我国中纬地区卫星信号失锁现象初步研究

赵伟华 张清和 王成 王勇 邢赞扬

（1. 山东大学空间科学研究院 山东省光学天文与日地空间环境重点实验室, 威海 264209；2. 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室, 北京 100094）

引 言

卫星信号失锁是地基或空基卫星信号接收机在一个连续的信号接收过程中暂时中断获取卫星信号的现象(以下简称信号失锁)，前人针对这一现象开展过一系列研究. 例如C. Xiong 等利用Swarm 卫星信标接收的GPS 信号数据统计研究了GPS 卫星信号失锁，得到信号失锁在地理经纬度、地磁经纬度、卫星高度、磁地方时、季节等方面分布特征，发现信号失锁在低纬(赤道喷泉区附近)和高纬地区发生率高于中纬地区，在高度上低轨的Swarm 卫星(轨道高度470 km)接收到的信号失锁率高于高轨Swarm 卫星(高度520 km)[1-2]. P. M. Kintner 等就闪烁和信号失锁做过相关综述，指出卫星信号穿过电离层时信号的幅度或相位出现扰动，称之为闪烁，这一扰动将会降低信号质量，足够强烈的信号扰动则会导致信号失锁[3]. Y. q. Jin 等针对2015-03-17T12:30—14:00(世界时，下文同)磁暴期间高纬发生的信号失锁分析了信号失锁与磁暴、太阳风等太空物理条件的关系[4].

前人研究重点关注高纬极区和低纬赤道附近地区的信号失锁现象[5-17]，对中纬地区信号失锁的关注甚少. 目前，关于中纬地区信号失锁是否发生、发生频率、发生特点、导致原因等尚不清楚. 同时，中纬地区是我国国土所在的主要区域之一. 因此，研究中纬地区的信号失锁不仅对于深化电离层认知有重要的科学意义，而且还具有重要的应用价值. 信号失锁研究可以基于天基观测和地基观测两类数据，即低轨卫星携带的接收机接收高轨卫星的信号和地面接收机接收卫星信号. 根据前人的研究，在低轨卫星(如Swarm 卫星) 接收高轨卫星(如GPS 卫星) 信号的过程中信号失锁发生较多，即空基接收机观测到的信号失锁较多，尤其在高纬和低纬地区，信号失锁发生概率最高可达5%以上，空基探测中纬地区信号失锁发生概率较低[1-2]；而目前依然较为缺乏地基接收机对信号失锁的观测研究，特别是中纬地区地基接收机对信号失锁的观测和研究甚少.

低轨卫星用信标接收机接收高轨卫星信号的同时，还能够使用自身携带的探针进行原位等离子体密度观测，所以低轨卫星更容易开展失锁原因分析研究.

山东大学空间科学研究院放在威海地区台站的设备非常适合开展中纬地区信号失锁研究. 本次研究的数据主要来自威海槎山站，作为辅助说明也用了少部分玛珈山台站的数据.

基于山东大学空间科学研究院布设在我国威海槎山站(122.296°E，36.866°N) 的地面GNSS 电离层电子总含量(total electron content, TEC)和闪烁接收机的观测数据，对威海地区(我国中纬地区)地面接收机观测的信号失锁现象开展研究. 结合多年的观测数据，给出了中纬地区信号失锁的判定标准，依据此标准展示典型的信号失锁事件并开展详细验证，并结合Madrigal TEC初步探索产生信号失锁的可能原因.

1 数据来源及信号失锁判定标准

1.1 数据来源

本文采用山东大学空间科学研究院在威海槎山站布设的GNSS 电离层TEC 与闪烁接收机2018—2019 年的观测数据. 该接收机是由Septentrio 生产的PolaRx5S，可以同时获取不同卫星星座(如：GPS、北斗等)多颗卫星的多波段信息，其幅度、相位等原始数据的采样频率为100 Hz. 原始数据经过接收机处理后输出时间分辨率为1 min 的二级数据，包含TEC、幅度闪烁指数、相位闪烁指数、信噪比等参量. 此外，还使用了美国麻省理工学院Millstone Haystack观象台Madrigal 网站(www.openmadrigal.org)提供的5 min 时间分辨率的全球GPS TEC 地图.

