中国区域电离层特性对卫星导航系统的影响

刘 钝 甄卫民

（中国电波传播研究所，山东 青岛 266107）

引 言

卫星导航信号穿越电离层到达地面，不可避免地受到电离层环境的影响，电离层应用技术开发是卫星导航系统建设中的一项重要工作。

精度、完好性、连续性和可用性是卫星导航系统的基本性能要求。对电离层应用技术，“精度”要求就是提供高精度的电离层修正功能。“完好性”是随着卫星导航系统应用发展而提出的一项重要性能要求，“是对可以加之于导航系统所提供的信息正确度信任程度的一种度量，其中包含当系统不应用于导航时向用户发出及时报警的能力”［1］。根据完好性定义，卫星导航系统中的电离层修正技术应进一步实现两个功能:

1）建立合适的误差门限，以判定电离层修正误差是否超限，以此实现电离层修正量的正确度评估和及时报警能力。

2）电离层修正一般针对平静电离层状态实现，而在电离层扰动情况下难以实现精确修正功能，因此，应实现电离层扰动的有效检测，实现及时报警能力。

国外在卫星导航系统相关的电离层应用技术研究上开展有广泛的工作。斯坦福大学早在1996年就提出电离层网络模型，并用于全球定位系统（GPS）广域增强系统（WAAS）的实现［15］。随后，国外研究的重点就集中在电离层相关的完好性实现技术上，这些工作主要包括电离层有效误差门限的研究及建立［8-11］，电离层扰动的有效检测、监测技术等方面［11-13，16］。

与美国和欧洲等区域主要覆盖中纬地区不同，中国区域覆盖中低纬地区，电离层环境具有明显的区域性特征，如低纬区域存在赤道异常、是电离层闪烁高发区等。因此，中国区域电离层环境特性对卫星导航系统的影响更为复杂，一些电离层影响也更为强烈，相应的卫星导航系统电离层应用技术实现也更为复杂。

国内已有许多学者就中国区域电离层特性对卫星导航系统的影响进行分析研究。其中王一举对监测站分布稀疏情况下的电离层网络模型实现进行了研究［3］，袁运斌提出了“站际分区法”等思路，以解决电离层网络模型实现中观测量的选择问题，进而提高模型的精度［4］。但这些工作对于我国卫星导航系统中的电离层技术应用仍是不够的，主要表现在国内目前已有工作主要围绕基于电离层网络模型实现的修正技术开展，而在电离层相关的系统完好性实现技术方面，工作开展较少，目前仅有有限文章涉及。

本文通过就中国区域电离层环境特性对卫星导航系统，尤其是区域增强系统的影响分析，表明我国独特的电离层环境对卫星导航系统的完好性实现具有严重影响，已有的技术实现（如WAAS系统中的完好性实现技术），必须针对中国区域的环境特性进行改进和完善，形成适合我国环境特性和我国自主卫星导航系统特点的电离层应用技术。

1.卫星导航系统及其增强系统

早期的GPS实现中，主要考虑背景电离层（或平静电离层）延迟对系统的影响，其方法一般是建立合适的全球单频电离层修正模型进行修正。

随着卫星导航应用的发展和用户应用要求的提高，出现了各种区域增强系统和局域增强系统。各种增强系统通过在局域／区域内布设合理的地面监测站／网络对空间卫星进行监测，对区域测量数据进行处理分析，获得各种修正信息，并通过特定的通信链路向用户发布以实现用户定位精度提高和完好性服务等功能。

典型的卫星区域增强系统有美国的广域增强系统（WAAS），欧洲的欧洲同步卫星导航覆盖系统（EGNOS），日本的多功能卫星增强系统（MSAS）等，以及规划中的中国区域增强系统，印度的GPS／GEO增强导航系统（GAGAN），加勒比及南美测试系统（CSTB）等。其中，WAAS、EGNOS、MSAS的主要服务区一般为中纬地区。与这些区域增强系统不同，中国区域的增强系统其主要服务区覆盖中低纬地区（图1）。因此，中国区域的增强系统实现将面临更多的区域环境特性，尤其是电离层环境特性的影响。

图1 各区域增强系统的覆盖范围

2.中国区域电离层环境特性

对卫星导航系统及其区域增强系统具有较大影响的中国区域电离层环境特性主要包括三个方面:

