我國(guó)中緯地區(qū)衛(wèi)星信號(hào)失鎖現(xiàn)象初步研究

趙偉華 張清和 王成 王勇 邢贊揚(yáng)

（1. 山東大學(xué)空間科學(xué)研究院 山東省光學(xué)天文與日地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 威海 264209；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094）

引 言

衛(wèi)星信號(hào)失鎖是地基或空基衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)在一個(gè)連續(xù)的信號(hào)接收過(guò)程中暫時(shí)中斷獲取衛(wèi)星信號(hào)的現(xiàn)象(以下簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)失鎖)，前人針對(duì)這一現(xiàn)象開(kāi)展過(guò)一系列研究. 例如C. Xiong 等利用Swarm 衛(wèi)星信標(biāo)接收的GPS 信號(hào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究了GPS 衛(wèi)星信號(hào)失鎖，得到信號(hào)失鎖在地理經(jīng)緯度、地磁經(jīng)緯度、衛(wèi)星高度、磁地方時(shí)、季節(jié)等方面分布特征，發(fā)現(xiàn)信號(hào)失鎖在低緯(赤道噴泉區(qū)附近)和高緯地區(qū)發(fā)生率高于中緯地區(qū)，在高度上低軌的Swarm 衛(wèi)星(軌道高度470 km)接收到的信號(hào)失鎖率高于高軌Swarm 衛(wèi)星(高度520 km)[1-2]. P. M. Kintner 等就閃爍和信號(hào)失鎖做過(guò)相關(guān)綜述，指出衛(wèi)星信號(hào)穿過(guò)電離層時(shí)信號(hào)的幅度或相位出現(xiàn)擾動(dòng)，稱(chēng)之為閃爍，這一擾動(dòng)將會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量，足夠強(qiáng)烈的信號(hào)擾動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失鎖[3]. Y. q. Jin 等針對(duì)2015-03-17T12:30—14:00(世界時(shí)，下文同)磁暴期間高緯發(fā)生的信號(hào)失鎖分析了信號(hào)失鎖與磁暴、太陽(yáng)風(fēng)等太空物理?xiàng)l件的關(guān)系[4].

前人研究重點(diǎn)關(guān)注高緯極區(qū)和低緯赤道附近地區(qū)的信號(hào)失鎖現(xiàn)象[5-17]，對(duì)中緯地區(qū)信號(hào)失鎖的關(guān)注甚少. 目前，關(guān)于中緯地區(qū)信號(hào)失鎖是否發(fā)生、發(fā)生頻率、發(fā)生特點(diǎn)、導(dǎo)致原因等尚不清楚. 同時(shí)，中緯地區(qū)是我國(guó)國(guó)土所在的主要區(qū)域之一. 因此，研究中緯地區(qū)的信號(hào)失鎖不僅對(duì)于深化電離層認(rèn)知有重要的科學(xué)意義，而且還具有重要的應(yīng)用價(jià)值. 信號(hào)失鎖研究可以基于天基觀測(cè)和地基觀測(cè)兩類(lèi)數(shù)據(jù)，即低軌衛(wèi)星攜帶的接收機(jī)接收高軌衛(wèi)星的信號(hào)和地面接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào). 根據(jù)前人的研究，在低軌衛(wèi)星(如Swarm 衛(wèi)星) 接收高軌衛(wèi)星(如GPS 衛(wèi)星) 信號(hào)的過(guò)程中信號(hào)失鎖發(fā)生較多，即空基接收機(jī)觀測(cè)到的信號(hào)失鎖較多，尤其在高緯和低緯地區(qū)，信號(hào)失鎖發(fā)生概率最高可達(dá)5%以上，空基探測(cè)中緯地區(qū)信號(hào)失鎖發(fā)生概率較低[1-2]；而目前依然較為缺乏地基接收機(jī)對(duì)信號(hào)失鎖的觀測(cè)研究，特別是中緯地區(qū)地基接收機(jī)對(duì)信號(hào)失鎖的觀測(cè)和研究甚少.

低軌衛(wèi)星用信標(biāo)接收機(jī)接收高軌衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，還能夠使用自身攜帶的探針進(jìn)行原位等離子體密度觀測(cè)，所以低軌衛(wèi)星更容易開(kāi)展失鎖原因分析研究.