1.2 信号失锁判定标准

地面接收机追踪卫星信号过程中可能会出现信号中断现象，然而导致这些信号中断的原因多种多样，其中有电离层空间环境变化，也有诸如接收机故障、建筑物阻挡、接收机解算数据出错等非空间环境状况的干扰因素[3]. 为了准确判定信号失锁现象，找到真正与空间环境状况相关的信号失锁，需制定严格的信号失锁判定标准.

为了排除其他干扰因素导致的数据接收中断，结合前期针对观测数据的综合研判，针对一颗位于视野范围内的高轨卫星播发的一段连续信号，接收机捕获的信号失锁事件需同时满足以下条件：

①原始数据、二级数据(如信噪比等)均出现持续时间大于等于1 min，且小于30 min 的中断；

② 临近信号中断时卫星仰角不低于30°；

③ 中断信号时间范围的起终点分别距离该次数据接收过程的起终点10 min 以上；

④ 该卫星信号中断时接收机仍能正常接收到其他卫星信号.

因为此次工作所处理的二级数据时间分辨率为1 min，同时此次工作的重点之一是确认中纬地区是否有信号失锁发生，暂时不将中断小于1 min 的信号失锁纳入此次研究中. 这主要是因为对接收机原始数据的处理工作量较大. 文中更严格的判定标准并不会影响事件分析结果.

考虑到中纬地区电离层状态不会长时间处于剧烈变化之中这一实际情况，认为中纬地区信号失锁通常并不会持续太长时间. 因此，将该时间阈值设定为30 min，而并不将更长时间数据接收中断判定为信号失锁. 另一方面，在非断电等情况下发生数据接收中断时，接收机会一直自动尝试接收数据.

图1 展示了威海槎山站地面接收机在2018-10-23T14:35:00—16:35:00 接收到的部分卫星穿刺点(距离地面350 km 高度)的地理位置信息. GEO PRN122 卫星是星基增强卫星，与北斗、GPS 卫星类似，有固定的轨道，是地球同步卫星. 如图1 所示，在GEO PRN122 卫星发生失锁时，地面接收机依然正常跟踪其他卫星. 下面我们将以此信号失锁为例，详细分析一个典型信号失锁事件.

图1 2018-10-23T14:35:00—16:35:00 威海槎山站观测到的卫星穿刺点Fig. 1 Satellite puncture points observed at Cha Shan Station in Weihai during 2018-10-23T14:35:00—16:35:00

2 信号失锁的典型事件及表现特点

2.1 信号失锁的典型事件

图2 是2018-10-23T14:35:00 —16:35:00 GEO PRN122 卫星的信噪比(a)、载波相位(b)、幅度系数(c)的时间序列图，其中信噪比来自二级数据，载波相位和幅度系数来自原始数据. 图中两个红色虚线框的 时 间 范 围 分 别 为 14:54:00 —14:56:00和15:17:00—15:25:00. 从图2 可以看出，在这两段时间内，信噪比、载波相位和幅度系数同时发生中断，然后又同时恢复，而其他时刻数据均连续接收. 第一次信号失锁(前一红色虚线框表示)已在图1 中展示.这一信号中断现象就是我们关注的信号失锁事件，后面我们会详细说明. 图2 中二级数据和原始数据同时中断、同时恢复的表现排除了二级数据中断是由原始数据解算失败造成这一干扰因素. 从图2还可以看出，在两次信号中断前2 min 左右，卫星信噪比数据出现了下降. 我们认为这种短时间内的信噪比下降也与信号失锁相关.

图2 2018-10-23T14:35:00—16:35:00 GEO PRN122 卫星的数据时间序列Fig. 2 Time series of GEO PRN122 satellite index data during 2018-10-23T14:35:00—16:35:00

如图2 可见，在关注的时间段内，载波相位处于108数量级，数值很大，所以扰动在这里很难显现出来. 载波相位的周跳可以看到，但在几乎所有的闪烁事件中，都很少看到载波相位在108数量级发生肉眼能够明显辨认的扰动. 从图2(c)可见，幅度系数在此期间处于100～150，数值本身扰动就非常大，所以从图2(b)、(c)已经体现了数据大幅度震荡.