1）低纬地区的赤道异常影响

F层电子密度峰值随地磁纬度变化，白天在磁赤道上空出现极小值，而在磁赤道南北两边15°～20°的地方出现两个极大值的现象通常称为赤道异常［2］。赤道异常造成较大的电子密度及较大的电子密度梯度变化，其直接影响是电离层空间相关性的降低，因此，是影响各种差分系统的重要因素。我国南方地区位于赤道异常区（图2见211页），区域增强系统实现中，必须要考虑赤道异常的影响。

2）电离层暴的影响

源于太阳爆发的强磁暴使地球空间环境发生扰动，伴随强磁暴的发生，全球范围内的电离层都会出现剧烈变化，即电离层暴［2］。电离层暴的发展变化机制较为复杂，其发展通常经历不同的相，不同相期间，电子密度和总电子含量增大或减小。同时，不同纬度区域电离层暴的发展变化过程也不尽相同。电离层暴将引起电离层时空相关性的降低，由于赤道异常也会引起电离层时空相关性的降低，因此对于中国区域增强系统而言，电离层暴的影响更为复杂。

3）电离层闪烁的影响

导航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［2］。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，严重时会导致接收机跟踪信号的失锁。我国低纬地区是世界范围内的电离层闪烁高发区之一（图3（见211页）），电离层闪烁研究对我国卫星导航系统建设具有重要意义。尤其是电离层闪烁影响整个L频段，而不是单个频点，更凸现出电离层闪烁研究的重要性。

3.中国区域电离层特性对卫星导航系统的影响

3.1 赤道异常对卫星区域增强系统的影响

区域增强系统中一般采用电离层网格模型对用户定位中的电离层误差进行修正。数据处理中心利用监测站测量的电离层穿刺点处电离层延迟估计电离层网格点处的电离层垂直延迟（GIVD），及相应的误差门限信息（GIVE）值，并播发至用户。用户利用播发的GIVD和GIVE值内插出用户至卫星视线路径上的电离层延迟及相应的误差估计，并用于定位修正和相应的完好性计算。与电离层相关的系统完好性实现中，采用卡方检测方法，对估计的电离层网格模型与实测数据的符合性进行检测，并根据检测结果设置播发信息中的标志位，以提示用户电离层修正及其精度估计是否可用。

电离层空间相关性变化将影响电离层延迟提取的精度，并进一步影响通过简单线性内插方法获得的电离层延迟修正的精度。在系统完好性实现中，通过提高电离层误差门限的方法有效限定电离层延迟残差估计中的不确定性，并基于这个新的门限建立系统的完好性估计。电离层相关性的变化直接影响电离层延迟残差的分布特性，进而影响有效电离层误差门限的建立［5］。同时，由于电离层相关性的变化使得电离层延迟残差不再符合正态分布，卡方检测也就失去作用［15］。

图5是利用文献［8］-［10］中方法对中国低纬区域GPS数据进行电离层相关性研究的结果［5］。图中分别统计电离层延迟差ΔIv在不同概率条件下（68%，95%，99%，99.9%），经归一化后获得的方差随穿刺点距离的变化。当ΔIv的变化符合正态变化规律时，上述四条曲线应是重合的（见图4美国数据处理的结果）。从图5可见，对于中国低纬区域，不同概率下的电离层延迟差值的门限经过归一化后，各σ值不重合，表明电离层延迟的差值不符合正态分布特性。这个结论也与美国喷气推进实验室（JPL）和斯坦福大学对南美电离层异常区域数据进行分析获得的结论类似［11］。中国区域电离层延迟的这种特性表明，必须考虑中国区域电离层的相关特性，建立合理的误差门限，对电离层相关性造成的电离层延迟残差进行有效限定，而不是简单地认为电离层延迟残差符合标准的正态分布，利用通用的方法进行限定。

3.2 电离层暴对区域增强系统的影响

电离层暴对中国区域增强系统的影响较为复杂。一方面，我国地跨中低纬地区，电离层暴具有不同的形态变化；另一方面，电离层暴影响更大程度上在于暴时电离层电子密度梯度的较大变化破坏了电离层的时空相关性，而中国低纬地区赤道异常的主要影响也在于赤道异常引起的电子密度梯度变化。因此，电离层暴的影响和赤道异常的影响“纠缠”在一起，在区域增强系统中难以区分。

