電離層閃爍對GNSS接收機性能影響比較分析

李 廣,劉 鈍

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0 引 言

電離層閃爍是影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能的重要因素之一。我國的北斗區(qū)域系統(tǒng)2012年底宣布開始運行。此時,太陽活動將達到新的峰值活動時期,電離層閃爍活動隨太陽活動高年的到來而增強。我國南方低緯地區(qū)是電離層閃爍的高發(fā)區(qū)。因此,開展電離層閃爍對北斗系統(tǒng)的影響研究具有重要意義。

閃爍對GNSS系統(tǒng)的影響包括對接收機跟蹤環(huán)路的影響,對接收機定位性能的影響,對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體性能的影響[1-4]。電離層閃爍對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)影響的根本在于閃爍對接收機的影響。閃爍引起的接收信號快速衰落或相位的抖動,都將影響接收機的跟蹤測量性能,閃爍嚴重時還會引起接收機的失鎖。開展電離層閃爍對GNSS系統(tǒng)的影響研究首先應(yīng)開展閃爍影響下的GNSS接收機定位性能研究。

為此,利用昆明地區(qū)的觀測數(shù)據(jù),開展了電離層閃爍對北斗接收機和GPS接收機定位性能的影響研究,比較分析了北斗接收機和GPS接收機在不同電離層閃爍影響程度下的定位性能。這是國際上第一次針對北斗系統(tǒng)開展的研究。

電離層閃爍指數(shù)是反應(yīng)閃爍強度的參量,閃爍指數(shù)大意味著閃爍強烈。但從接收機定位角度而言,強烈的閃爍活動并不一定對接收機定位性能造成最嚴重影響[6]。低仰角觀測情況下,即使較弱的閃爍影響也可以引起衛(wèi)星信號的失鎖、可用DOP值的增大,造成接收機定位性能的降低。從閃爍強度、閃爍影響的覆蓋區(qū)域、閃爍的持續(xù)時間等多個層面考慮對電離層閃爍影響進行分級,并與閃爍影響下的接收機定位性能進行比較。

本文對上述工作進行了介紹,分析結(jié)論可作為國內(nèi)北斗接收機生產(chǎn)廠商進一步改進的依據(jù),同時，也可以作為對電離層閃爍對GNSS系統(tǒng)影響進行分級的參考依據(jù)。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 分析用數(shù)據(jù)

本文分析用數(shù)據(jù)說明如下:

觀測地點: 昆明；觀測時間: 2012年9月19日-29日;觀測數(shù)據(jù):a)電離層閃爍觀測數(shù)據(jù);b)GPS測量數(shù)據(jù);c)BD測量數(shù)據(jù);

其中,電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)由中國電波傳播研究所研發(fā)的GPS電離層閃爍監(jiān)測設(shè)備測量獲得[5]。GPS測量數(shù)據(jù)采用IGS GPS觀測數(shù)據(jù),BD測量數(shù)據(jù)為參考站用高精度BD接收機測量數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

利用觀測數(shù)據(jù),分析不同閃爍強度下北斗接收機與GPS接收機的定位結(jié)果,比較分析電離層閃爍對GNSS接收機定位性能的影響。

1)利用電離層閃爍監(jiān)測設(shè)備觀測數(shù)據(jù)分析電離層閃爍影響的時間段,并提取相應(yīng)時間段的北斗系統(tǒng)和GPS觀測數(shù)據(jù)。

2)對閃爍期間的北斗系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)和GPS觀測數(shù)據(jù)進行定位處理,獲得閃爍影響下的接收機定位結(jié)果。

3)比較不同電離層閃爍強度下,北斗接收機和GPS接收機的定位性能。

分析中采用偽距定位方法,這是由于閃爍引起的頻繁周跳,使得利用載波定位較為困難,且不利于對接收機定位連續(xù)性能的比較。分析中采用GIM TEC圖進行電離層誤差修正。對流層誤差采用模型進行修正。

