。這個(gè)結(jié)論也與美國(guó)JPL和斯坦福大學(xué)對(duì)南美電離層異常區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得的結(jié)論類似［11］。

表1 北美區(qū)域數(shù)據(jù)獲得的電離層空間梯度變化統(tǒng)計(jì)量

表2 中國(guó)區(qū)域數(shù)據(jù)獲得的電離層空間梯度變化統(tǒng)計(jì)量（電離層平靜時(shí)期2003年10月14日）

表3 中國(guó)區(qū)域數(shù)據(jù)獲得的電離層空間梯度變化統(tǒng)計(jì)量（TWTF站，電離層暴時(shí)期）

3.3 電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響

電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響也較為復(fù)雜，其原因在于電離層閃爍影響表現(xiàn)在多個(gè)方面，并且各方面影響相互交叉在一起。

首先，電離層閃爍造成接收機(jī)跟蹤信號(hào)強(qiáng)度的降低（圖6），進(jìn)而引起接收機(jī)測(cè)量誤差增大。電離層閃爍嚴(yán)重時(shí)可以造成接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星的失鎖，使用戶定位精度因子增大，上述影響造成用戶定位精度降低，嚴(yán)重時(shí)，可引起用戶定位結(jié)果發(fā)生巨大跳變，嚴(yán)重影響用戶的定位性能（圖7，圖8）［6-7］。

其次，與電離層閃爍相關(guān)的電離層不均勻體將造成電離層電子含量存在巨大的局域性梯度變化，影響差分定位的精度。圖9和圖10分別給出了無(wú)電離層閃爍（2003年10月13日）和有電離層閃爍（2003年10月14日）兩種情況下，QION站測(cè)量的GPS PRN 28號(hào)衛(wèi)星路徑上的電離層延遲［6-7］?？梢钥闯?，無(wú)電離層閃爍，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?。恍l(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為一條光滑的曲線。而存在閃爍時(shí)，電離層不均勻體存在造成電離層在局域電子密度的增大，使得電離層傾斜延遲隨衛(wèi)星仰角的升高，沒(méi)有減小而出現(xiàn)增大，與這種電子密度增大相關(guān)的是局域存在陡峭的電子密度梯度變化。這種現(xiàn)象一方面影響電離層TEC的精確提取，進(jìn)而影響系統(tǒng)電離層修正模型的實(shí)現(xiàn)，另一方面對(duì)局域性差分系統(tǒng)，如LAAS具有較大影響，嚴(yán)重時(shí)可使用戶失去完好性功能［14］。

4.結(jié) 論

中國(guó)區(qū)域具有明顯的區(qū)域電離層環(huán)境特性，是影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要因素。

中國(guó)區(qū)域電離層環(huán)境對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響是多方面的，電離層赤道異常、電離層暴、電離層閃爍都可以引起電離層電子密度的梯度變化，影響電離層的時(shí)空相關(guān)性，進(jìn)而影響利用相關(guān)性實(shí)現(xiàn)的差分系統(tǒng)修正精度或系統(tǒng)完好性功能實(shí)現(xiàn)。電離層閃爍還會(huì)引起接收機(jī)跟蹤信號(hào)強(qiáng)度的降低，引起接收機(jī)測(cè)量誤差增大，閃爍嚴(yán)重時(shí)可引起接收機(jī)失鎖，影響定位精度因子，上述影響最終共同影響用戶的定位精度。

對(duì)中國(guó)區(qū)域，上述多種電離層環(huán)境因素的影響往往交織在一起，難以進(jìn)行區(qū)分，如電離層異常和電離層暴都可以造成較大的梯度變化，影響系統(tǒng)差分修正精度和完好性功能實(shí)現(xiàn)；閃爍相關(guān)的電離層不均勻體在造成衛(wèi)星信號(hào)衰落，影響測(cè)量精度的同時(shí)，還會(huì)造成局域性的電子密度梯度變化，影響定位精度和完好性功能。

因此，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其是中國(guó)區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，必須針對(duì)我國(guó)區(qū)域的電離層環(huán)境特性開(kāi)展系統(tǒng)、深入的研究，在已有的工作基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、完善，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的、合理的方法或模型，而不是簡(jiǎn)單的套用國(guó)外已有的成果。

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