文献［13］中给出了利用电离层空间梯度变化实现的一种电离层扰动检测方法。该方法通过对平静时和暴时北美区域电离层延迟梯度变化的统计（表1），认为该变化量符合对数正态分布，并利用平均梯度变化为统计量，通过对数正态分布的均值（μ）和方差（σ），实现了一种电离层扰动的序贯检测方法［13］。表2和表3中，给出了利用该方法获取的中国区域的统计分析结果。其中，表2为电离层平静时期，国内不同区域的统计结果，表3为电离层暴时（2003年10月29日-2003年11月1日），TWTF站的统计结果。可以看出，与北美区域相比，中国区域存在以下特点:

1）从表2可以看出:中纬地区（BJFS）具有较小的μ，而位于异常区“驼峰”顶及南北两侧的区域（TWTF，QION，甚至包括异常区北坡底部的 WUHN）具有较大的μ，但在靠近磁赤道地区（PIMO），μ反而减小。尽管中纬地区和赤道异常区的μ具有较大差异，但在更低纬度（如我国南海区域，和PIMO在同一纬度上），μ则介于中纬地区和赤道异常区μ值的中间，就难以确定一个μ值的检测区间以实现对暴的检测。

2）从表3可以看出，尽管电离层暴的开始阶段及结束阶段，具有较大的μ，但在暴期间，μ较小。对于异常区（TWTF），电离层平静时期的μ值（如表2中的-2.1216）和电离层暴期间的μ值（-2.5638）相近，难以确定一个合理的μ值检测区间以实现对暴的检测。异常区（如TWTF）在电离层平静时期和电离层暴期间具有相近的值，这种现象表明，电离层异常的影响在一定程度上类似暴的影响。这个结论也与美国JPL和斯坦福大学对南美电离层异常区域数据进行分析获得的结论类似［11］。

表1 北美区域数据获得的电离层空间梯度变化统计量

表2 中国区域数据获得的电离层空间梯度变化统计量（电离层平静时期2003年10月14日）

表3 中国区域数据获得的电离层空间梯度变化统计量（TWTF站，电离层暴时期）

3.3 电离层闪烁对卫星导航系统的影响

电离层闪烁对卫星导航系统的影响也较为复杂，其原因在于电离层闪烁影响表现在多个方面，并且各方面影响相互交叉在一起。

首先，电离层闪烁造成接收机跟踪信号强度的降低（图6），进而引起接收机测量误差增大。电离层闪烁严重时可以造成接收机跟踪卫星的失锁，使用户定位精度因子增大，上述影响造成用户定位精度降低，严重时，可引起用户定位结果发生巨大跳变，严重影响用户的定位性能（图7，图8）［6-7］。

其次，与电离层闪烁相关的电离层不均匀体将造成电离层电子含量存在巨大的局域性梯度变化，影响差分定位的精度。图9和图10分别给出了无电离层闪烁（2003年10月13日）和有电离层闪烁（2003年10月14日）两种情况下，QION站测量的GPS PRN 28号卫星路径上的电离层延迟［6-7］。可以看出，无电离层闪烁，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为一条光滑的曲线。而存在闪烁时，电离层不均匀体存在造成电离层在局域电子密度的增大，使得电离层倾斜延迟随卫星仰角的升高，没有减小而出现增大，与这种电子密度增大相关的是局域存在陡峭的电子密度梯度变化。这种现象一方面影响电离层TEC的精确提取，进而影响系统电离层修正模型的实现，另一方面对局域性差分系统，如LAAS具有较大影响，严重时可使用户失去完好性功能［14］。

4.结 论

中国区域具有明显的区域电离层环境特性，是影响卫星导航系统及其增强系统实现的重要因素。

中国区域电离层环境对卫星导航系统的影响是多方面的，电离层赤道异常、电离层暴、电离层闪烁都可以引起电离层电子密度的梯度变化，影响电离层的时空相关性，进而影响利用相关性实现的差分系统修正精度或系统完好性功能实现。电离层闪烁还会引起接收机跟踪信号强度的降低，引起接收机测量误差增大，闪烁严重时可引起接收机失锁，影响定位精度因子，上述影响最终共同影响用户的定位精度。

对中国区域，上述多种电离层环境因素的影响往往交织在一起，难以进行区分，如电离层异常和电离层暴都可以造成较大的梯度变化，影响系统差分修正精度和完好性功能实现；闪烁相关的电离层不均匀体在造成卫星信号衰落，影响测量精度的同时，还会造成局域性的电子密度梯度变化，影响定位精度和完好性功能。

因此，卫星导航系统，尤其是中国区域增强系统实现中，必须针对我国区域的电离层环境特性开展系统、深入的研究，在已有的工作基础上进行改进、完善，设计有针对性的、合理的方法或模型，而不是简单的套用国外已有的成果。

［1］李 跃，邱致和.导航与定位［M］.2版.北京:国防工业出版社，2008.