山東大學(xué)空間科學(xué)研究院放在威海地區(qū)臺(tái)站的設(shè)備非常適合開(kāi)展中緯地區(qū)信號(hào)失鎖研究. 本次研究的數(shù)據(jù)主要來(lái)自威海槎山站，作為輔助說(shuō)明也用了少部分瑪珈山臺(tái)站的數(shù)據(jù).

基于山東大學(xué)空間科學(xué)研究院布設(shè)在我國(guó)威海槎山站(122.296°E，36.866°N) 的地面GNSS 電離層電子總含量(total electron content, TEC)和閃爍接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)威海地區(qū)(我國(guó)中緯地區(qū))地面接收機(jī)觀測(cè)的信號(hào)失鎖現(xiàn)象開(kāi)展研究. 結(jié)合多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，給出了中緯地區(qū)信號(hào)失鎖的判定標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)展示典型的信號(hào)失鎖事件并開(kāi)展詳細(xì)驗(yàn)證，并結(jié)合Madrigal TEC初步探索產(chǎn)生信號(hào)失鎖的可能原因.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn)

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用山東大學(xué)空間科學(xué)研究院在威海槎山站布設(shè)的GNSS 電離層TEC 與閃爍接收機(jī)2018—2019 年的觀測(cè)數(shù)據(jù). 該接收機(jī)是由Septentrio 生產(chǎn)的PolaRx5S，可以同時(shí)獲取不同衛(wèi)星星座(如：GPS、北斗等)多顆衛(wèi)星的多波段信息，其幅度、相位等原始數(shù)據(jù)的采樣頻率為100 Hz. 原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)接收機(jī)處理后輸出時(shí)間分辨率為1 min 的二級(jí)數(shù)據(jù)，包含TEC、幅度閃爍指數(shù)、相位閃爍指數(shù)、信噪比等參量. 此外，還使用了美國(guó)麻省理工學(xué)院Millstone Haystack觀象臺(tái)Madrigal 網(wǎng)站(www.openmadrigal.org)提供的5 min 時(shí)間分辨率的全球GPS TEC 地圖.

1.2 信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn)

地面接收機(jī)追蹤衛(wèi)星信號(hào)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)中斷現(xiàn)象，然而導(dǎo)致這些信號(hào)中斷的原因多種多樣，其中有電離層空間環(huán)境變化，也有諸如接收機(jī)故障、建筑物阻擋、接收機(jī)解算數(shù)據(jù)出錯(cuò)等非空間環(huán)境狀況的干擾因素[3]. 為了準(zhǔn)確判定信號(hào)失鎖現(xiàn)象，找到真正與空間環(huán)境狀況相關(guān)的信號(hào)失鎖，需制定嚴(yán)格的信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn).

為了排除其他干擾因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)接收中斷，結(jié)合前期針對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合研判，針對(duì)一顆位于視野范圍內(nèi)的高軌衛(wèi)星播發(fā)的一段連續(xù)信號(hào)，接收機(jī)捕獲的信號(hào)失鎖事件需同時(shí)滿(mǎn)足以下條件：

①原始數(shù)據(jù)、二級(jí)數(shù)據(jù)(如信噪比等)均出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間大于等于1 min，且小于30 min 的中斷；

② 臨近信號(hào)中斷時(shí)衛(wèi)星仰角不低于30°；

③ 中斷信號(hào)時(shí)間范圍的起終點(diǎn)分別距離該次數(shù)據(jù)接收過(guò)程的起終點(diǎn)10 min 以上；

④ 該衛(wèi)星信號(hào)中斷時(shí)接收機(jī)仍能正常接收到其他衛(wèi)星信號(hào).

因?yàn)榇舜喂ぷ魉幚淼亩?jí)數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 min，同時(shí)此次工作的重點(diǎn)之一是確認(rèn)中緯地區(qū)是否有信號(hào)失鎖發(fā)生，暫時(shí)不將中斷小于1 min 的信號(hào)失鎖納入此次研究中. 這主要是因?yàn)閷?duì)接收機(jī)原始數(shù)據(jù)的處理工作量較大. 文中更嚴(yán)格的判定標(biāo)準(zhǔn)并不會(huì)影響事件分析結(jié)果.