图3 是2018-10-23T14:35:00 —16:35:00 GEO PRN122 卫星的4 类二级数据的时间序列图，包括方位角(a)、仰角(b)、幅度闪烁指数(c)和相位闪烁指数(d). 在图3 中，这4 类二级数据在14:54:00—14:56:00 和15:17:00—15:25:00 均出现了中断现象(两个红色虚线框表示)，各类数据的两次中断持续时间一致，分别为2 min 和8 min. 这两次数据中断的时间范围均与图2 红色虚线框所示中断一致.

图3 2018-10-23T14:35:00—16:35:00 GEO PRN122 卫星的4 类二级数据时间序列Fig. 3 Time series of four types of GEO PRN122 satellite secondary data during 2018-10-23T14:35:00—16:35:00

从图3(a)、(b)可以看出，GEO PRN122 卫星的方位角、仰角固定，且仰角大于30°，符合信号失锁判定标准②. 从图3 还可以看出，这4 栏二级数据两个中断时段的起止时刻分别距离这段连续观测的首尾时刻(在图中时间轴范围之外，所以未显示)均超过10 min，即每一次中断起点之前有10 min以上的连续接收过程，每一次中断终点之后也有10 min 以上的连续接收过程，这符合信号失锁判定标准③.

我们进一步检查了该事件的其他二级数据，发现在这两个时间段，该卫星的其他二级数据也全部丢失，且数据丢失的起点、终点及持续时间均相同.从图3 还可以看到，在数据断开前后，幅度闪烁指数(c)和相位闪烁指数(d)在持续的平稳值之后发生了一些扰动.

需要说明的是，在关注的时间段内(2018-10-23 前 后)，GEO PRN122 卫 星 的3 个 波 段 信 号 只 有L1 一个波段的数据可以接收到，导致需要双频信号解算的TEC 为“NAN”. 而在2018-07 等时期，该卫星3 个波段中的L1、L2 两个波段数据可以被接收到，进而可以正常解算TEC 值. 这里我们尝试利用与该卫星穿刺点距离较近的北斗PRN141 卫星的TEC 数据开展辅助分析，对此后文有说明.

结合图2 及图3，我们发现在信号中断期间(红色虚线框)GEO PRN122 卫星的原始数据与二级数据均丢失. 这一表现满足信号失锁的判定标准①、②及③. 为了进一步确认信号失锁，我们将继续检查信号失锁判定标准④，用以排除在此时间段内接收机故障等对失锁判定的干扰.

本文中GEO PRN122 卫星在2018-10-23 出现的上述两次数据中断需要排除接收机断电干扰. 当接收机断电时，接收机视野范围内所有卫星数据在此期间都会中断. 图4 是2018-10-23T14:35:00—16:35:00接收机视野内其他4 颗卫星的信噪比时间序列图，依 次 是 GPS PRN16(a)、 GPS PRN31(b)、 BDS PRN141(c)和BDS PRN146(d). 这些卫星均出现在图1所示的接收机视野内. 图中两个红色虚线框标明GEO PRN122 卫星出现信号中断的时间范围. 由图4可知，在GEO PRN122 卫星发生信号中断的同时，这4 颗卫星的状态跟踪依然是连续的，并未出现中断情况，说明接收机在此期间正常工作. 因此，我们认为GEO PRN122 卫星出现的数据中断不是因为接收机断电等故障导致的. 这里仅以这4 颗卫星的信噪比为例，还有10 多颗卫星的连续跟踪并未列出.