［2］熊年禄，唐存琛，李行健，电离层物理概论［M］.武汉:武汉大学出版社，1999.

［3］王一举，袁 洪，万卫星，等.改进的 WAAS电离层时延网格修正算法［J］，空间科学学报，2002，22（2）:129-135.WANG Yiju，YUAN Hong，WAN Weixing，et al.An improved GRID-based correction algorithms for the ionospheric delay in WAAS［J］.Chinese Journal of Space Science，2002，22（2）:129-135.（in Chinese）

［4］袁运斌.基于GPS的电离层监测及延迟改正理论与方法的研究［D］.北京:中国科学院研究生院，2003.YUAN Yunbin.Study on Theories and Methods of Correcting Ionospheric Delay and Monitoring Ionosphere Based on GPS［D］.Beijing:Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2003.（in Chinese）

［5］刘 钝，冯 健，邓忠新，等.中国区域电离层相关结构对卫星增强系统的影响［J］.全球定位系统，2009，34（4）:14-19.LIU Dun，FENG Jian，DENG Zhongxin，et al.The effects of ionosphere correlation structure on satellite augmentation system in china［J］.GNSS IN China，2009，34（4）:14-19.（in Chinese）

［6］刘 钝，冯 健，邓忠新，等.电离层闪烁情况下的卫星导航系统定位性能分析［J］.全球定位系统，2009，34（6）:1-8.LIU Dun，FENG Jian，DENG Zhongxin，et al.Analysis of ionospheric scintillation effects on GNSS positioning［J］，GNSS IN China，2009，34（6）:1-8.（in Chinese）

［7］刘 钝，冯 健，邓忠新，等.电离层闪烁对卫星导航系统定位性能的影响分析［J］.电波科学学报，2010，25（4）:702-710.LIU Dun，FENG Jian，DENG Zhongxin，et al.Study of ionospheric scintillation effects on GNSS positioning performance［J］.Radio Science in China，2010，25（4）:702-710.（in Chinese）

［8］HANSEN A，PETERSON E，WALTER T，et al.Correlation structure of ionospheric estimation and correction for WAAS［C］／／ION NTM 2000，Millan，Italy.Jan.2000:454-463.

［9］HANSEN A，BLANCH J，WALTER T，et al.Ionospheric correlation analysis for WAAS:quiet and stromy［C］／／Proceedings of ION GPS conference，Salt Lake City，UT，September 2000.

［10］HANSEN，A.Tomographic Estimation of the Ionosphere Using Terrestrial GPS Sensors［D］.California:Stanford University，2002.

［11］KOMJATHY，A，SPARKS L，MANNUCCI A J，et al.An assessment of the current WAAS ionospheric correction algorithm in South American region［C］／／Proceedings of ION GPS，Portland，OR，September 2002.

［12］WALTER T，HANSEN A，MANNUCCI T.Robust detection of ionospheric irregularities［C］／／Proceedings of ION GPS，Portland，OR，September 2000.

［13］EL-ARINI M B，LEJEUNE R O.Description of an ionospheric spatial gradient irregularity detector for WAAS［C］／／Proceedings of ION GPS，Portland，OR，September 2000.

［14］SAITO S，YOSHIHARA T，FUJII N.Study of effects of the plasma bubble on GBAS by a three-dimensional ionospheric delay model［C］／／Proceedings of the 22nd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation，Savannah，Georgia，USA.September 22-25，2009:1141-1148.

［15］CHAO Yichung.Real Time Implementation of the Wide Area Augmentation System for the Global Positioning System With an Emphasis on Ionospheric Modeling ［M］.Michigan:NA Publishing Inc.，1997.

［16］CONKER R S，EL-ARINI M B，CHRISTOPHER J，et al.Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS／SBAS availability［C］／／ION Annual Meeting，Fairfax，Va.，USA，June 2000:563-576.