考慮到中緯地區(qū)電離層狀態(tài)不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于劇烈變化之中這一實(shí)際情況，認(rèn)為中緯地區(qū)信號(hào)失鎖通常并不會(huì)持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間. 因此，將該時(shí)間閾值設(shè)定為30 min，而并不將更長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)接收中斷判定為信號(hào)失鎖. 另一方面，在非斷電等情況下發(fā)生數(shù)據(jù)接收中斷時(shí)，接收機(jī)會(huì)一直自動(dòng)嘗試接收數(shù)據(jù).

圖1 展示了威海槎山站地面接收機(jī)在2018-10-23T14:35:00—16:35:00 接收到的部分衛(wèi)星穿刺點(diǎn)(距離地面350 km 高度)的地理位置信息. GEO PRN122 衛(wèi)星是星基增強(qiáng)衛(wèi)星，與北斗、GPS 衛(wèi)星類(lèi)似，有固定的軌道，是地球同步衛(wèi)星. 如圖1 所示，在GEO PRN122 衛(wèi)星發(fā)生失鎖時(shí)，地面接收機(jī)依然正常跟蹤其他衛(wèi)星. 下面我們將以此信號(hào)失鎖為例，詳細(xì)分析一個(gè)典型信號(hào)失鎖事件.

圖1 2018-10-23T14:35:00—16:35:00 威海槎山站觀測(cè)到的衛(wèi)星穿刺點(diǎn)Fig. 1 Satellite puncture points observed at Cha Shan Station in Weihai during 2018-10-23T14:35:00—16:35:00

2 信號(hào)失鎖的典型事件及表現(xiàn)特點(diǎn)

2.1 信號(hào)失鎖的典型事件

圖2 是2018-10-23T14:35:00 —16:35:00 GEO PRN122 衛(wèi)星的信噪比(a)、載波相位(b)、幅度系數(shù)(c)的時(shí)間序列圖，其中信噪比來(lái)自二級(jí)數(shù)據(jù)，載波相位和幅度系數(shù)來(lái)自原始數(shù)據(jù). 圖中兩個(gè)紅色虛線框的 時(shí) 間 范 圍 分 別 為 14:54:00 —14:56:00和15:17:00—15:25:00. 從圖2 可以看出，在這兩段時(shí)間內(nèi)，信噪比、載波相位和幅度系數(shù)同時(shí)發(fā)生中斷，然后又同時(shí)恢復(fù)，而其他時(shí)刻數(shù)據(jù)均連續(xù)接收. 第一次信號(hào)失鎖(前一紅色虛線框表示)已在圖1 中展示.這一信號(hào)中斷現(xiàn)象就是我們關(guān)注的信號(hào)失鎖事件，后面我們會(huì)詳細(xì)說(shuō)明. 圖2 中二級(jí)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)同時(shí)中斷、同時(shí)恢復(fù)的表現(xiàn)排除了二級(jí)數(shù)據(jù)中斷是由原始數(shù)據(jù)解算失敗造成這一干擾因素. 從圖2還可以看出，在兩次信號(hào)中斷前2 min 左右，衛(wèi)星信噪比數(shù)據(jù)出現(xiàn)了下降. 我們認(rèn)為這種短時(shí)間內(nèi)的信噪比下降也與信號(hào)失鎖相關(guān).

圖2 2018-10-23T14:35:00—16:35:00 GEO PRN122 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)時(shí)間序列Fig. 2 Time series of GEO PRN122 satellite index data during 2018-10-23T14:35:00—16:35:00

如圖2 可見(jiàn)，在關(guān)注的時(shí)間段內(nèi)，載波相位處于108數(shù)量級(jí)，數(shù)值很大，所以擾動(dòng)在這里很難顯現(xiàn)出來(lái). 載波相位的周跳可以看到，但在幾乎所有的閃爍事件中，都很少看到載波相位在108數(shù)量級(jí)發(fā)生肉眼能夠明顯辨認(rèn)的擾動(dòng). 從圖2(c)可見(jiàn)，幅度系數(shù)在此期間處于100～150，數(shù)值本身擾動(dòng)就非常大，所以從圖2(b)、(c)已經(jīng)體現(xiàn)了數(shù)據(jù)大幅度震蕩.

圖3 是2018-10-23T14:35:00 —16:35:00 GEO PRN122 衛(wèi)星的4 類(lèi)二級(jí)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列圖，包括方位角(a)、仰角(b)、幅度閃爍指數(shù)(c)和相位閃爍指數(shù)(d). 在圖3 中，這4 類(lèi)二級(jí)數(shù)據(jù)在14:54:00—14:56:00 和15:17:00—15:25:00 均出現(xiàn)了中斷現(xiàn)象(兩個(gè)紅色虛線框表示)，各類(lèi)數(shù)據(jù)的兩次中斷持續(xù)時(shí)間一致，分別為2 min 和8 min. 這兩次數(shù)據(jù)中斷的時(shí)間范圍均與圖2 紅色虛線框所示中斷一致.

