电离层扰动对局域增强系统的影响分析

龚羽霞,刘　钝

(中国电子科技集团公司第二十二研究所,山东 青岛 266107)

电离层扰动对局域增强系统的影响分析

龚羽霞,刘钝

(中国电子科技集团公司第二十二研究所,山东 青岛 266107)

摘要：卫星导航局域增强系统采用差分技术实现高精度定位能力。电离层扰动现象将对局域增强系统产生严重影响。电离层暴降低了电离层延迟空间相关性,进而影响差分定位的精度;电离层闪烁引起卫星信号质量和测量质量的降低,同时伴随闪烁产生的电离层电子密度不均匀体也会降低电离层延迟的空间相关性,影响差分定位精度。电离层扰动对局域增强系统的影响应通过接收机设计、增强系统设计、完好性实现方法等多方面的改进加以应对。

关键词：电离层；相关性；增强系统设计；电离层闪烁

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.015

中图分类号：P28.4

文献标志码：： A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0067-06

收稿日期：2015-02-10

作者简介

Abstract:Differenctial correction method is adopted in GNSS Local Area Augmentation System (LAAS) to improve accuracy. Various ionospheric disturbances with different phenomenon could seriously degrade the performance of LAAS. For ionospheric storm, the degradation will be caused by the loss of ionospheric delay spatial correlation produced by large delay gradients. For ionospheric scintillation, the effects will be results of two different mechanisms, one is the degradation of signal quality and measurements quality caused by scintillation, the other is the loss of ionospheric delay spatial correlation caused by irregularities in electron density. Measures from various aspects such as receiver design, system development, and method of integrity realization should be taken to avoid the effects of ionospheric disturbance.

0引言

全球导航卫星系统(GNSS)可以实现全球范围内的连续高精度导航定位功能,精度远高于现有的任何航路导航系统,因此，被国际民航组织推荐为航空应用的主要导航手段。

GNSS的精度可以满足远程导航应用需求,但还不能够满足飞机在机场进近、降落、起飞各阶段精密导航手段的要求,必须建立不同的GNSS增强系统,保证飞机在飞行的任何阶段都能够得到满足要求的精确导航定位和完好性、连续性服务性能,安全进行飞行活动。局域增强系统(LAAS)即是为满足精密进近应用需求而建立的局域性GNSS增强系统[1]。

电离层延迟的空间相关性是影响GNSS差分定位技术的主要环境因素。平静电离层环境情况下,电离层延迟在几百公里甚至上千公里的范围内具有良好的空间相关性。因此,LAAS系统中采用差分定位技术以消除平静电离层误差影响。但在电离层扰动期间,电离层延迟的空间相关性被破坏,GNSS差分定位技术的精度受到影响。同时,小尺度扰动(电离层闪烁)引起的GNSS信号质量、数据测量质量降低,更是影响LAAS系统性能的重要因素。因此,必须对电离层扰动情况下的LAAS影响进行分析。

国内外对广域增强系统(WAAS)的电离层影响已有较为系统的论述[2],对于LAAS系统实现中的电离层影响主要侧重于对电离层暴的影响分析[3-4],对电离层闪烁的影响分析较少。本文针对LAAS系统分析了影响系统性能的电离层环境要素,对电离层扰动环境的各种影响效应进行了分析,并进一步提出了相应的系统应对措施。

1影响LAAS的电离层扰动环境要素

LAAS系统覆盖区域较小,影响LAAS系统的电离层因素主要是各种电离层扰动影响,包括强电离层暴和电离层闪烁影响。

1) 电离层暴

源于太阳爆发的强磁暴使电离层环境发生扰动,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,称为电离层暴[5]。电离层暴在开始几小时,电子浓度和总电子含量都增加,随后这两个量相对于正常值减小,在随后几天中逐渐回到正常值。由于电离层延迟与总电子含量成正比,因此,急始强暴开始期间剧烈的电离层总电子含量变化不仅引起电离层延迟的剧烈变化,还会引起较大的电离层延迟梯度变化。电离层延迟梯度的存在将降低电离层延迟的空间相关性,对GNSS差分定

联系人： 龚羽霞 E-mail:gyx@22suo.com

位产生严重影响。

2) 电离层闪烁

电离层中存在的不均匀体结构会引起穿越其中的导航卫星信号强度和相位发生快速的随机起伏变化,这种现象称为电离层闪烁[4]。电离层闪烁使得接收到的GNSS信号幅度和相位产生快速衰落,影响GNSS接收机接收的信号质量和伪距测量精度,引起载波周跳产生,严重情况下甚至引起卫星的失锁。

