卫星导航电离层闪烁环境保障方法研究

张红波,盛冬生,赵振维,刘玉梅,孙树计

(中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术国防科技重点实验室,青岛 266107)



卫星导航电离层闪烁环境保障方法研究

张红波,盛冬生,赵振维,刘玉梅,孙树计

(中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术国防科技重点实验室,青岛 266107)

摘要：电离层闪烁会导致卫星导航接收机的导航定位误差增大,严重时会使其导航定位中断。电离层闪烁严重影响了卫星导航系统正常应用和多种高端应用，如生命安全服务、高精度测量等。从提升卫星导航接收机抗电离层闪烁能力、研制基于国家PNT体系结构的集成导航定位装备、建立电离层闪烁预报预警保障机制三个方面探讨了电离层闪烁环境保障方法,以确保导航定位能力。

关键词：电离层;闪烁减缓;预报预警;体系结构;卫星导航

0引言

在电离层正常的电子密度背景上漂浮着密度不等、尺度不等的电离体,称为电离层不均匀体。电离层电子密度不均匀性的存在,可以引起介电常数和折射指数随机起伏,当卫星信号在其中传播时,会引起传播路径和传播时间的改变,使得信号的振幅、相位以及到达角发生快速起伏变化,导致信号衰落、频移等,被称为电离层闪烁,包括幅度闪烁和相位闪烁[1]。电离层闪烁可以影响从10 MHz到12 GHz的载波频率范围。电离层闪烁影响与载波频率有关,在一定范围内,信号频率愈低,闪烁影响愈强。在同样的电离层不均匀体条件下,VHF、UHF频段闪烁影响较强,L频段次之,C频段稍弱。

电离层闪烁会导致卫星导航接收机的导航定位误差增大,严重时会使其导航定位中断。由于电离层闪烁严重影响了卫星导航系统正常应用和多种高端应用,美军在军用导航接收机电离层闪烁影响减缓方面,先建设了电离层闪烁中断辅助决策系统(SCINDA)[2],后发射了通信导航中断预报卫星(CNOFS),旨在为全球范围内的GPS军事应用提供电离层闪烁预警服务,降低其影响。以市场为导向的伽利略卫星导航系统从系统论证设计、研发、原型验证、市场推广等阶段均开展了卫星导航系统的电离层闪烁环境保障研究,尤其注重提升导航接收机自身的抗电离层闪烁能力。

在地理区域上有两个强闪烁的高发区(赤道区和极区),赤道区集中在以磁赤道为中心的±20°的低纬区域,以磁赤道异常区闪烁最强。我国低纬地区的闪烁出现率和严重程度十分显著,特别是广东、广西、海南及南海地区,均处在磁赤道异常区的峰值区域,在全球范围内是电离层闪烁出现最频繁、影响最严重的地区之一。因此,卫星导航电离层闪烁环境保障方法研究具有重要实用价值。

1电离层闪烁对卫星导航接收机影响

1.1电离层闪烁导致卫星导航信号强度出现衰落

电离层闪烁能引起卫星信号的幅度和相位发生快速抖动,甚至导致信号中断。电离层闪烁研究中衡量信号抖动强度的最重要的指数是幅度闪烁指数S4,它定义为每分钟信号强度I的标准偏差与其平均值之比,即:

(1)

式中:角括号〈I〉表示卫星信号强度的时间平均;S4指数的大小反映了电离层闪烁强度的变化。

图1　卫星导航信号电离层幅度闪烁现象

图1示出了2013年4月9日海口市GPS闪烁监测仪观测到的GPS 19号卫星信号幅度闪烁现象。从图中可以看出电离层闪烁导致的卫星信号强度瞬时衰落高达20 dB,此时电离层幅度闪烁指数(未进行噪声修正)达到甚至超过1.0,属于强闪烁事件。

联系人： 张红波 E-mail: ssrs_nklee@163.com

1.2电离层闪烁可使导航定位精度下降

电离层闪烁效应通过两种途径降低卫星导航接收机导航定位精度:

1) 使卫星信号的载噪比变差。卫星导航接收机的测距误差与卫星信号的载噪比相关,载噪比下降,会增加卫星导航接收机的伪距测量误差,降低卫星导航接收机定位精度。

2) 相位闪烁会引入随机相位误差。从式(2)可以看出,随着幅度闪烁指数S4的增大,将降低卫星导航接收机的信噪比,从而增加热噪声跟踪误差[3],导致基于载波相位的定位精度下降。

(2)

式中: σΦT为卫星导航接收机热噪声跟踪误差; Bn为卫星导航接收机带宽; c/n0为信噪比(SNR).