圖3 2018-10-23T14:35:00—16:35:00 GEO PRN122 衛(wèi)星的4 類(lèi)二級(jí)數(shù)據(jù)時(shí)間序列Fig. 3 Time series of four types of GEO PRN122 satellite secondary data during 2018-10-23T14:35:00—16:35:00

從圖3(a)、(b)可以看出，GEO PRN122 衛(wèi)星的方位角、仰角固定，且仰角大于30°，符合信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn)②. 從圖3 還可以看出，這4 欄二級(jí)數(shù)據(jù)兩個(gè)中斷時(shí)段的起止時(shí)刻分別距離這段連續(xù)觀測(cè)的首尾時(shí)刻(在圖中時(shí)間軸范圍之外，所以未顯示)均超過(guò)10 min，即每一次中斷起點(diǎn)之前有10 min以上的連續(xù)接收過(guò)程，每一次中斷終點(diǎn)之后也有10 min 以上的連續(xù)接收過(guò)程，這符合信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn)③.

我們進(jìn)一步檢查了該事件的其他二級(jí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)時(shí)間段，該衛(wèi)星的其他二級(jí)數(shù)據(jù)也全部丟失，且數(shù)據(jù)丟失的起點(diǎn)、終點(diǎn)及持續(xù)時(shí)間均相同.從圖3 還可以看到，在數(shù)據(jù)斷開(kāi)前后，幅度閃爍指數(shù)(c)和相位閃爍指數(shù)(d)在持續(xù)的平穩(wěn)值之后發(fā)生了一些擾動(dòng).

需要說(shuō)明的是，在關(guān)注的時(shí)間段內(nèi)(2018-10-23 前 后)，GEO PRN122 衛(wèi) 星 的3 個(gè) 波 段 信 號(hào) 只 有L1 一個(gè)波段的數(shù)據(jù)可以接收到，導(dǎo)致需要雙頻信號(hào)解算的TEC 為“NAN”. 而在2018-07 等時(shí)期，該衛(wèi)星3 個(gè)波段中的L1、L2 兩個(gè)波段數(shù)據(jù)可以被接收到，進(jìn)而可以正常解算TEC 值. 這里我們嘗試?yán)门c該衛(wèi)星穿刺點(diǎn)距離較近的北斗PRN141 衛(wèi)星的TEC 數(shù)據(jù)開(kāi)展輔助分析，對(duì)此后文有說(shuō)明.

結(jié)合圖2 及圖3，我們發(fā)現(xiàn)在信號(hào)中斷期間(紅色虛線框)GEO PRN122 衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)與二級(jí)數(shù)據(jù)均丟失. 這一表現(xiàn)滿(mǎn)足信號(hào)失鎖的判定標(biāo)準(zhǔn)①、②及③. 為了進(jìn)一步確認(rèn)信號(hào)失鎖，我們將繼續(xù)檢查信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn)④，用以排除在此時(shí)間段內(nèi)接收機(jī)故障等對(duì)失鎖判定的干擾.

本文中GEO PRN122 衛(wèi)星在2018-10-23 出現(xiàn)的上述兩次數(shù)據(jù)中斷需要排除接收機(jī)斷電干擾. 當(dāng)接收機(jī)斷電時(shí)，接收機(jī)視野范圍內(nèi)所有衛(wèi)星數(shù)據(jù)在此期間都會(huì)中斷. 圖4 是2018-10-23T14:35:00—16:35:00接收機(jī)視野內(nèi)其他4 顆衛(wèi)星的信噪比時(shí)間序列圖，依 次 是 GPS PRN16(a)、 GPS PRN31(b)、 BDS PRN141(c)和BDS PRN146(d). 這些衛(wèi)星均出現(xiàn)在圖1所示的接收機(jī)視野內(nèi). 圖中兩個(gè)紅色虛線框標(biāo)明GEO PRN122 衛(wèi)星出現(xiàn)信號(hào)中斷的時(shí)間范圍. 由圖4可知，在GEO PRN122 衛(wèi)星發(fā)生信號(hào)中斷的同時(shí)，這4 顆衛(wèi)星的狀態(tài)跟蹤依然是連續(xù)的，并未出現(xiàn)中斷情況，說(shuō)明接收機(jī)在此期間正常工作. 因此，我們認(rèn)為GEO PRN122 衛(wèi)星出現(xiàn)的數(shù)據(jù)中斷不是因?yàn)榻邮諜C(jī)斷電等故障導(dǎo)致的. 這里僅以這4 顆衛(wèi)星的信噪比為例，還有10 多顆衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤并未列出.