电离层闪烁发生伴随电离层电子密度的变化,相应的,闪烁也会破坏电离层延迟在空间局域的相关性,进而影响LAAS差分定位能力。

需要说明的是,电离层闪烁对GNSS工作的整个L频段具有共同的影响,因此电离层闪烁影响不能通过双频测量技术加以消除。

2电离层扰动环境对LAAS的影响

2.1　电离层暴对LAAS影响

GNSS增强系统中采用差分技术实现对电离层误差的修正,电离层中存在的较大延迟梯度变化是影响差分技术实现性能的主要因素。因此,电离层暴对LAAS的影响源于暴引起的陡峭的电离层空间梯度变化,尤其是由急始的强暴开始期间,剧烈的电离层电子含量变化引起的延迟梯度变化。

电离层对LAAS的影响可通过图1看出,当到达飞机的GNSS信号穿越电离层暴引起的延迟梯度强变化区域(暴的锋面)时,由于到达LAAS地面站的GNSS信号尚未受到电离层暴的影响,因此,利用地面站获取的该颗GNSS卫星测距修正信息进行用户端(飞机)的伪距修正,将会引起误差。

图1　电离层暴对LAAS影响示意图

对于LAAS系统而言,一般认为电离层延迟的梯度变化为2～5 mm/km[3,4]。如图2所示，对2003年10月29日的电离层暴事件分析可知,从电离层异常峰值区域(广州)至电离层异常南坡坡底(上海)的大尺度范围内,普遍存在15 mm/km的电离层延迟梯度变化。单站单颗卫星测量的电离层延迟梯度变化分析中,发现暴期间电离层延迟梯度变化最大可达240 mm/km.文献[3]中更是检测到316 mm/km的电离层延迟梯度变化。因此,LAAS中以5 mm/km作为电离层延迟误差的限定条件将难以保证系统完好性的实现。

图2　暴期间的电离层延迟分布(2003年10月29日6:00 UT)

2.2　电离层闪烁对LAAS影响

1) 电离层闪烁对GNSS信号载噪比的影响

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,为信号载噪比的快速抖动、接收信号强度的下降,甚至卫星信号的中断[6]。如图3示出了闪烁期间,发生闪烁的卫星信号的典型变化。

图3　电离层闪烁引起的GPS卫星信号 载噪比变化(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载噪比下降,从典型的50 dB/Hz 下降到40 dB/Hz甚至更低,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。GNSS信号强度的这种变化将影响LAAS地面站数据处理中的信号质量检测。

2) 电离层闪烁对测量精度的影响

闪烁引起的GNSS信号载噪比降低,将影响监测站对伪距测量精度的降低,文献中[6]通过GPS闪烁期间的跟踪测量数据分析表明,受闪烁影响的各颗GPS卫星伪距测量精度均有下降,严重情况下出现对GPS信号的失锁,没有相应GPS卫星的伪距测量输出[6-7]。

3) 电离层闪烁对载波周跳检测的影响

LAAS系统利用载波相位测量对码伪距测量进行平滑,降低码伪距测量中的噪声。闪烁引起的载波周跳或中断会影响接收机对伪距测量进行平滑以降低测量噪声的能力。

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)[8]。

同时,由于闪烁发生期间,GNSS码伪距测量误差的增强,也增加了载波周跳检测的困难,文献[6]中给出了例子说明,典型的周跳检测程序中,用于周跳检测的门限为0.324 m,而实测的周跳检测序列在较长时间内超过了0.4 m,并且一直难以满足周跳检测程序重新进行初始化的要求,因此造成尽管接收机对GPS信号处于跟踪状态,但根据周跳检测程序则认为接收机处于失锁状态。

如果载波平滑码伪距过程由于受到闪烁引起的相位失锁而中断,或者利用受闪烁影响的载波相位测量进行平滑,码伪距测量将受本地多径和接收机热噪声的影响,测量误差增大3～10倍。

4) 电离层闪烁对电离层延迟修正的影响

闪烁发生期间,如果参考站接收的GNSS信号穿越闪烁影响区,而用户接收的GNSS信号没有穿越闪烁影响区,则电离层电子密度不均匀体将对差分技术产生影响。图4示出了电离层平静期间(2003年10月13日)与电离层闪烁发生期间(2003年10月14日)利用同一颗GPS卫星(PRN28)测量获得的电离层延迟。由于GPS星座的周期性,两段电离层延迟测量应具有一致性。但从图中可以看出,该颗卫星在升起和降落时,信号路径穿越了引起闪烁的电离层电子密度不均匀区,因此电离层延迟发生变化。这种电离层延迟变化的幅度达到1.5 m.这个误差是LAAS系统完好性实现中没有考虑的误差项,将直接影响差分定位的精度和完好性实现。

图4　PRN 28星测量的电离层延迟变化 (a) 2003年10月13日,(b) 2003年10月14日

5) 电离层闪烁对GNSS接收机定位的影响

电离层闪烁影响下,由于测量精度降低,用户定位精度也会降低。尤其是闪烁引起的可见卫星数的变化,将会严重影响定位的精度。图5示出的闪烁期间用户定位误差变化中,可以发现在12:00,12:30,及14:00等时间段内用户定位结果具有较大的偏差。用户位置发生较大偏差的时间段内,可用卫星数快速变化。