图4 2018-10-23T14:35:00—16:35:00 接收机视野范围内的4 颗卫星信噪比数据时间序列Fig. 4 Time series of SNR data of four satellites in the field of view of the receiver during 2018-10-23T14:35:00—16:35:00

在接收卫星信号过程中，多径效应等也会导致接收信号中断. 例如固定周期卫星每次运行到某一位置时都可能被同一个建筑物干扰信号，信号失锁判定时需要排除这类周期性多径效应的不利影响.图5 是GEO PRN122 卫星在2018-10-23T16:35:00—24T16:35:00 的信噪比数据时间序列图，即图2～4 所示时段后24 h 内情况. 如图所示，在这24 h 之内，GEO PRN122 卫星的信噪比数据处于连续接收状态，没有中断. 由此可以基本排除上述两次信号中断是周期性多径效应导致的. 这里的GEO PRN122是地球同步轨道卫星，而在讨论其他星座卫星(如GPS 等圆轨道卫星)时需结合其轨道周期来综合判断多径效应.

图5 2018-10-23T16:35:00—24T16:35:00 GEO PRN122 卫星的信噪比数据时间序列Fig. 5 GEO PRN122 Satellite signal-to-noise ratio data time series during 2018-10-23T16:35:00—24T16:35:00

2.2 信号失锁的表现特点

基于制定的信号失锁判定标准我们已给出典型事例(GEO PRN122 卫星在2018-10-23T14:54:00 和15:17:00 的两次信号失锁)，下面进一步展示更多的信号失锁事例，并总结其表现特点.

图6 为 2019-05-03T02:24:00 —06:42:00 GEO PRN140 卫星的观测数据时间序列图，依次为信噪比(a)、载波相位(b)和幅度系数(c). 图中6 个红色虚线框分别标出6 次信号失锁的时间范围，其表明二级数据信噪比与原始数据载波相位和幅度系数的中断及恢复时间具有一致性. 这6 次信号失锁的持续时间不同，从2 min 到16 min 不等. 这里需要说明的是，相比二级数据，原始数据出现了更多的中断情况，这可能与原始数据的时间分辨率远高于二级数据有关.

从图6(a)还可以看到，在这6 次信号失锁发生期间即4:00:00—5:50:00，信噪比数值相对于3:00:00之前和6:30:00 之后发生了明显的降低，降低数值达到10 dB-Hz 以上，且在第3、4、5、6 次信号失锁事件中，失锁前1～2 min 出现明显的信噪比下降. 我们进一步检查了该卫星前后一天的数据，发现其信噪比数值在前一天同一时间段内没有出现大幅度下降，也没有出现信号失锁；而在后一天同一时间段内信噪比出现了类似的大幅度下降，且伴随有信号失锁发生. 这说明一定程度的信噪比下降与信号失锁之间可能存在相关性.

图6 2019-05-03T02:24:00—06:42:00 GEO PRN140 卫星的数据时间序列Fig. 6 GEO PRN140 Satellite signal-to-noise ratio data time series during 2019-05-03T02:24:00—06:42:00

由于每一个二级数据是从上一分钟的频率为100 Hz 的6 000 个原始数据接收之后由接收机取平均值解算出来的，所以信噪比等二级数据的中断会略滞后于原始数据(如图2 和图6 所示)，并且原始数据有中断的地方二级数据未必出现中断(如图6所示).

信号失锁会出现在GPS 卫星、BDS 卫星和其他不同的卫星星座上. 图7 为BDS PRN153 卫星在2019-07-28T7:48:00 发生的持续16 min 的信号失锁，红色虚线框为信号失锁的时间范围.

图7 2019-07-28T07:00：00—09:00:00 BDS PRN153 的数据时间序列Fig. 7 Time series of BeiDou PRN153 satellite data during 2019-07-28T07:00：00—09:00:00

依据制定的信号失锁判定标准，我们统计分析了2018—2019 年的信号失锁事件，得到初步统计特征，发现：即使在太阳活动低年，我国中纬地区依然会出现明显的信号失锁；信号失锁持续时间从1 min 到10 min 多不等，且小于10 min 的事件数占比较大；较多失锁事件发生前后，失锁卫星的相位闪烁指数或幅度闪烁指数会突然扰动，且常伴随信噪比下降等现象；另外，在一段时间内可能发生多次的信号失锁事件.

本次统计研究采用的数据样本有限且方法简单.下一步，我们将基于大样本量数据继续对中纬地区的信号失锁事件开展深入的统计研究.