圖4 2018-10-23T14:35:00—16:35:00 接收機(jī)視野范圍內(nèi)的4 顆衛(wèi)星信噪比數(shù)據(jù)時(shí)間序列Fig. 4 Time series of SNR data of four satellites in the field of view of the receiver during 2018-10-23T14:35:00—16:35:00

在接收衛(wèi)星信號(hào)過(guò)程中，多徑效應(yīng)等也會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)中斷. 例如固定周期衛(wèi)星每次運(yùn)行到某一位置時(shí)都可能被同一個(gè)建筑物干擾信號(hào)，信號(hào)失鎖判定時(shí)需要排除這類(lèi)周期性多徑效應(yīng)的不利影響.圖5 是GEO PRN122 衛(wèi)星在2018-10-23T16:35:00—24T16:35:00 的信噪比數(shù)據(jù)時(shí)間序列圖，即圖2～4 所示時(shí)段后24 h 內(nèi)情況. 如圖所示，在這24 h 之內(nèi)，GEO PRN122 衛(wèi)星的信噪比數(shù)據(jù)處于連續(xù)接收狀態(tài)，沒(méi)有中斷. 由此可以基本排除上述兩次信號(hào)中斷是周期性多徑效應(yīng)導(dǎo)致的. 這里的GEO PRN122是地球同步軌道衛(wèi)星，而在討論其他星座衛(wèi)星(如GPS 等圓軌道衛(wèi)星)時(shí)需結(jié)合其軌道周期來(lái)綜合判斷多徑效應(yīng).

圖5 2018-10-23T16:35:00—24T16:35:00 GEO PRN122 衛(wèi)星的信噪比數(shù)據(jù)時(shí)間序列Fig. 5 GEO PRN122 Satellite signal-to-noise ratio data time series during 2018-10-23T16:35:00—24T16:35:00

2.2 信號(hào)失鎖的表現(xiàn)特點(diǎn)

基于制定的信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn)我們已給出典型事例(GEO PRN122 衛(wèi)星在2018-10-23T14:54:00 和15:17:00 的兩次信號(hào)失鎖)，下面進(jìn)一步展示更多的信號(hào)失鎖事例，并總結(jié)其表現(xiàn)特點(diǎn).

圖6 為 2019-05-03T02:24:00 —06:42:00 GEO PRN140 衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列圖，依次為信噪比(a)、載波相位(b)和幅度系數(shù)(c). 圖中6 個(gè)紅色虛線框分別標(biāo)出6 次信號(hào)失鎖的時(shí)間范圍，其表明二級(jí)數(shù)據(jù)信噪比與原始數(shù)據(jù)載波相位和幅度系數(shù)的中斷及恢復(fù)時(shí)間具有一致性. 這6 次信號(hào)失鎖的持續(xù)時(shí)間不同，從2 min 到16 min 不等. 這里需要說(shuō)明的是，相比二級(jí)數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)了更多的中斷情況，這可能與原始數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率遠(yuǎn)高于二級(jí)數(shù)據(jù)有關(guān).

從圖6(a)還可以看到，在這6 次信號(hào)失鎖發(fā)生期間即4:00:00—5:50:00，信噪比數(shù)值相對(duì)于3:00:00之前和6:30:00 之后發(fā)生了明顯的降低，降低數(shù)值達(dá)到10 dB-Hz 以上，且在第3、4、5、6 次信號(hào)失鎖事件中，失鎖前1～2 min 出現(xiàn)明顯的信噪比下降. 我們進(jìn)一步檢查了該衛(wèi)星前后一天的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其信噪比數(shù)值在前一天同一時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)大幅度下降，也沒(méi)有出現(xiàn)信號(hào)失鎖；而在后一天同一時(shí)間段內(nèi)信噪比出現(xiàn)了類(lèi)似的大幅度下降，且伴隨有信號(hào)失鎖發(fā)生. 這說(shuō)明一定程度的信噪比下降與信號(hào)失鎖之間可能存在相關(guān)性.