图5　伪距定位实现中,用户东北天坐标相对于 参考点的误差(2003年10月29日,QION站)

图6　GPS定位中可用的卫星数(2003年10月29日,QION站)

需要说明的是,上述定位结果是利用码伪距测量实现的。LAAS中,采用载波平滑后的码伪距进行定位。由前述可知,闪烁期间,频繁发生的GNSS接收机周跳,将会严重影响载频平滑码伪距过程的实现。同时,闪烁引起的周跳检测失效,也会影响载波平滑码伪距过程的实现。因此,尽管采用载波平滑码伪距的方法可以提高定位精度,但图中存在的定位异常现象仍存在,并且由于载波测量的不可用,采用载波平滑码伪距定位的结果中,定位异常值比单纯采用码伪距定位方法更多。

6) 电离层闪烁对LAAS覆盖区域的影响

赤道电离层闪烁影响覆盖的区域一般为几十至数百公里宽,持续时间可以达到数分钟至几十分钟[9-11]。位于闪烁影响区域中的用户,将会受到类似的闪烁影响。LAAS系统参考站的覆盖范围一般为几十公里,因此,参考站与用户(飞机)在闪烁期间将受到同样程度的闪烁影响。LAAS的这种性质,使得其难以像SBAS系统一样可通过参考站的冗余设计来减缓电离层闪烁对系统的影响。

3LAAS应对措施分析

3.1　电离层暴应对措施

LAAS系统中设计有应对电离层暴影响的措施,即通过设置电离层扰动误差门限实现系统的完好性。但系统设计标准中给出的电离层延迟梯度限定门限较小,影响了系统完好性实现。因此,应通过对电离层暴事件的分析,建立合理的电离层威胁模型,实现对电离层延迟梯度变化进行更为严格的限定,提高系统完好性。

未来GNSS系统将采用双频体制,利用GNSS系统双频测量可以有效消除电离层延迟误差影响。因此,电离层暴对于未来双频GNSS系统将不再是影响系统的主要因素。

3.2　电离层闪烁应对措施

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BD、GPS、GALILEO、GLONASS等)都将受到电离层闪烁影响。因此,多系统、多频段等方法都不能消除电离层闪烁的影响。此外,电离层闪烁的发生与变化是一种复杂的随机过程,难以通过相应的模型进行精确的修正。电离层闪烁的影响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。同时,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。

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[10-12]。此外,可考虑与外部系统(惯导系统INS)的组合,利用INS辅助GNSS接收机环路跟踪,提高环路跟踪能力。

2) LAAS系统设计、论证中的措施考虑

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LAAS的设计提供技术支撑,包括GNSS信号质量检测方法、数据质量控制方法、电离层延迟误差门限优化设计。

3) 建立有效的电离层闪烁监测与预警能力

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提供预警,使用户及时启动应急备份系统等。

4) 未来多GNSS系统下的兼容可用性增强措施

在电离层闪烁发生时,用户可用的定位卫星越多,用户在闪烁影响期间维持系统性能的可能性就越大。此外,更多的可用卫星也意味着用户可容忍距离测量中更大的噪声误差影响。因此,将更多的卫星尽可能地加入用户定位实现中是减缓闪烁影响的一条重要途径。为此,应实现多GNSS系统下的兼容性和互操作性,建立多GNSS系统下的LAAS系统实现。

4结束语

电离层是影响GNSS增强系统的重要因素,电离层扰动(电离层暴和电离层闪烁)对系统精度和完好性的影响尤其严重。

暴引起电离层延迟空间梯度变化,影响利用差分技术实现的LAAS系统精度和完好性实现。建立电离层威胁模型,实现对暴引起的电离层误差的有效限定,是提高LAAS系统完好性的重要方法。未来双频GNSS下的LAAS系统可以有效消除电离层暴的影响。

相比电离层暴引起的电离层延迟梯度变化影响不同,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,因此将引起伪距测量精度降低、载波周跳频繁发生、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。

电离层闪烁对GNSS系统使用的L频段信号均有影响,因此难以通过双频测量方法加以消除。进行接收机的改进,LAAS系统设计的完善,实现多GNSS系统下的兼容和互操作性,实现对LAAS系统电离层闪烁监测与预报服务是应对电离层闪烁影响的有效措施。

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龚羽霞(1973- )，女，工程师，主要从事计算机应用及科学技术、系统应用及设计。

刘钝(1973- )，男，高级工程师，主要研究方向为卫星导航应用技术，卫星导航系统环境影响效应评估及应对措施。

Analysis of Ionospheric Disturbance Effects on LAAS

GONG Yuxia,LIU Dun

(22ndResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyCroupCo.,Qingdao266107,China)

Key words: Ionosphere； correlation structure； system development； ionospheric scintillation