李 廣,劉 鈍

(中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0 引 言

電離層閃爍是影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能的重要因素之一。我國(guó)的北斗區(qū)域系統(tǒng)2012年底宣布開(kāi)始運(yùn)行。此時(shí),太陽(yáng)活動(dòng)將達(dá)到新的峰值活動(dòng)時(shí)期,電離層閃爍活動(dòng)隨太陽(yáng)活動(dòng)高年的到來(lái)而增強(qiáng)。我國(guó)南方低緯地區(qū)是電離層閃爍的高發(fā)區(qū)。因此,開(kāi)展電離層閃爍對(duì)北斗系統(tǒng)的影響研究具有重要意義。

閃爍對(duì)GNSS系統(tǒng)的影響包括對(duì)接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響,對(duì)接收機(jī)定位性能的影響,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體性能的影響[1-4]。電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)影響的根本在于閃爍對(duì)接收機(jī)的影響。閃爍引起的接收信號(hào)快速衰落或相位的抖動(dòng),都將影響接收機(jī)的跟蹤測(cè)量性能,閃爍嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起接收機(jī)的失鎖。開(kāi)展電離層閃爍對(duì)GNSS系統(tǒng)的影響研究首先應(yīng)開(kāi)展閃爍影響下的GNSS接收機(jī)定位性能研究。

為此,利用昆明地區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù),開(kāi)展了電離層閃爍對(duì)北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)定位性能的影響研究,比較分析了北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)在不同電離層閃爍影響程度下的定位性能。這是國(guó)際上第一次針對(duì)北斗系統(tǒng)開(kāi)展的研究。

電離層閃爍指數(shù)是反應(yīng)閃爍強(qiáng)度的參量,閃爍指數(shù)大意味著閃爍強(qiáng)烈。但從接收機(jī)定位角度而言,強(qiáng)烈的閃爍活動(dòng)并不一定對(duì)接收機(jī)定位性能造成最嚴(yán)重影響[6]。低仰角觀測(cè)情況下,即使較弱的閃爍影響也可以引起衛(wèi)星信號(hào)的失鎖、可用DOP值的增大,造成接收機(jī)定位性能的降低。從閃爍強(qiáng)度、閃爍影響的覆蓋區(qū)域、閃爍的持續(xù)時(shí)間等多個(gè)層面考慮對(duì)電離層閃爍影響進(jìn)行分級(jí),并與閃爍影響下的接收機(jī)定位性能進(jìn)行比較。

本文對(duì)上述工作進(jìn)行了介紹,分析結(jié)論可作為國(guó)內(nèi)北斗接收機(jī)生產(chǎn)廠商進(jìn)一步改進(jìn)的依據(jù),同時(shí)，也可以作為對(duì)電離層閃爍對(duì)GNSS系統(tǒng)影響進(jìn)行分級(jí)的參考依據(jù)。

1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 分析用數(shù)據(jù)

本文分析用數(shù)據(jù)說(shuō)明如下:

觀測(cè)地點(diǎn): 昆明；觀測(cè)時(shí)間: 2012年9月19日-29日;觀測(cè)數(shù)據(jù):a)電離層閃爍觀測(cè)數(shù)據(jù);b)GPS測(cè)量數(shù)據(jù);c)BD測(cè)量數(shù)據(jù);

其中,電離層閃爍觀測(cè)數(shù)據(jù)由中國(guó)電波傳播研究所研發(fā)的GPS電離層閃爍監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量獲得[5]。GPS測(cè)量數(shù)據(jù)采用IGS GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),BD測(cè)量數(shù)據(jù)為參考站用高精度BD接收機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

利用觀測(cè)數(shù)據(jù),分析不同閃爍強(qiáng)度下北斗接收機(jī)與GPS接收機(jī)的定位結(jié)果,比較分析電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)定位性能的影響。

1)利用電離層閃爍監(jiān)測(cè)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)分析電離層閃爍影響的時(shí)間段,并提取相應(yīng)時(shí)間段的北斗系統(tǒng)和GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2)對(duì)閃爍期間的北斗系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位處理,獲得閃爍影響下的接收機(jī)定位結(jié)果。

3)比較不同電離層閃爍強(qiáng)度下,北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)的定位性能。

分析中采用偽距定位方法,這是由于閃爍引起的頻繁周跳,使得利用載波定位較為困難,且不利于對(duì)接收機(jī)定位連續(xù)性能的比較。分析中采用GIM TEC圖進(jìn)行電離層誤差修正。對(duì)流層誤差采用模型進(jìn)行修正。

2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.1 閃爍事件選擇

利用電波觀測(cè)網(wǎng)閃爍觀測(cè)數(shù)據(jù),選擇閃爍發(fā)生的時(shí)間。圖1,圖2,圖3分別示出了2012年9月25日,23日、28日20:00-24:00(本地時(shí))期間昆明地區(qū)GPS可視衛(wèi)星軌跡。圖中,用不同深度表示衛(wèi)星受閃爍影響的強(qiáng)度,淺色表示閃爍指數(shù)S4<0.3,深色表示0.3 0.7[6-8]。從圖中可以看出,這三天均有閃爍發(fā)生,并且電離層閃爍影響的空域分布,以及影響的持續(xù)時(shí)間不盡相同。

圖1 電離層閃爍影響下的空間衛(wèi)星軌跡(2012年9月25日)

圖2 電離層閃爍影響下的空間衛(wèi)星軌跡(2012年9月23日)

圖3 電離層閃爍影響下的空間衛(wèi)星軌跡(2012年9月28日)