2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.1 閃爍事件選擇

利用電波觀測網(wǎng)閃爍觀測數(shù)據(jù),選擇閃爍發(fā)生的時間。圖1,圖2,圖3分別示出了2012年9月25日,23日、28日20:00-24:00(本地時)期間昆明地區(qū)GPS可視衛(wèi)星軌跡。圖中,用不同深度表示衛(wèi)星受閃爍影響的強度,淺色表示閃爍指數(shù)S4<0.3,深色表示0.3 0.7[6-8]。從圖中可以看出,這三天均有閃爍發(fā)生,并且電離層閃爍影響的空域分布,以及影響的持續(xù)時間不盡相同。

圖1 電離層閃爍影響下的空間衛(wèi)星軌跡(2012年9月25日)

圖2 電離層閃爍影響下的空間衛(wèi)星軌跡(2012年9月23日)

圖3 電離層閃爍影響下的空間衛(wèi)星軌跡(2012年9月28日)

2.2 閃爍對GNSS接收機定位性能的影響

分別對閃爍影響下的北斗接收機和GPS接收機定位結(jié)果進行分析,并重點對閃爍影響期間(UT:12:00-16:00,LT:20:00-24:00)的數(shù)據(jù)進行分析。

1)2012年9月25日定位結(jié)果

圖4示出了2012年9月25日,北斗接收機和GPS接收機的定位結(jié)果?？梢钥闯?a)北斗接收機和GPS接收機均可以實現(xiàn)定位功能,且可以達到系統(tǒng)發(fā)布的性能要求;b)北斗接收機的定位結(jié)果存在個別的“毛刺”,表明該歷元受閃爍的影響,定位結(jié)果存在跳變。

2)2012年9月23日定位結(jié)果

圖5示出了2012年9月23日,北斗接收機和GPS接收機的定位結(jié)果,可以看出:a)北斗接收機和GPS接收機均可以維持定位功能;b)GPS接收機定位結(jié)果中出現(xiàn)多處“毛刺”,表明在該歷元定位結(jié)果受到閃爍的影響;c)北斗接收機定位結(jié)果誤差增大,且存在非常多的“毛刺”現(xiàn)象,表明在多個歷元受到閃爍的影響。

3)2012年9月28日定位結(jié)果

圖6示出了2012年9月28日,北斗接收機和GPS接收機的定位結(jié)果,可以看出:a)GPS接收機仍可以維持定位能力,但定位誤差增大,且在個別歷元出現(xiàn)跳變,表明GPS接收機受到的電離層閃爍影響進一步增大;b)北斗接收機在閃爍發(fā)生的時間段內(nèi)(UT:12:00-16:00)失去定位功能。作為比較,圖中給出了北斗接收機一天的定位結(jié)果。

圖4 電離層閃爍影響下的定位結(jié)果(2012年9月25日)(a)GPS接收機;(b)北斗接收機

圖5 電離層閃爍影響下的定位結(jié)果(2012年9月23日)(a)GPS接收機;(b)北斗接收機

2.3 電離層閃爍對GNSS接收機性能影響分析

不同強度電離層閃爍對GNSS接收機具有不同的影響,閃爍強度越高,對接收機性能影響越大。電離層閃爍對GNSS接收機定位性能的影響不僅與閃爍強度有關(guān),還與閃爍影響的空域和持續(xù)時間有關(guān)。

1)不同強度電離層閃爍對GNSS接收機性能影響分析

通過對昆明站的數(shù)據(jù)分析表明:

a)2012年09月25日,電離層閃爍對GNSS接收機影響較弱,就閃爍自身而言表現(xiàn)為:閃爍指數(shù)較小(S4 < 0.3),多為弱閃爍或無閃爍影響;閃爍分布區(qū)域較小。此外,2012年09月19日的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與25日類似。

b)2012年09月23日,電離層閃爍對GNSS接收機影響較強,就閃爍自身而言表現(xiàn)為:存在較大閃爍指數(shù)(S4> 0.7),但發(fā)生的時間較為離散;閃爍分布區(qū)域較大。此外,2012年09月26日、27日的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與23日類似。

c)2012年09月28日,電離層閃爍對GNSS接收機影響嚴重,就閃爍自身而言表現(xiàn)為:存在較大閃爍指數(shù)(S4> 0.7),且持續(xù)時間較長;閃爍分布區(qū)域大。2012年09月29日的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與28日類似。