圖6 2019-05-03T02:24:00—06:42:00 GEO PRN140 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)時(shí)間序列Fig. 6 GEO PRN140 Satellite signal-to-noise ratio data time series during 2019-05-03T02:24:00—06:42:00

由于每一個(gè)二級(jí)數(shù)據(jù)是從上一分鐘的頻率為100 Hz 的6 000 個(gè)原始數(shù)據(jù)接收之后由接收機(jī)取平均值解算出來(lái)的，所以信噪比等二級(jí)數(shù)據(jù)的中斷會(huì)略滯后于原始數(shù)據(jù)(如圖2 和圖6 所示)，并且原始數(shù)據(jù)有中斷的地方二級(jí)數(shù)據(jù)未必出現(xiàn)中斷(如圖6所示).

信號(hào)失鎖會(huì)出現(xiàn)在GPS 衛(wèi)星、BDS 衛(wèi)星和其他不同的衛(wèi)星星座上. 圖7 為BDS PRN153 衛(wèi)星在2019-07-28T7:48:00 發(fā)生的持續(xù)16 min 的信號(hào)失鎖，紅色虛線框?yàn)樾盘?hào)失鎖的時(shí)間范圍.

圖7 2019-07-28T07:00：00—09:00:00 BDS PRN153 的數(shù)據(jù)時(shí)間序列Fig. 7 Time series of BeiDou PRN153 satellite data during 2019-07-28T07:00：00—09:00:00

依據(jù)制定的信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn)，我們統(tǒng)計(jì)分析了2018—2019 年的信號(hào)失鎖事件，得到初步統(tǒng)計(jì)特征，發(fā)現(xiàn)：即使在太陽(yáng)活動(dòng)低年，我國(guó)中緯地區(qū)依然會(huì)出現(xiàn)明顯的信號(hào)失鎖；信號(hào)失鎖持續(xù)時(shí)間從1 min 到10 min 多不等，且小于10 min 的事件數(shù)占比較大；較多失鎖事件發(fā)生前后，失鎖衛(wèi)星的相位閃爍指數(shù)或幅度閃爍指數(shù)會(huì)突然擾動(dòng)，且常伴隨信噪比下降等現(xiàn)象；另外，在一段時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生多次的信號(hào)失鎖事件.

本次統(tǒng)計(jì)研究采用的數(shù)據(jù)樣本有限且方法簡(jiǎn)單.下一步，我們將基于大樣本量數(shù)據(jù)繼續(xù)對(duì)中緯地區(qū)的信號(hào)失鎖事件開(kāi)展深入的統(tǒng)計(jì)研究.

3 中緯地區(qū)信號(hào)失鎖原由初探

根據(jù)電波傳播理論，電波傳播過(guò)程中出現(xiàn)信號(hào)擾動(dòng)等與空間環(huán)境的變化密切相關(guān)，例如電離層電子密度不均勻體的影響等. 考慮星地鏈路的傳播路徑，前人研究發(fā)現(xiàn)信號(hào)失鎖與其路徑中的電離層電子密度擾動(dòng)密切相關(guān)，例如C. Xiong 對(duì)天基接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)信號(hào)失鎖與TEC 降低具有較強(qiáng)相關(guān)性.

基于上述考慮并借鑒前人研究經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)典型信號(hào)失鎖事件的電離層電子密度變化(主要用TEC 來(lái)表征)進(jìn)行分析，初步探索信號(hào)失鎖的可能形成原因.

圖8 是利用Madrigal TEC 數(shù)據(jù)繪制的2018-10-23T14:57:30 威海及周邊地區(qū)的TEC 地圖. Madrigal TEC 數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為5 min，空間分辨率為1°E×1°N. 因Madrigal TEC 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 稀 疏，這 里 采 用4°×4°網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理，白色方格為無(wú)數(shù)據(jù)地區(qū).