2.2 閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)定位性能的影響

分別對(duì)閃爍影響下的北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)定位結(jié)果進(jìn)行分析,并重點(diǎn)對(duì)閃爍影響期間(UT:12:00-16:00,LT:20:00-24:00)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1)2012年9月25日定位結(jié)果

圖4示出了2012年9月25日,北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)的定位結(jié)果?？梢钥闯?a)北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)均可以實(shí)現(xiàn)定位功能,且可以達(dá)到系統(tǒng)發(fā)布的性能要求;b)北斗接收機(jī)的定位結(jié)果存在個(gè)別的“毛刺”,表明該歷元受閃爍的影響,定位結(jié)果存在跳變。

2)2012年9月23日定位結(jié)果

圖5示出了2012年9月23日,北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)的定位結(jié)果,可以看出:a)北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)均可以維持定位功能;b)GPS接收機(jī)定位結(jié)果中出現(xiàn)多處“毛刺”,表明在該歷元定位結(jié)果受到閃爍的影響;c)北斗接收機(jī)定位結(jié)果誤差增大,且存在非常多的“毛刺”現(xiàn)象,表明在多個(gè)歷元受到閃爍的影響。

3)2012年9月28日定位結(jié)果

圖6示出了2012年9月28日,北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)的定位結(jié)果,可以看出:a)GPS接收機(jī)仍可以維持定位能力,但定位誤差增大,且在個(gè)別歷元出現(xiàn)跳變,表明GPS接收機(jī)受到的電離層閃爍影響進(jìn)一步增大;b)北斗接收機(jī)在閃爍發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)(UT:12:00-16:00)失去定位功能。作為比較,圖中給出了北斗接收機(jī)一天的定位結(jié)果。

圖4 電離層閃爍影響下的定位結(jié)果(2012年9月25日)(a)GPS接收機(jī);(b)北斗接收機(jī)

圖5 電離層閃爍影響下的定位結(jié)果(2012年9月23日)(a)GPS接收機(jī);(b)北斗接收機(jī)

2.3 電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)性能影響分析

不同強(qiáng)度電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)具有不同的影響,閃爍強(qiáng)度越高,對(duì)接收機(jī)性能影響越大。電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)定位性能的影響不僅與閃爍強(qiáng)度有關(guān),還與閃爍影響的空域和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。

1)不同強(qiáng)度電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)性能影響分析

通過(guò)對(duì)昆明站的數(shù)據(jù)分析表明:

a)2012年09月25日,電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)影響較弱,就閃爍自身而言表現(xiàn)為:閃爍指數(shù)較小(S4 < 0.3),多為弱閃爍或無(wú)閃爍影響;閃爍分布區(qū)域較小。此外,2012年09月19日的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與25日類(lèi)似。

b)2012年09月23日,電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)影響較強(qiáng),就閃爍自身而言表現(xiàn)為:存在較大閃爍指數(shù)(S4> 0.7),但發(fā)生的時(shí)間較為離散;閃爍分布區(qū)域較大。此外,2012年09月26日、27日的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與23日類(lèi)似。

c)2012年09月28日,電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)影響嚴(yán)重,就閃爍自身而言表現(xiàn)為:存在較大閃爍指數(shù)(S4> 0.7),且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);閃爍分布區(qū)域大。2012年09月29日的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與28日類(lèi)似。

圖6 電離層閃爍影響下的定位結(jié)果(2012年9月28日)a)GPS接收機(jī); b)北斗接收機(jī);

2)電離層閃爍對(duì)不同GNSS接收機(jī)性能影響分析

通過(guò)對(duì)不同電離層閃爍影響下北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)定位性能的比較,可以看出:

a)所采用的GPS參考站型接收機(jī)具有較好的抗電離層閃爍影響能力,可以在多顆衛(wèi)星信號(hào)受到較強(qiáng)電離層閃爍影響下,仍可以維持定位能力。

b)所采用的北斗參考站接收機(jī)在弱閃爍情況下可以實(shí)現(xiàn)定位,且定位性能優(yōu)于GPS.但在多顆北斗衛(wèi)星信號(hào)受到較強(qiáng)電離層閃爍影響下,定位誤差增強(qiáng),且強(qiáng)閃爍持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),接收機(jī)失去定位功能。這表明該類(lèi)型北斗接收機(jī)應(yīng)對(duì)電離層閃爍的能力較弱。

3 結(jié)束語(yǔ)

電離層閃爍會(huì)影響GNSS(北斗系統(tǒng)、GPS)接收機(jī)的定位性能。電離層閃爍對(duì)接收機(jī)定位性能影響的判斷應(yīng)考慮閃爍強(qiáng)度、閃爍持續(xù)的時(shí)間、閃爍發(fā)生的空間分布等因素。其中,閃爍強(qiáng)度表明閃爍對(duì)衛(wèi)星信號(hào)跟蹤和測(cè)量的影響;閃爍分布的空域決定了影響的可用衛(wèi)星數(shù);閃爍影響持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),多顆衛(wèi)星同時(shí)受影響、同時(shí)失鎖的可能性增大,引起定位性能的嚴(yán)重下降。

不同強(qiáng)度的閃爍對(duì)GNSS定位結(jié)果均有影響,存在較強(qiáng)閃爍影響情況下,GNSS接收機(jī)定位誤差增大,且存在定位結(jié)果的跳變;存在強(qiáng)閃爍,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、影響空間較大時(shí),將嚴(yán)重影響接收機(jī)的定位性能,甚至使接收機(jī)失去定位功能。

不同接收機(jī)抗電離層閃爍的能力不同。對(duì)于北斗系統(tǒng)接收機(jī)(尤其是參考站用接收機(jī))而言,應(yīng)考慮進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)電離層閃爍影響的應(yīng)對(duì)能力。

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