电离层闪烁对导航接收机性能的影响

刘思慧

（1国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙410073）（2北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

1 引言

在卫星导航系统中，无线电导航信号在空间传输过程中会受到电离层的影响，包括：电离层电子密度引起的电离层延迟，电离层中电子密度不规则体引起的电离层闪烁。其中，电离层闪烁效应是影响卫星导航定位性能的重要因素，在低纬赤道地区的影响最为强烈，我国南方部分区域处于磁赤道异常区的北峰区域，也是全球范围内电离层闪烁最频繁、影响最大的地区之一。从接收机角度，电离层闪烁会使信噪比下降、影响环路跟踪精度，严重时会引起信号中断、环路失锁；从定位解算角度，会使伪距精度降低，影响载波周跳检测和电离层延迟的修正精度；从系统服务性能角度，会影响连续性和可用性[1-3]。

文献[1]分析了电离层闪烁对南美地区WAAS系统的影响，文献[4]研究了欧洲地区GNSS系统受电离层闪烁的影响。这两项研究分别给出了强电离层闪烁下这两个系统可用性的变化情况，但缺乏对接收机影响的分析。而国内研究人员也针对中国区域电离层闪烁对GPS系统的精度影响进行了仿真分析[3]，给出了定性的分析结论，但更多集中在监测预报、区域特性统计研究等方面[5-6]。因此，目前的研究大多从系统服务性能（如可用性、连续性等）角度分析电离层闪烁的影响。

本文将从接收机角度定量分析电离层闪烁对接收机环路的影响，包括对信号衰落和载噪比、载波相位、伪距测量等。

2 电离层闪烁的仿真模型

2.1 电离层闪烁模型

为描述电离层闪烁信道的变化，应分析闪烁信号的振幅分布特性，在此基础上建立闪烁模型。通常采用幅度闪烁指数S4表征电离层闪烁的强度[6]，闪烁指数定义为

式中S4表征了信号功率变化的归一化方差；S表示信号强度，即接收信号的幅度；E[·]为1min的统计平均。无闪烁现象发生时，S4接近于0；强闪烁现象发生时，S4＞0.5；在极少数情况下，S4＞1。

2.2 仿真模型

电离层闪烁的仿真可以由三种方法实现：理论方法、实测数据、基于统计模型的仿真。其中，理论方法是从描述电离层闪烁影响下的信号传播方程求解入手进行仿真，一般采用相位屏的方法实现。利用实测数据仿真是指通过对实测的电离层闪烁影响下的卫星原始数据（信号强度）进行滤波处理，形成闪烁影响下的接收卫星信号序列并用于接收机测试。基于统计模型的方法是指利用闪烁影响下信号幅度或强度的变化规律，生成闪烁影响下的卫星信号序列。

本文考虑采用基于统计模型的仿真方法。将电离层闪烁对导航信号的影响，等效成信号通过一个Nakagami-n衰落信道。Nakagami-n分布所适合的衰落信道具有如下特征：传播路径既包含一个较强的视线传播量，又存在随机成分的多径[7]。

首先，根据文献[7]建立Nakagami-n衰落信道模型，其信道响应函数为

具有统计意义的静态闪烁序列可以很好地评估电离层闪烁对跟踪环路的影响。利用一个零均值的白噪声过程驱动模型，让它经过一个二阶低通滤波器，该滤波器采用如下形式的的幅度响应函数：

经过滤波器后的信号记为它的方差为由Nakagami-n分布的特征可以得到直接分量为

在仿真过程中，首先根据模型设置不同的闪烁强度和去相关时间，生成不同强度的电离层闪烁序列。进而将电离层闪烁序列的影响加入正常的导航信号中，生成模拟经过电离层闪烁后的导航信号。最后通过软件接收机对信号进行跟踪和解调，分析不同闪烁强度和去相关时间条件下电离层闪烁对接收机跟踪与解调性能的影响。

3 仿真分析

3.1 仿真设置

通过设定不同的电离层闪烁仿真参数生成电离层闪烁序列，把电离层闪烁序列的幅度和相位的影响加入到导航信号中，分析电离层闪烁对信号接收性能的影响，包括载波相位、码相位、载噪比，以及接收机I／Q支路跟踪值等5个方面。

S4表征了闪烁的强度，按照强中弱三类典型闪烁条件，S4分别取0.4、0.7和1.0；而τ0代表了衰落信道的带宽（成倒数关系），取0.5、1.0和2.0三个典型值，因此，由S4与τ0值可以排列组合出9种场景，如表1所示。