圖8 2018-10-23T14:57:30 威海及周邊區(qū)域的TEC 地圖Fig. 8 TEC map of Weihai and surrounding area at 2018-10-23T14:57:30

從圖8 可見(jiàn)：威海及周邊區(qū)域TEC 平均值約為4 TECU；最 高 值 約 為5.5 TECU，位 于120°E 附 近(30°～38°N)；最 低 值 約 為2 TECU，位 于(124°E，34°N)附近. TEC 數(shù)值整體較低，是因?yàn)榇丝掏５貐^(qū)正處于夜晚(北京時(shí)間22:57:30)，光致電離過(guò)程基本消失. 盡管在圖示區(qū)域中TEC 數(shù)值不大，但依然存在較大的TEC 空間梯度，其中TEC 數(shù)值最低的位置與發(fā)生信號(hào)失鎖的GEO PRN122 衛(wèi)星穿刺點(diǎn)位置相重合. 這說(shuō)明TEC 降低(或電離層電子密度下降)可能與中緯地區(qū)信號(hào)失鎖相關(guān). 這也與C. Xiong 等人的結(jié)論較為一致.

這里需要指出的是，北斗PRN141 衛(wèi)星與GEO PRN122 衛(wèi)星均為地球同步軌道衛(wèi)星，且它們的穿刺點(diǎn)相距約50 km. 當(dāng)GEO PRN122 衛(wèi)星發(fā)生信號(hào)失鎖時(shí)，北斗PRN141 衛(wèi)星并未出現(xiàn)明顯的信號(hào)失鎖現(xiàn)象，而在GEO PRN122 衛(wèi)星發(fā)生兩次信號(hào)中斷前1～5 min，BDS PRN141 衛(wèi)星TEC 出現(xiàn)了一定程度的下降，相位TEC 下降超過(guò)0.1 TECU. 這說(shuō)明與GEO PRN122 衛(wèi)星信號(hào)失鎖相關(guān)的電離層電子密度下降并未對(duì)BDS PRN141 衛(wèi)星產(chǎn)生足夠干擾，也進(jìn)一步說(shuō)明了引起這一信號(hào)失鎖事件的不均勻體的尺度可能較小. 這就要求我們采用更多探測(cè)設(shè)備提供的更高空間及時(shí)間分辨率的觀測(cè)來(lái)進(jìn)一步探索信號(hào)失鎖的可能形成原因. 但目前威海地區(qū)其他種類(lèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，我們這里只能開(kāi)展初步分析.

4 結(jié) 論

利用我國(guó)威海槎山站地面GNSS 電離層TEC 與閃爍接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，報(bào)道了我國(guó)中緯地區(qū)衛(wèi)星信號(hào)失鎖現(xiàn)象. 依據(jù)制定的地面接收機(jī)觀測(cè)的衛(wèi)星信號(hào)失鎖判定標(biāo)準(zhǔn)，我們展示并驗(yàn)證了一個(gè)典型的信號(hào)失鎖事件；然后，進(jìn)一步給出多個(gè)信號(hào)失鎖事件，并初步統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)中緯地區(qū)信號(hào)失鎖特征；最后，嘗試分析中緯地區(qū)信號(hào)失鎖的產(chǎn)生原因. 現(xiàn)將本文工作歸納如下：

1)衛(wèi)星信號(hào)失鎖事件判定標(biāo)準(zhǔn)：地面接收機(jī)正常工作的情況下，針對(duì)某顆衛(wèi)星的一個(gè)連續(xù)信號(hào)接收過(guò)程，其原始數(shù)據(jù)和二級(jí)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間大于等于1 min 小于30 min 的數(shù)據(jù)缺失，且排除接收機(jī)的停開(kāi)機(jī)及接收衛(wèi)星的多徑效應(yīng)干擾.

2)在太陽(yáng)活動(dòng)低年(2018—2019 年)，我國(guó)威海站(位于中緯地區(qū))檢測(cè)到大量的衛(wèi)星信號(hào)失鎖事件.

3)信號(hào)失鎖持續(xù)時(shí)間一般為1 min 到10 min 多，其中10 min 以下事件較多；信號(hào)失鎖前信噪比往往下降，但幅度閃爍指數(shù)和相位閃爍指數(shù)則出現(xiàn)明顯增長(zhǎng).

4)電離層電子密度(或TEC)降低可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失鎖.

由于威海地區(qū)的電離層探測(cè)設(shè)備較少，無(wú)法深入探究信號(hào)失鎖的形成原因，依然缺乏針對(duì)我國(guó)中緯地區(qū)信號(hào)失鎖的詳盡統(tǒng)計(jì)研究，這些問(wèn)題仍需繼續(xù)研究.