徐 彬,劉 鈍

(1.海軍頻譜管理辦公室,北京100846,2.中國電波傳播研究所,山東 青島266107)

0 概 述

衛(wèi)星信號穿越電離層時,電離層中存在的不均勻體結構會引起信號強度和相位的快速隨機起伏變化,這種現象稱為電離層閃爍。對于衛(wèi)星導航系統(tǒng)而言,電離層閃爍將引起地面接收機接收到的信號出現誤碼和信號畸變,影響信號的測量精度,閃爍強烈時會導致接收機跟蹤信號的失鎖,嚴重影響系統(tǒng)的導航、定位和授時功能。對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言,電離層閃爍可以引起通信鏈路的中斷,同時,由于通信網絡在很大程度上依賴衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現網絡內的時間同步,電離層閃爍對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的影響也將形成對通信系統(tǒng)的潛在影響。

電離層閃爍效應在低緯的赤道異常區(qū)最為強烈,我國南方區(qū)域正處于磁赤道異常區(qū)的北峰區(qū)域,是全球范圍內電離層閃爍出現最頻繁、影響最嚴重的地區(qū)之一。因此,開展電離層閃爍研究對我國衛(wèi)星導航、通信系統(tǒng)的建設都具有重要意義。重點對電離層閃爍對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的影響進行分析,并進一步強調電離層閃爍對我國低緯區(qū)域影響的嚴重性,最后提出我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設中建議采取的針對性減緩措施。

1 電離層閃爍對衛(wèi)星導航系統(tǒng)影響

與電離層造成的信號延遲、電離層暴引起的電離層電子含量梯度變化等影響效應不同,電離層閃爍的影響更為復雜。這種復雜性一方面表現在電離層閃爍造成衛(wèi)星信號的衰減,影響接收機接收信號的強度,因此將引起測量精度降低、空中可視衛(wèi)星數減少等一系列影響,并最終影響用戶定位精度;另一方面,造成閃爍的電離層不均勻體將引起電離層局域性的密度梯度變化,這種變化難以用電離層修正模型進行補償,造成用戶定位精度降低。下面將按接收機測量定位的實現流程,對電離層閃爍的各種影響方式進行分析。

1.1 電離層閃爍對接收信號強度的影響

電離層閃爍將引起穿越其中的無線電信號的快速起伏,表現在衛(wèi)星導航接收機接收的信號上,使信號載噪比快速抖動、信噪比下降,甚至衛(wèi)星信號的中斷。圖1給出了閃爍期間,衛(wèi)星信號的典型變化。

圖1 電離層閃爍引起的衛(wèi)星信號幅度的衰落及衛(wèi)星的仰角變化(?？?2003年10月14日)

從圖中可以看出,電離層閃爍使得接收的衛(wèi)星信號信噪比下降,從典型的信號強度50 dB/Hz下降到40 dB/Hz甚至更低,信號衰落幅度可達13～20 dB,嚴重情況下還可以發(fā)生衛(wèi)星信號跟蹤的中斷。尤其從PRN 8號衛(wèi)星的影響可以看出,電離層閃爍造成的信號中斷持續(xù)時間較長,達5分鐘左右;信號受閃爍影響期間,衛(wèi)星仰角較高,表明該衛(wèi)星信號受到強電離層閃爍影響。

1.2 電離層閃爍對測量精度的影響

GNSS接收機偽距測量精度與衛(wèi)星信號的載噪比密切相關,隨載噪比的降低和閃爍影響的增大,接收機環(huán)路跟蹤誤差增大。無電離層閃爍時,GNSS接收機接收的信號載噪比一般為45～50 dB/Hz,對于高精度測量接收機而言,碼偽距測量精度可優(yōu)于20 cm.強閃爍情況下,接收機接收的衛(wèi)星信號載噪比將下降到30～35 dB/Hz.由文獻[6]的仿真結果可知,此時接收機的偽距測量精度將降至米級。當信號的載噪比進一步降低時,接收機一般處于失鎖的臨界狀態(tài),其輸出的偽距具有很大的不確定性。閃爍期間實際測量數據的分析也表明,此時單頻用戶定位誤差可以達到幾百米甚至上千米的量級,定位結果已不可信[5]。