严重的电离层闪烁会使卫星导航接收机不能跟踪锁定导航信号,造成接收机失锁,引起载波测量的“整周跳变”,从而增加高精度载波相位定位解算的困难与误差。

1.3电离层闪烁可使用户导航定位中断

电离层闪烁作为锁相环的破坏者,其幅度闪烁会造成信号衰落,当信号电平衰落到接收机锁定门限之下时,码跟踪环将失锁;例如当图1所示中的信噪比低于30 dB/Hz时,卫星导航接收机会出现失锁。相位闪烁造成信号频率起伏,当频率起伏大于接收机锁相环带宽时,也会造成锁相环失锁。当闪烁继续增强而且闪烁影响的空间范围很大时,致使卫星导航接收机锁定卫星数目少于四颗,导致卫星导航接收机无法提供导航信息,称为中断。

1.4电离层闪烁威胁卫星导航系统完好性

卫星导航系统的完好性是指系统提供的导航信号使定位精度超标,不满足导航要求时由系统向用户提供及时告警的能力。由于电离层闪烁可能造成卫星导航系统测量的精度下降,甚至中断;此时,导航接收机可能给出错误的位置信息,如果航空用户或者依据错误信息进行精密进近着舰或着陆等操作,会导致灾难的发生,即用户接收机可能将危险误导信息发送给航空等生命安全领域的用户,严重影响卫星导航系统在生命安全等领域的应用。因此,电离层成为卫星导航系统完好性的重要威胁之一。美国在《卫星导航与空间天气》一文中,将电离层闪烁作为GPS系统的主要威胁之一[4-5]。

2卫星导航电离层闪烁环境保障方法

2.1提升卫星导航接收机抗电离层闪烁能力

为减缓电离层闪烁对卫星导航接收机及其导航定位算法软件的影响,提升卫星导航接收机抗电离层闪烁能力。首先从硬件上提升卫星导航接收机抗电离层闪烁能力。调研GNSS舰船应用需求,尤其是生命安全和高精度应用领域;研究并理解卫星信号电离层闪烁效应,包括闪烁信号衰落深度、衰落周期、衰落频率、信号相关性等;研发能够预报信号传播效应和电离层闪烁对跟踪环路影响的模型,包括动态带宽、跟踪环路误差、失锁率、周跳发生率等;设计并实现抗电离层闪烁的跟踪环路技术或者跟踪重捕策略,以显著降低闪烁环境中的接收机失锁概率。

其次从导航定位算法软件上提升卫星导航接收机抗电离层闪烁能力。识别和描述GNSS导航定位算法应用/服务对电离层闪烁的易损性;建立量化指标并表征电离层闪烁对RTK、DGPS和PPP等GNSS高精度定位技术的影响;开发电离层闪烁气候学模型或现报模型以辅助建立电离层闪烁环境下的导航定位误差协方差模型,并应用到导航定位解算算法中,以提高定位性能。

2.2研制基于国家PNT体系结构的集成导航定位装备

卫星导航系统固有的弱点与脆弱性影响着或制约着PNT能力的可用性和鲁棒性,其尚未完全满足以下几个方面PNT能力需求[6]:

1) 在电磁干扰环境下的PNT能力:包括在欺骗干扰、人为干扰和自然干扰(电离层闪烁等)下的PNT能力。

2) 在物理遮蔽环境下的PNT能力:包括水下、地下等环境下的PNT能力。

3) 当PNT性能降低或者错误时,及时的信息通知能力:特别针对生命安全应用或者避免间接损害。在一些情况下,告警时间甚至要少于1 s.

4) 具有完好性的高精度能力等。

针对现有PNT系统在满足用户需求方面存在的能力空缺,美国通过建立《国家定位导航授时体系结构》来解决,以继续维护美国在全球PNT领域占据主导地位的愿景。为此,美国详细制定了《国家PNT体系结构实施计划》,以推进PNT行业朝着未来目标PNT体系结构方向发展。面向2025年左右的美国国家PNT体系结构,作为未来PNT能力以及相关支持设施的发展框架,其将集多种导航手段与资源,形成完备的PNT体系,从而为空间、空中、地面、地下等用户提供更好的可用性和鲁棒性。

因此,基于我国国家PNT体系结构,研制集成无线电导航、自主导航、机会信号导航等多种导航手段的集成用户装备,可为航空、舰船、水下等用户提供更强可用性、鲁棒性的PNT服务。

