电离层闪烁对GNSS接收机性能影响比较分析

李 广,刘 钝

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)

0 引 言

电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一。我国的北斗区域系统2012年底宣布开始运行。此时,太阳活动将达到新的峰值活动时期,电离层闪烁活动随太阳活动高年的到来而增强。我国南方低纬地区是电离层闪烁的高发区。因此,开展电离层闪烁对北斗系统的影响研究具有重要意义。

闪烁对GNSS系统的影响包括对接收机跟踪环路的影响,对接收机定位性能的影响,对卫星导航系统总体性能的影响[1-4]。电离层闪烁对卫星导航系统影响的根本在于闪烁对接收机的影响。闪烁引起的接收信号快速衰落或相位的抖动,都将影响接收机的跟踪测量性能,闪烁严重时还会引起接收机的失锁。开展电离层闪烁对GNSS系统的影响研究首先应开展闪烁影响下的GNSS接收机定位性能研究。

为此,利用昆明地区的观测数据,开展了电离层闪烁对北斗接收机和GPS接收机定位性能的影响研究,比较分析了北斗接收机和GPS接收机在不同电离层闪烁影响程度下的定位性能。这是国际上第一次针对北斗系统开展的研究。

电离层闪烁指数是反应闪烁强度的参量,闪烁指数大意味着闪烁强烈。但从接收机定位角度而言,强烈的闪烁活动并不一定对接收机定位性能造成最严重影响[6]。低仰角观测情况下,即使较弱的闪烁影响也可以引起卫星信号的失锁、可用DOP值的增大,造成接收机定位性能的降低。从闪烁强度、闪烁影响的覆盖区域、闪烁的持续时间等多个层面考虑对电离层闪烁影响进行分级,并与闪烁影响下的接收机定位性能进行比较。

本文对上述工作进行了介绍,分析结论可作为国内北斗接收机生产厂商进一步改进的依据,同时，也可以作为对电离层闪烁对GNSS系统影响进行分级的参考依据。

1 监测数据及分析方法

1.1 分析用数据

本文分析用数据说明如下:

观测地点: 昆明；观测时间: 2012年9月19日-29日;观测数据:a)电离层闪烁观测数据;b)GPS测量数据;c)BD测量数据;

其中,电离层闪烁观测数据由中国电波传播研究所研发的GPS电离层闪烁监测设备测量获得[5]。GPS测量数据采用IGS GPS观测数据,BD测量数据为参考站用高精度BD接收机测量数据。

1.2 数据分析方法

利用观测数据,分析不同闪烁强度下北斗接收机与GPS接收机的定位结果,比较分析电离层闪烁对GNSS接收机定位性能的影响。

1)利用电离层闪烁监测设备观测数据分析电离层闪烁影响的时间段,并提取相应时间段的北斗系统和GPS观测数据。

2)对闪烁期间的北斗系统观测数据和GPS观测数据进行定位处理,获得闪烁影响下的接收机定位结果。

3)比较不同电离层闪烁强度下,北斗接收机和GPS接收机的定位性能。

分析中采用伪距定位方法,这是由于闪烁引起的频繁周跳,使得利用载波定位较为困难,且不利于对接收机定位连续性能的比较。分析中采用GIM TEC图进行电离层误差修正。对流层误差采用模型进行修正。

2 数据分析结果

2.1 闪烁事件选择

利用电波观测网闪烁观测数据,选择闪烁发生的时间。图1,图2,图3分别示出了2012年9月25日,23日、28日20:00-24:00(本地时)期间昆明地区GPS可视卫星轨迹。图中,用不同深度表示卫星受闪烁影响的强度,浅色表示闪烁指数S4<0.3,深色表示0.3 0.7[6-8]。从图中可以看出,这三天均有闪烁发生,并且电离层闪烁影响的空域分布,以及影响的持续时间不尽相同。

图1 电离层闪烁影响下的空间卫星轨迹(2012年9月25日)

图2 电离层闪烁影响下的空间卫星轨迹(2012年9月23日)

图3 电离层闪烁影响下的空间卫星轨迹(2012年9月28日)

2.2 闪烁对GNSS接收机定位性能的影响

分别对闪烁影响下的北斗接收机和GPS接收机定位结果进行分析,并重点对闪烁影响期间(UT:12:00-16:00,LT:20:00-24:00)的数据进行分析。

1)2012年9月25日定位结果

图4示出了2012年9月25日,北斗接收机和GPS接收机的定位结果。可以看出:a)北斗接收机和GPS接收机均可以实现定位功能,且可以达到系统发布的性能要求;b)北斗接收机的定位结果存在个别的“毛刺”,表明该历元受闪烁的影响,定位结果存在跳变。

