電離層閃爍對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響與監(jiān)測方法分析

賀 劉，常曉磊，朱麗萍

（1.61773部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830014；2.61858部隊(duì)，陜西 西安 710100）

電離層閃爍對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響與監(jiān)測方法分析

賀 劉1，常曉磊1，朱麗萍2

（1.61773部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830014；2.61858部隊(duì)，陜西 西安 710100）

針對電離層閃爍對衛(wèi)星定位精度和完好性的影響問題，文章建立電離層閃爍模型，并仿真分析了電離層閃爍對導(dǎo)航接收機(jī)在信號接收、定位解算精度的影響，提出了監(jiān)測方法，對導(dǎo)航減輕電離層閃爍影響具有一定參考作用。

電離層閃爍；閃爍因子；測距精度

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[1]。閃爍帶來的主要問題是影響衛(wèi)星導(dǎo)航測距信號的精度，使之精度嚴(yán)重降低，主要還體現(xiàn)在信號強(qiáng)度下降，易出現(xiàn)失鎖，進(jìn)而導(dǎo)致可見星座的結(jié)構(gòu)不利于定位，從而進(jìn)一步影響導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性。

1 電離層閃爍仿真模型

幅度閃爍是常用的電離層閃爍研究方法。常以幅度閃爍指數(shù)S4來體現(xiàn)閃爍強(qiáng)度的大小[2]：

其中S指信號強(qiáng)度，E[·]指1分鐘的期望值。S4值一般介于0和1之間，其值越大閃爍強(qiáng)度越高。

2 閃爍影響分析

2.1 接收偽距觀測精度

由偽碼觀測的誤差模型[3]：

其中σEph，σMul，σTrop依次為星歷、多路徑、對流層誤差。而σIon為電離層殘差，該項(xiàng)誤差中包含了電離層閃爍誤差?？捎呻婋x層傾斜轉(zhuǎn)換因子F表示。

其中RE指地球半徑，E為可見衛(wèi)星仰角，h電離層球殼模型的高度。由此看出，電離層閃爍尤其是強(qiáng)閃爍會影響導(dǎo)航信號偽碼觀測精度，實(shí)際上，對載波相位也具有很大影響。

2.2 定位解算精度

由最小二乘定位解算結(jié)果：

其中X定位估計(jì)結(jié)果，G為導(dǎo)向矢量矩陣，W為加權(quán)矩陣。

取DLL環(huán)路帶寬為1 Hz，假定預(yù)檢測積分時(shí)間為0.02 s。仿真得到S4為0, 0.6, 0.8 3種情況下的接收機(jī)碼環(huán)路跟蹤誤差。從圖1中明顯可以知道：在閃爍條件下，信號載噪比降低，接收機(jī)跟蹤誤差受到強(qiáng)烈影響，精度降低明顯。

中低緯度地區(qū)的電離層閃爍現(xiàn)象較為顯著（根據(jù)GISM電離層閃爍模型初步分析得到），這里取S4=0.6. 對比有無電離層閃爍時(shí)，偽距精度隨俯仰角變化的趨勢如圖2所示。

3 監(jiān)測方法

3.1 時(shí)域的監(jiān)測方法

GPS接收機(jī)基于（Code Division Multiple Access，CDMA）技術(shù)以提供精確的距離測量，同時(shí)允許多顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號共用相同的頻譜。因此捕獲及跟蹤GPS信號只需要兩個(gè)參數(shù)：碼延遲和頻率。由于發(fā)生電離層閃爍時(shí)信號的能量較正常情況會發(fā)生相應(yīng)的變化，因此通過測量信號的強(qiáng)度，并對其數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測，即可實(shí)現(xiàn)電離層閃爍的監(jiān)測。

3.2 頻域的監(jiān)測方法

傳統(tǒng)的信號捕獲是通過硬件在時(shí)域上進(jìn)行的，通常采用多路相關(guān)處理滑動捕獲。若使用軟件接收機(jī)，可以采用快速傅里葉變換方法來實(shí)現(xiàn)?；玖鞒倘缦拢菏紫葘? ms的數(shù)據(jù)（CA碼的周期是1 ms）的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，這樣數(shù)據(jù)由時(shí)域變換到頻域，可計(jì)算電離層閃爍指數(shù)S4，以此監(jiān)測閃爍。

4 結(jié)語

在閃爍模型的基礎(chǔ)上，本文通過分析電離層閃爍對偽碼等原始測量信息影響，分析了閃爍造成用戶定位誤差增大的原因，提出的監(jiān)測方法能夠減輕電離層閃爍帶來的影響。

圖1 不同閃爍強(qiáng)度下的跟蹤誤差仿真

圖2 電離層閃爍對不同仰角的偽碼誤差影響

[1]馮健，劉鈍，甄衛(wèi)民.衛(wèi)星信號仿真電離層閃爍模型研究[J].全球定位系統(tǒng)，2013（3）：13-15.

[2]DODSON A, MOORE T, AQUINO M H O, et al. Ionospheric scintillation monitoring in northern Europe[C].ION GPS, 2001（9）：2490-2498.

[3]張風(fēng)國，甄衛(wèi)民，張洪波.電離層閃爍仿真模型研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6）：70-76.

Analysis on in fl uence and monitoring method of ionospheric scintillation on satellite navigation system

He Liu1, Chang Xiaolei1, Zhu Liping2
（1.Troops of 61773, Urumqi 830014, China; 2.Troops of 61858, Xi’an 710100, China）

To analyze the problems of ionospheric scintillation effects on satellite positioning accuracy and integrity, this paper builds ionospheric scintillation model and influence of ionospheric scintillation on the signal reception and positioning accuracy of the navigation receiver is simulated and analyzed, then puts forward the monitoring method, which is of certain reference for navigation to reduce the in fl uence of ionospheric scintillation.

ionospheric scintillation; fl icker factor; ranging accuracy

賀劉（1985— ），男，四川眉山。