电离层闪烁对GNSS的影响①

徐 彬,刘 钝

(1.海军频谱管理办公室,北京100846,2.中国电波传播研究所,山东 青岛266107)

0 概 述

卫星信号穿越电离层时,电离层中存在的不均匀体结构会引起信号强度和相位的快速随机起伏变化,这种现象称为电离层闪烁。对于卫星导航系统而言,电离层闪烁将引起地面接收机接收到的信号出现误码和信号畸变,影响信号的测量精度,闪烁强烈时会导致接收机跟踪信号的失锁,严重影响系统的导航、定位和授时功能。对于卫星通信系统而言,电离层闪烁可以引起通信链路的中断,同时,由于通信网络在很大程度上依赖卫星导航系统实现网络内的时间同步,电离层闪烁对卫星导航系统的影响也将形成对通信系统的潜在影响。

电离层闪烁效应在低纬的赤道异常区最为强烈,我国南方区域正处于磁赤道异常区的北峰区域,是全球范围内电离层闪烁出现最频繁、影响最严重的地区之一。因此,开展电离层闪烁研究对我国卫星导航、通信系统的建设都具有重要意义。重点对电离层闪烁对卫星导航系统的影响进行分析,并进一步强调电离层闪烁对我国低纬区域影响的严重性,最后提出我国卫星导航系统建设中建议采取的针对性减缓措施。

1 电离层闪烁对卫星导航系统影响

与电离层造成的信号延迟、电离层暴引起的电离层电子含量梯度变化等影响效应不同,电离层闪烁的影响更为复杂。这种复杂性一方面表现在电离层闪烁造成卫星信号的衰减,影响接收机接收信号的强度,因此将引起测量精度降低、空中可视卫星数减少等一系列影响,并最终影响用户定位精度;另一方面,造成闪烁的电离层不均匀体将引起电离层局域性的密度梯度变化,这种变化难以用电离层修正模型进行补偿,造成用户定位精度降低。下面将按接收机测量定位的实现流程,对电离层闪烁的各种影响方式进行分析。

1.1 电离层闪烁对接收信号强度的影响

电离层闪烁将引起穿越其中的无线电信号的快速起伏,表现在卫星导航接收机接收的信号上,使信号载噪比快速抖动、信噪比下降,甚至卫星信号的中断。图1给出了闪烁期间,卫星信号的典型变化。

图1 电离层闪烁引起的卫星信号幅度的衰落及卫星的仰角变化(海口,2003年10月14日)

从图中可以看出,电离层闪烁使得接收的卫星信号信噪比下降,从典型的信号强度50 dB/Hz下降到40 dB/Hz甚至更低,信号衰落幅度可达13～20 dB,严重情况下还可以发生卫星信号跟踪的中断。尤其从PRN 8号卫星的影响可以看出,电离层闪烁造成的信号中断持续时间较长,达5分钟左右;信号受闪烁影响期间,卫星仰角较高,表明该卫星信号受到强电离层闪烁影响。

1.2 电离层闪烁对测量精度的影响

GNSS接收机伪距测量精度与卫星信号的载噪比密切相关,随载噪比的降低和闪烁影响的增大,接收机环路跟踪误差增大。无电离层闪烁时,GNSS接收机接收的信号载噪比一般为45～50 dB/Hz,对于高精度测量接收机而言,码伪距测量精度可优于20 cm.强闪烁情况下,接收机接收的卫星信号载噪比将下降到30～35 dB/Hz.由文献[6]的仿真结果可知,此时接收机的伪距测量精度将降至米级。当信号的载噪比进一步降低时,接收机一般处于失锁的临界状态,其输出的伪距具有很大的不确定性。闪烁期间实际测量数据的分析也表明,此时单频用户定位误差可以达到几百米甚至上千米的量级,定位结果已不可信[5]。