文獻[5]中閃爍期間的實測數據分析表明,存在電離層閃爍情況下,GPS接收機碼偽距的測量精度普遍較低,并且,強烈的電離層閃爍造成了衛(wèi)星信號中斷。

1.3 電離層閃爍對載波周跳的影響

電離層閃爍造成的GNSS接收機載噪比降低,同樣將影響接收機的載波測量。衛(wèi)星信號載噪比的降低將影響載波環(huán)路的測量精度。閃爍期間,載波周跳的發(fā)生次數也大幅增加。通過對2001年電離層閃爍期間我國南方區(qū)域GPS觀測數據的統(tǒng)計分析表明,發(fā)生電離層閃爍時,GPS接收機的周跳現象在一小時內最多可以達到230次左右,遠大于電離層平靜時的次數(一小時內最多不超過15次)[7]。

1.4 電離層閃爍對電離層延遲修正的影響

無電離層閃爍情況下,衛(wèi)星升起時,隨仰角變化,衛(wèi)星信號穿越電離層的距離變短,電離層延遲逐漸減小;衛(wèi)星降落時,電離層延遲變化趨勢正好相反。因此,在平靜電離層情況下,衛(wèi)星的傾斜電離層延遲應為一條光滑的曲線。

與電離層閃爍相關的電離層不均勻體可造成局域電離層電子密度增強,衛(wèi)星信號經過上述區(qū)域時,傾斜電離層延遲將不再遵循上述變化規(guī)律。增強的電子密度使得電離層傾斜延遲隨衛(wèi)星仰角的升高,沒有減小反而增大,這樣就使得電離層模型不能準確描述由于電離層不均勻體造成的電離層傾斜延遲變化,從而影響了硬件延遲估計精度,并進一步影響電離層網格模型的實現精度[5]。

1.5 電離層閃爍對DOP的影響

電離層閃爍可以造成衛(wèi)星跟蹤中斷,從而影響用戶定位中可用的衛(wèi)星數及衛(wèi)星的空間分布。尤其是對于較低仰角的衛(wèi)星,由于其載噪比較低,因此更容易受到電離層閃爍的影響。而上述衛(wèi)星跟蹤的中斷,往往引起較大的DOP突變[5],嚴重影響接收機的定位精度。

1.6 電離層閃爍對用戶定位性能的影響

電離層閃爍對衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位性能的上述影響之間是互相影響的,這些影響效應一起造成了用戶最終定位精度的降低。圖2給出了閃爍期間,單頻用戶的定位結果。可以看出,用戶的位置發(fā)生巨大的位置跳變。進一步的分析表明,電離層閃爍造成多顆的衛(wèi)星失鎖,引起用戶可用衛(wèi)星數的快速變化(圖3),在這些時間段內,用戶定位結果發(fā)生大的位置跳變。

圖3 QION站定位中可用的衛(wèi)星數

2 電離層閃爍對我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)影響的嚴重性

圖4給出了世界范圍內電離層閃爍影響區(qū)域的分布,淺黑色表示電離層閃爍高發(fā)區(qū)域,深黑色表示電離層閃爍不發(fā)生?？梢钥闯?我國低緯地區(qū)是世界范圍內的電離層閃爍高發(fā)區(qū)之一。

圖4 世界范圍內電離層閃爍發(fā)生頻率的分布

電離層閃爍嚴重影響我國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設與應用。圖5給出了我國2003年觀測的部分電離層閃爍結果[3],圖中給出的是一個星期(2003年10月6日-2003年10月12日),海口觀測到的電離層閃爍指數S4變化。可以看出,在一個星期內,有6天發(fā)生了電離層閃爍,并且多為強電離層閃爍。由于文中的部分結果及文獻[3]中的結果主要利用上述時間段及鄰近時間段的數據分析獲得,因此可知,上述時間范圍內,電離層閃爍嚴重影響了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能。