表1 电离层闪烁仿真参数Tab.1 Ionosphere scintillation simulation parameter

信号源和接收机的仿真参数说明如下：仿真信号为GPS C／A码信号，码速率1.023MHz；采样率为5MHz；仿真时长为20s；为更好地展示电离层闪烁对接收机的影响，电离层闪烁造成的信道衰落仅在5～15s之间加入；电离层闪烁造成的信道衰落的采样周期为10ms。

3.2 仿真结果

图1～图5分别给出了场景2、5、6、8和9的仿真结果。为分析在闪烁强度相同、去相关时间不同时电离层闪烁对接收机环路的影响，设置S4＝0.7，在不同的去相关时间下，结果见图6。

图1 场景2仿真结果Fig.1 Simulation results of setting2

图2 场景5仿真结果Fig.2 Simulation results of setting5

图3 场景6仿真结果Fig.3 Simulation results of setting6

图4 场景8仿真结果Fig.4 Simulation results of setting 8

图5 场景9仿真结果Fig.5 Simulation results of setting9

图6 不同去相关时间下的载波相位Fig.6 Carrier phase in different decorrelation time

3.3 结果分析

从仿真结果中可以看出，电离层闪烁对接收信号幅度、载波相位、接收载噪比和I／Q支路跟踪值等有明显的影响；对码相位的影响不明显（仅在0.05个码片内波动）。具体分析如下：

1）在几组对比仿真中，当去相关时间相同时，电离层闪烁强度越强，对接收机性能的影响越大。当闪烁强度较弱时（S4＝0.4），接收载噪比会有1dB左右的波动，载波相位会有小于1周的跳跃，I／Q支路跟踪值受影响较小；当闪烁强度增强时（S4＝0.7），可造成接收载噪比2dB左右的突降，载波相位丢失多个整周，I／Q值幅度变化较大；当闪烁强度很强时（S4＝1.0），接收载噪比会出现高达5dB的突降，载波相位丢失十多个整周，I／Q值幅度变化剧烈。

2）去相关时间会影响载波相位跟踪环路性能。环路输出的载波相位由两部分叠加组成，一是正常信号的连续载波相位，二是电离层带来的影响。虽然在三种级别的去相关时间下，环路均能稳定跟踪，但对比图4～图6可以看出，在电离层闪烁强度相同的条件下，去相关时间越短，载波相位受电离层的影响越大，载波相位跟踪中越容易发生频繁的跳周，且载波相位的抖动也更大。去相关时间代表了式（3）中衰落信道模型的低通滤波器带宽，去相关时间越短，则低通滤波器的截止带宽越宽。而这一衰落信道的带宽可以等效看成接收端的跟踪环路带宽（码环或载波环），因此，当接收环路带宽较大时，载波相位周跳受电离层闪烁的影响越严重，从图6可以明显看出，当环路带宽扩大10倍，相应的载波相位周跳增大2～5倍。

4 结束语

利用电离层闪烁模型，结合数值仿真，对典型电离层闪烁场景下的接收机性能进行了对比分析。在电离层闪烁较为明显的条件下，接收机载噪比出现深度的快速衰落，严重时会使接收机载噪比出现高达5dB的突降，将显著影响用户的定位性能。而在相同的电离层闪烁强度下，相对于较大的接收环路带宽，较小的环路带宽会使载波相位周跳程度较弱。因此，为弱化电离层闪烁对接收机性能的影响，应选择较小的环路带宽。

[1]EL-ARINI M B，FERNOW J P，HSIAO T，et al.Modeling the effect of ionospheric scintillation on SBAS availability in the western hemisphere[M].McLean：The MITRE Corporation，2008.

[2]甄卫民，陈丽.中国电离层闪烁监测和预报 [J].电波科学学报，2004，19（增刊）：207-208.

[3]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（1）：7-12.LIU DUN，ZHEN WEIMIN，FENG JIAN，et al.Simulation of ionospheric scintillation effects on GNSS positioning performance[J].GNSS World of China，2011（1）：7-12.

[4]DODSON A，MOORE T，AQUINO M H O，et al.Ionospheric scintillation monitoring in northern Europe[C]∥Proceedings of the ION GPS 2001Conference，2001：2490-2498.

[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.LIU DUN，FENG JIAN，DENG ZHONGXIN，et al.Ionospheric scintillation effects on GPS positioning performance[J].Chinese Journal of Radio Science，2010（4）：702-710.

[6]张风国，甄卫民，张洪波.电离层闪烁仿真模型研究 [J].电波科学学报，2005（6）：70-76.

[7]冯健，刘钝，甄卫民.卫星信号仿真电离层闪烁模型研究 [J].全球定位系统，2013（3）：13-15.FENG JIAN，LIU DUN，ZHEN WEIMIN.The study of ionospheric scintillation model for the satellite signal simulation [J].GNSS World of China，2013（3）：13-15.