文献[5]中闪烁期间的实测数据分析表明,存在电离层闪烁情况下,GPS接收机码伪距的测量精度普遍较低,并且,强烈的电离层闪烁造成了卫星信号中断。

1.3 电离层闪烁对载波周跳的影响

电离层闪烁造成的GNSS接收机载噪比降低,同样将影响接收机的载波测量。卫星信号载噪比的降低将影响载波环路的测量精度。闪烁期间,载波周跳的发生次数也大幅增加。通过对2001年电离层闪烁期间我国南方区域GPS观测数据的统计分析表明,发生电离层闪烁时,GPS接收机的周跳现象在一小时内最多可以达到230次左右,远大于电离层平静时的次数(一小时内最多不超过15次)[7]。

1.4 电离层闪烁对电离层延迟修正的影响

无电离层闪烁情况下,卫星升起时,随仰角变化,卫星信号穿越电离层的距离变短,电离层延迟逐渐减小;卫星降落时,电离层延迟变化趋势正好相反。因此,在平静电离层情况下,卫星的倾斜电离层延迟应为一条光滑的曲线。

与电离层闪烁相关的电离层不均匀体可造成局域电离层电子密度增强,卫星信号经过上述区域时,倾斜电离层延迟将不再遵循上述变化规律。增强的电子密度使得电离层倾斜延迟随卫星仰角的升高,没有减小反而增大,这样就使得电离层模型不能准确描述由于电离层不均匀体造成的电离层倾斜延迟变化,从而影响了硬件延迟估计精度,并进一步影响电离层网格模型的实现精度[5]。

1.5 电离层闪烁对DOP的影响

电离层闪烁可以造成卫星跟踪中断,从而影响用户定位中可用的卫星数及卫星的空间分布。尤其是对于较低仰角的卫星,由于其载噪比较低,因此更容易受到电离层闪烁的影响。而上述卫星跟踪的中断,往往引起较大的DOP突变[5],严重影响接收机的定位精度。

1.6 电离层闪烁对用户定位性能的影响

电离层闪烁对卫星导航系统定位性能的上述影响之间是互相影响的,这些影响效应一起造成了用户最终定位精度的降低。图2给出了闪烁期间,单频用户的定位结果。可以看出,用户的位置发生巨大的位置跳变。进一步的分析表明,电离层闪烁造成多颗的卫星失锁,引起用户可用卫星数的快速变化(图3),在这些时间段内,用户定位结果发生大的位置跳变。

图3 QION站定位中可用的卫星数

2 电离层闪烁对我国卫星导航系统影响的严重性

图4给出了世界范围内电离层闪烁影响区域的分布,浅黑色表示电离层闪烁高发区域,深黑色表示电离层闪烁不发生。可以看出,我国低纬地区是世界范围内的电离层闪烁高发区之一。

图4 世界范围内电离层闪烁发生频率的分布

电离层闪烁严重影响我国的卫星导航系统建设与应用。图5给出了我国2003年观测的部分电离层闪烁结果[3],图中给出的是一个星期(2003年10月6日-2003年10月12日),海口观测到的电离层闪烁指数S4变化。可以看出,在一个星期内,有6天发生了电离层闪烁,并且多为强电离层闪烁。由于文中的部分结果及文献[3]中的结果主要利用上述时间段及邻近时间段的数据分析获得,因此可知,上述时间范围内,电离层闪烁严重影响了卫星导航系统的性能。

随着2012年太阳活动高年的到来,电离层闪烁又将进入一个高发期。图6利用电离层闪烁预报模型给出的2012年3月19日我国南方区域电离层闪烁影响区域分布的预测。可以看出,我国南方较大区域将可能受到电离层闪烁的影响,其中,三亚、海口、湛江、广州、厦门等地受电离层闪烁影响的可能性最大。

3 我国应采用的针对措施

电离层闪烁将影响整个 L频段,使用该频段的卫星导航系统(包括BeiDou、GPS、GALILEO、GLONASS等)都将受到电离层闪烁影响。因此,电离层闪烁研究对我国卫星导航系统建设具有重要意义。针对电离层闪烁影响,可采取的应对措施主要包括:

1)GNSS接收机的设计与改进

在GNSS接收机设计开发中,针对电离层闪烁的影响,从环路设计、信号跟踪及重捕算法实现等方法,考虑对接收机进行改进。目前,欧洲的Septentrio公司正在和巴西(位于南美电离层闪烁高发区)有关单位开展CIGALA项目的合作研究,其目的是寻求GNSS接收机中有效的电离层闪烁减缓方法,以满足该区域GNSS用户应用需求[8]。我国也应开展类似的工作。