圖6 電離層閃爍影響下的定位結(jié)果(2012年9月28日)a)GPS接收機; b)北斗接收機;

2)電離層閃爍對不同GNSS接收機性能影響分析

通過對不同電離層閃爍影響下北斗接收機和GPS接收機定位性能的比較,可以看出:

a)所采用的GPS參考站型接收機具有較好的抗電離層閃爍影響能力,可以在多顆衛(wèi)星信號受到較強電離層閃爍影響下,仍可以維持定位能力。

b)所采用的北斗參考站接收機在弱閃爍情況下可以實現(xiàn)定位,且定位性能優(yōu)于GPS.但在多顆北斗衛(wèi)星信號受到較強電離層閃爍影響下,定位誤差增強,且強閃爍持續(xù)時間較長時,接收機失去定位功能。這表明該類型北斗接收機應(yīng)對電離層閃爍的能力較弱。

3 結(jié)束語

電離層閃爍會影響GNSS(北斗系統(tǒng)、GPS)接收機的定位性能。電離層閃爍對接收機定位性能影響的判斷應(yīng)考慮閃爍強度、閃爍持續(xù)的時間、閃爍發(fā)生的空間分布等因素。其中,閃爍強度表明閃爍對衛(wèi)星信號跟蹤和測量的影響;閃爍分布的空域決定了影響的可用衛(wèi)星數(shù);閃爍影響持續(xù)時間越長,多顆衛(wèi)星同時受影響、同時失鎖的可能性增大,引起定位性能的嚴重下降。

不同強度的閃爍對GNSS定位結(jié)果均有影響,存在較強閃爍影響情況下,GNSS接收機定位誤差增大,且存在定位結(jié)果的跳變;存在強閃爍,且持續(xù)時間較長、影響空間較大時,將嚴重影響接收機的定位性能,甚至使接收機失去定位功能。

不同接收機抗電離層閃爍的能力不同。對于北斗系統(tǒng)接收機(尤其是參考站用接收機)而言,應(yīng)考慮進一步增強對電離層閃爍影響的應(yīng)對能力。

[1]LIU Dun,FENG Jian,DENG,Zhongxin,etal.Study of ionospheric scintillation effects on GNSS positioning performance[J]. Chinese Journal of Radio Science,2010,25(4):702-710.

[2]KNIGHT M F,FINN A. The impact of ionospheric scintillations on GPS performance [C]//ION GPS,September 1996,555-564.

[3]KNIGHT M F,FINN A,CERVERA M A,Ionospheric effects on global positioning receivers[M]. Res.Rep.DSTO-RR-0121,Def. Sci and Technol. Org.,Salisbury,South Aus. Australia,1998.

[4]SKONE S,KNUDSEN K.Impact of ionospheric scintillations on SBAS performance[C]//ION GPS,2000: 284-293.

[5]ZHEN Weimin,FENG Jian,CHEN Li,etal. Investigation of low-latitude ionospheric irregularities by using multi-station GPS multi-link signals[J].Chinese Journal of Radio Science,2007,22(1),138-142.

[6]WALTER T. Effects of ionospheric scintillations on GNSS a white paper[M].Sbas Jonospheric Working Group,2010.

[7]BENIGUEL Y,HAMEL P.A global ionosphere scintillation propagation model for equatorial regions [J]. Jorunal of Space Weather Space Climate,2011,1(1),A04.doi:10.105/swsc/2011004.

[8]CHATTER S,CHAKRABORTY S K,Variability of ionospheric scintillation near the equatorial anomaly crest of the Indian zone [J]. Annales Geophysicae,2013(31):697-711.

[9]SEO J,WALTER J,CHIOU T Y,etal.Characteristics of deep GPS signal fading due to ionospheric scintillation for aviation receiver design[J]. Radio Science,2009,44,RSO16.doi:10.1029/2008RS004077.