2)2012年9月23日定位结果

图5示出了2012年9月23日,北斗接收机和GPS接收机的定位结果,可以看出:a)北斗接收机和GPS接收机均可以维持定位功能;b)GPS接收机定位结果中出现多处“毛刺”,表明在该历元定位结果受到闪烁的影响;c)北斗接收机定位结果误差增大,且存在非常多的“毛刺”现象,表明在多个历元受到闪烁的影响。

3)2012年9月28日定位结果

图6示出了2012年9月28日,北斗接收机和GPS接收机的定位结果,可以看出:a)GPS接收机仍可以维持定位能力,但定位误差增大,且在个别历元出现跳变,表明GPS接收机受到的电离层闪烁影响进一步增大;b)北斗接收机在闪烁发生的时间段内(UT:12:00-16:00)失去定位功能。作为比较,图中给出了北斗接收机一天的定位结果。

图4 电离层闪烁影响下的定位结果(2012年9月25日)(a)GPS接收机;(b)北斗接收机

图5 电离层闪烁影响下的定位结果(2012年9月23日)(a)GPS接收机;(b)北斗接收机

2.3 电离层闪烁对GNSS接收机性能影响分析

不同强度电离层闪烁对GNSS接收机具有不同的影响,闪烁强度越高,对接收机性能影响越大。电离层闪烁对GNSS接收机定位性能的影响不仅与闪烁强度有关,还与闪烁影响的空域和持续时间有关。

1)不同强度电离层闪烁对GNSS接收机性能影响分析

通过对昆明站的数据分析表明:

a)2012年09月25日,电离层闪烁对GNSS接收机影响较弱,就闪烁自身而言表现为:闪烁指数较小(S4 < 0.3),多为弱闪烁或无闪烁影响;闪烁分布区域较小。此外,2012年09月19日的数据分析结果与25日类似。

b)2012年09月23日,电离层闪烁对GNSS接收机影响较强,就闪烁自身而言表现为:存在较大闪烁指数(S4> 0.7),但发生的时间较为离散;闪烁分布区域较大。此外,2012年09月26日、27日的数据分析结果与23日类似。

c)2012年09月28日,电离层闪烁对GNSS接收机影响严重,就闪烁自身而言表现为:存在较大闪烁指数(S4> 0.7),且持续时间较长;闪烁分布区域大。2012年09月29日的数据分析结果与28日类似。

图6 电离层闪烁影响下的定位结果(2012年9月28日)a)GPS接收机; b)北斗接收机;

2)电离层闪烁对不同GNSS接收机性能影响分析

通过对不同电离层闪烁影响下北斗接收机和GPS接收机定位性能的比较,可以看出:

a)所采用的GPS参考站型接收机具有较好的抗电离层闪烁影响能力,可以在多颗卫星信号受到较强电离层闪烁影响下,仍可以维持定位能力。

b)所采用的北斗参考站接收机在弱闪烁情况下可以实现定位,且定位性能优于GPS.但在多颗北斗卫星信号受到较强电离层闪烁影响下,定位误差增强,且强闪烁持续时间较长时,接收机失去定位功能。这表明该类型北斗接收机应对电离层闪烁的能力较弱。

3 结束语

电离层闪烁会影响GNSS(北斗系统、GPS)接收机的定位性能。电离层闪烁对接收机定位性能影响的判断应考虑闪烁强度、闪烁持续的时间、闪烁发生的空间分布等因素。其中,闪烁强度表明闪烁对卫星信号跟踪和测量的影响;闪烁分布的空域决定了影响的可用卫星数;闪烁影响持续时间越长,多颗卫星同时受影响、同时失锁的可能性增大,引起定位性能的严重下降。

不同强度的闪烁对GNSS定位结果均有影响,存在较强闪烁影响情况下,GNSS接收机定位误差增大,且存在定位结果的跳变;存在强闪烁,且持续时间较长、影响空间较大时,将严重影响接收机的定位性能,甚至使接收机失去定位功能。

不同接收机抗电离层闪烁的能力不同。对于北斗系统接收机(尤其是参考站用接收机)而言,应考虑进一步增强对电离层闪烁影响的应对能力。

[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.