隨著2012年太陽活動高年的到來,電離層閃爍又將進入一個高發(fā)期。圖6利用電離層閃爍預報模型給出的2012年3月19日我國南方區(qū)域電離層閃爍影響區(qū)域分布的預測?？梢钥闯?我國南方較大區(qū)域將可能受到電離層閃爍的影響,其中,三亞、?？?、湛江、廣州、廈門等地受電離層閃爍影響的可能性最大。

3 我國應采用的針對措施

電離層閃爍將影響整個 L頻段,使用該頻段的衛(wèi)星導航系統(tǒng)(包括BeiDou、GPS、GALILEO、GLONASS等)都將受到電離層閃爍影響。因此,電離層閃爍研究對我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設具有重要意義。針對電離層閃爍影響,可采取的應對措施主要包括:

1)GNSS接收機的設計與改進

在GNSS接收機設計開發(fā)中,針對電離層閃爍的影響,從環(huán)路設計、信號跟蹤及重捕算法實現等方法,考慮對接收機進行改進。目前,歐洲的Septentrio公司正在和巴西(位于南美電離層閃爍高發(fā)區(qū))有關單位開展CIGALA項目的合作研究,其目的是尋求GNSS接收機中有效的電離層閃爍減緩方法,以滿足該區(qū)域GNSS用戶應用需求[8]。我國也應開展類似的工作。

2)GNSS系統(tǒng)設計與實現采取針對性措施

針對電離層閃爍的區(qū)域特性進行研究,對閃爍影響的范圍、程度等進行統(tǒng)計分析,為GNSS及其應用系統(tǒng)的設計提供技術支撐。如印度的GAGAN設計中,針對印度區(qū)域的電離層閃爍進行統(tǒng)計分析,并作為監(jiān)測站選址的依據[11];美國的WAAS設計中,針對閃爍影響的持續(xù)時間、間隔等進行統(tǒng)計分析,針對性地對WAAS的性能標準(WAAS MOPS)進行相應的改進[9],并將電離層閃爍監(jiān)測預警服務已納入WAAS的運控系統(tǒng)。

3)建立有效的電離層閃爍監(jiān)測與預警服務

減緩電離層閃爍影響的一個重要途徑是建立電離層閃爍監(jiān)測預警機制,并結合衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現,為系統(tǒng)運行及應用提供服務保障,如可通過預警信息的發(fā)布,為受閃爍影響的區(qū)域用戶(如通信、導航用戶)提供預警,使用戶及時啟動應急備份系統(tǒng)等。目前,美國軍方、NASA、FAA、ESA等都建有或正在建設相應的電離層閃爍監(jiān)測服務系統(tǒng)。

4 結 論

電離層閃爍是影響衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能的重要因素。電離層閃爍可以引起用戶接收機測量誤差增大,電離層延遲修正精度降低,用戶定位精度因子的增大,從而降低用戶的定位精度,閃爍影響嚴重時可以造成接收機跟蹤衛(wèi)星的失鎖,引起用戶定位結果發(fā)生巨大跳變,嚴重影響了用戶的定位性能。

我國南方區(qū)域處于電離層閃爍高發(fā)區(qū),電離層閃爍在影響的區(qū)域、時間、程度上都遠大于中緯地區(qū),這將嚴重影響衛(wèi)星導航系統(tǒng)在該區(qū)域內的定位精度、完好性、連續(xù)性等性能。因此電離層閃爍是我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設中應重點考慮的環(huán)境影響因素。

電離層閃爍造成的誤差難以通過相應的模型進行精確的修正,只能通過接收機設計、系統(tǒng)總體設計、定位方法算法改進等方面的設計改進,提高系統(tǒng)性能。建立電離層閃爍監(jiān)測預警服務是實現衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能保障的有效手段,也是對系統(tǒng)各種應用的重要服務功能之一。

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[6] 劉 鈍,甄衛(wèi)民,馮 健,等.電離層閃爍對衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能影響的仿真分析[J].全球定位系統(tǒng),2011,36(2):7-12.

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