2)GNSS系统设计与实现采取针对性措施

针对电离层闪烁的区域特性进行研究,对闪烁影响的范围、程度等进行统计分析,为GNSS及其应用系统的设计提供技术支撑。如印度的GAGAN设计中,针对印度区域的电离层闪烁进行统计分析,并作为监测站选址的依据[11];美国的WAAS设计中,针对闪烁影响的持续时间、间隔等进行统计分析,针对性地对WAAS的性能标准(WAAS MOPS)进行相应的改进[9],并将电离层闪烁监测预警服务已纳入WAAS的运控系统。

3)建立有效的电离层闪烁监测与预警服务

减缓电离层闪烁影响的一个重要途径是建立电离层闪烁监测预警机制,并结合卫星导航系统实现,为系统运行及应用提供服务保障,如可通过预警信息的发布,为受闪烁影响的区域用户(如通信、导航用户)提供预警,使用户及时启动应急备份系统等。目前,美国军方、NASA、FAA、ESA等都建有或正在建设相应的电离层闪烁监测服务系统。

4 结 论

电离层闪烁是影响卫星导航系统性能的重要因素。电离层闪烁可以引起用户接收机测量误差增大,电离层延迟修正精度降低,用户定位精度因子的增大,从而降低用户的定位精度,闪烁影响严重时可以造成接收机跟踪卫星的失锁,引起用户定位结果发生巨大跳变,严重影响了用户的定位性能。

我国南方区域处于电离层闪烁高发区,电离层闪烁在影响的区域、时间、程度上都远大于中纬地区,这将严重影响卫星导航系统在该区域内的定位精度、完好性、连续性等性能。因此电离层闪烁是我国卫星导航系统建设中应重点考虑的环境影响因素。

电离层闪烁造成的误差难以通过相应的模型进行精确的修正,只能通过接收机设计、系统总体设计、定位方法算法改进等方面的设计改进,提高系统性能。建立电离层闪烁监测预警服务是实现卫星导航系统性能保障的有效手段,也是对系统各种应用的重要服务功能之一。

[1] U S Department of Transportation,Volpe Center.Vulnerability assessment of the transportation infrastructure relying on the global positioning system[R].DOT,2001.

[2] DOD,DHS,and DOT.2008 federal radionavigation plan[R].National Technical Information Service,Springfield,Virginia,2009.

[3] 甄卫民,冯 健,陈 丽,等.多站多路径GPS信号研究低纬电离层不均匀体[J].电波科学学报,2007,22(1):138-142.

[4] 刘 钝,冯 健,邓忠新,等.电离层闪烁对全球导航卫星系统(GNSS)的定位影响分析[J].全球定位系统,2009,34(6):1-8.

[5] 刘 钝,冯 健,邓忠新,等.电离层闪烁对GPS系统定位性能的影响研究[J].电波科学学报,2010,(4):702-710.

[6] 刘 钝,甄卫民,冯 健,等.电离层闪烁对卫星导航系统性能影响的仿真分析[J].全球定位系统,2011,36(2):7-12.

[7] 冯 健.Galileo系统中国区域电离层特性研究[D].西安:西安电子科技大学,2006年.

[8] Bougard B.CIGALA-Concept for ionospheric scintillation mitigation for professional GNSS in Latin A-merica[C]//ESA EESW 2010,2010.

[9] Jiwon Seo,Todd W,Tsung-Yu C,et al.Characteristics of deep GPS signal fading due to ionospheric scintillation for aviation receiver design[C]//12th International Ionospheric Effects Symposium,Alexandria,VA.,2008.

[10] Alan Dodson,Terry Moore,Marcio H O,et al.I-onospheric scintillation monitoring in northern europe[C]//ION GPS,2001:2490-2498.

[11] Arjun S,Shamsher S,Reddy D C,et al.Scintillation effects on WAAS Reference Station(WRS)signal[EB/OL].[2011-04-07].http://www.gisdevelopment.net/proceedings/asiangps/2002/gpsatm/gpsas002pf.htm.