2.3建立电离层闪烁预报预警保障机制

应对电离层闪烁对卫星导航定位的影响,应坚持“预防为主”的原则,重视和做好电离层闪烁的监测、现报、预报和预警工作,及时采取规避措施,防患于未然。美国利用丰富天基(气象卫星、CNOFS、空间态势感知环境监测星座等)和地基(SCINDA等)电离层环境监测手段,融合领先的电离层环境预报模式,构建了完整的电离层天气预报预警系统。该系统能针对不同层次用户发布影响卫星通信、卫星导航、雷达等系统的电离层环境参数,从而可为军用和民用卫星导航系统提供应对电离层闪烁的预报预警信息。

我们正在发展电离层闪烁的监测、现报、预报和预警系统,依托该系统发布的电离层闪烁预报预警信息,采取科学合理规避措施,将有助于降低电离层闪烁对低纬海域内卫星导航定位应用的危害。

图2　中国低纬地区GNSS电离层闪烁发生　概率预报结果

图2示出了中国电波传播研究所研发的中国低纬地区电离层闪烁发生概率预报气候学模型(CMSOP,与美国WBMOD模型功能相同)给出的预报结果。CMSOP结合锁相环模型可用于分析GNSS信号失锁概率及失锁卫星数,可用于电离层闪烁对GNSS可用性影响分析[7],为确保系统完好性提供辅助决策支持。此外,卫星导航电离层闪烁区域现报预报能力可为高价值用户提供及时告警服务,从而减缓电离层闪烁不利影响。

3结束语

电离层闪烁会导致卫星导航接收机的导航定位误差增大,严重时会使其导航定位中断。电离层闪烁严重影响了卫星导航系统正常应用和多种高端应用(生命安全服务、高精度大地测量等)。鉴于定位导航授时能力的重要性,可从提升卫星导航接收机抗电离层闪烁能力、研制基于国家PNT体系结构的集成导航定位装备、建立电离层闪烁预报预警保障机制三个方面有效减缓电离层闪烁影响,确保导航定位能力。

参考文献

[1]AARONS J. Global morphology of ionospheric scintillations [C]//Proc. of the IEEE, 1982, 70 (4):360-374.

[2]GROVES K M, BASU S, WEBER E J,etel. Equatorial scintillation and systems support [J]. Radio Sci., 1997, 32(10):2047-2064.

[3]BÉNIGUEL Y. GISM technical manual[R]. IEEA, France, 2011.

[4]吴健. 太阳风暴对雷达及导航装备的影响与应对[M].北京:国防工业出版社,2012.

[5]FISHER G. Satellite navigation & space weather: Understanding the vulnerability &building resilience[R].American Meteorological Society, USA, 2011.

[6]张红波,张风国,甄卫民，等. 基于体系结构的定位导航授时系统鲁棒性设计研究[J].全球定位系统,2013, 38(1):12-14.

[7]CONKER R S, El-ARINI M B, HEGARTY C J,etal. Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS/Satellite-Based Augmentation System availability[J]. Radio Sci., 2003,38(1)，1001.doi: 10.1029/2000RS002604.

张红波(1979-),男,高级工程师,主要研究方向为电离层闪烁预报预警、卫星导航、卫星通信、雷达系统电离层闪烁减缓、体系结构等。

盛冬生(1986-),男,工程师,主要研究方向为卫星导航电离层闪烁现报预报与减缓。

Study on the Mitigation Methods of Ionospheric Scintillation of

Global Navigation Satellite System

ZHANG Hongbo,SHENG Dongsheng,ZHAO Zhenwei,LIU Yumei,SUN Shuji

(NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteof

RadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Abstract:Ionospheric scintillation can result in larger position errors of GNSS receivers. Its worst effect is to cause a loss of lock on the signal and results in GNSS service interruption. The ionospheric scintillation has practical importance in general applications of global navigation satellite system and a few high precision applications, including service of life safety and geodesy measurement. The mitigation methods of ionospheric scintillation were analyzed from three aspects: improving the scintillation resistant capability of GNSS receivers, manufacturing the integrated navigation and positioning equipment based on national PNT architecture and developing the forecasting and alarm system of ionospheric scintillation.

Key words:Ionosphere; ionospheric scintillation mitigation; forecasting and alarm; architecture; satellite navigation

作者简介

收稿日期：2015-01-27

中图分类号：TN966

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)06-0035-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.007