3 中纬地区信号失锁原由初探

根据电波传播理论，电波传播过程中出现信号扰动等与空间环境的变化密切相关，例如电离层电子密度不均匀体的影响等. 考虑星地链路的传播路径，前人研究发现信号失锁与其路径中的电离层电子密度扰动密切相关，例如C. Xiong 对天基接收机接收卫星信号的相关研究发现信号失锁与TEC 降低具有较强相关性.

基于上述考虑并借鉴前人研究经验，我们对典型信号失锁事件的电离层电子密度变化(主要用TEC 来表征)进行分析，初步探索信号失锁的可能形成原因.

图8 是利用Madrigal TEC 数据绘制的2018-10-23T14:57:30 威海及周边地区的TEC 地图. Madrigal TEC 数据的时间分辨率为5 min，空间分辨率为1°E×1°N. 因Madrigal TEC 数 据 点 稀 疏，这 里 采 用4°×4°网格进行平滑处理，白色方格为无数据地区.

图8 2018-10-23T14:57:30 威海及周边区域的TEC 地图Fig. 8 TEC map of Weihai and surrounding area at 2018-10-23T14:57:30

从图8 可见：威海及周边区域TEC 平均值约为4 TECU；最 高 值 约 为5.5 TECU，位 于120°E 附 近(30°～38°N)；最 低 值 约 为2 TECU，位 于(124°E，34°N)附近. TEC 数值整体较低，是因为此刻威海地区正处于夜晚(北京时间22:57:30)，光致电离过程基本消失. 尽管在图示区域中TEC 数值不大，但依然存在较大的TEC 空间梯度，其中TEC 数值最低的位置与发生信号失锁的GEO PRN122 卫星穿刺点位置相重合. 这说明TEC 降低(或电离层电子密度下降)可能与中纬地区信号失锁相关. 这也与C. Xiong 等人的结论较为一致.

这里需要指出的是，北斗PRN141 卫星与GEO PRN122 卫星均为地球同步轨道卫星，且它们的穿刺点相距约50 km. 当GEO PRN122 卫星发生信号失锁时，北斗PRN141 卫星并未出现明显的信号失锁现象，而在GEO PRN122 卫星发生两次信号中断前1～5 min，BDS PRN141 卫星TEC 出现了一定程度的下降，相位TEC 下降超过0.1 TECU. 这说明与GEO PRN122 卫星信号失锁相关的电离层电子密度下降并未对BDS PRN141 卫星产生足够干扰，也进一步说明了引起这一信号失锁事件的不均匀体的尺度可能较小. 这就要求我们采用更多探测设备提供的更高空间及时间分辨率的观测来进一步探索信号失锁的可能形成原因. 但目前威海地区其他种类观测数据缺乏，我们这里只能开展初步分析.

4 结 论

利用我国威海槎山站地面GNSS 电离层TEC 与闪烁接收机的观测数据，报道了我国中纬地区卫星信号失锁现象. 依据制定的地面接收机观测的卫星信号失锁判定标准，我们展示并验证了一个典型的信号失锁事件；然后，进一步给出多个信号失锁事件，并初步统计分析了我国中纬地区信号失锁特征；最后，尝试分析中纬地区信号失锁的产生原因. 现将本文工作归纳如下：

1)卫星信号失锁事件判定标准：地面接收机正常工作的情况下，针对某颗卫星的一个连续信号接收过程，其原始数据和二级数据均出现持续时间大于等于1 min 小于30 min 的数据缺失，且排除接收机的停开机及接收卫星的多径效应干扰.

2)在太阳活动低年(2018—2019 年)，我国威海站(位于中纬地区)检测到大量的卫星信号失锁事件.

3)信号失锁持续时间一般为1 min 到10 min 多，其中10 min 以下事件较多；信号失锁前信噪比往往下降，但幅度闪烁指数和相位闪烁指数则出现明显增长.

4)电离层电子密度(或TEC)降低可能会导致信号失锁.

由于威海地区的电离层探测设备较少，无法深入探究信号失锁的形成原因，依然缺乏针对我国中纬地区信号失锁的详尽统计研究，这些问题仍需继续研究.