張紅波,盛冬生,趙振維,劉玉梅,孫樹計

(中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)國防科技重點實驗室,青島 266107)

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衛(wèi)星導(dǎo)航電離層閃爍環(huán)境保障方法研究

張紅波,盛冬生,趙振維,劉玉梅,孫樹計

(中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)國防科技重點實驗室,青島 266107)

摘要：電離層閃爍會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的導(dǎo)航定位誤差增大,嚴重時會使其導(dǎo)航定位中斷。電離層閃爍嚴重影響了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常應(yīng)用和多種高端應(yīng)用，如生命安全服務(wù)、高精度測量等。從提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機抗電離層閃爍能力、研制基于國家PNT體系結(jié)構(gòu)的集成導(dǎo)航定位裝備、建立電離層閃爍預(yù)報預(yù)警保障機制三個方面探討了電離層閃爍環(huán)境保障方法,以確保導(dǎo)航定位能力。

關(guān)鍵詞：電離層;閃爍減緩;預(yù)報預(yù)警;體系結(jié)構(gòu);衛(wèi)星導(dǎo)航

0引言

在電離層正常的電子密度背景上漂浮著密度不等、尺度不等的電離體,稱為電離層不均勻體。電離層電子密度不均勻性的存在,可以引起介電常數(shù)和折射指數(shù)隨機起伏,當(dāng)衛(wèi)星信號在其中傳播時,會引起傳播路徑和傳播時間的改變,使得信號的振幅、相位以及到達角發(fā)生快速起伏變化,導(dǎo)致信號衰落、頻移等,被稱為電離層閃爍,包括幅度閃爍和相位閃爍[1]。電離層閃爍可以影響從10 MHz到12 GHz的載波頻率范圍。電離層閃爍影響與載波頻率有關(guān),在一定范圍內(nèi),信號頻率愈低,閃爍影響愈強。在同樣的電離層不均勻體條件下,VHF、UHF頻段閃爍影響較強,L頻段次之,C頻段稍弱。

電離層閃爍會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的導(dǎo)航定位誤差增大,嚴重時會使其導(dǎo)航定位中斷。由于電離層閃爍嚴重影響了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常應(yīng)用和多種高端應(yīng)用,美軍在軍用導(dǎo)航接收機電離層閃爍影響減緩方面,先建設(shè)了電離層閃爍中斷輔助決策系統(tǒng)(SCINDA)[2],后發(fā)射了通信導(dǎo)航中斷預(yù)報衛(wèi)星(CNOFS),旨在為全球范圍內(nèi)的GPS軍事應(yīng)用提供電離層閃爍預(yù)警服務(wù),降低其影響。以市場為導(dǎo)向的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從系統(tǒng)論證設(shè)計、研發(fā)、原型驗證、市場推廣等階段均開展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電離層閃爍環(huán)境保障研究,尤其注重提升導(dǎo)航接收機自身的抗電離層閃爍能力。

在地理區(qū)域上有兩個強閃爍的高發(fā)區(qū)(赤道區(qū)和極區(qū)),赤道區(qū)集中在以磁赤道為中心的±20°的低緯區(qū)域,以磁赤道異常區(qū)閃爍最強。我國低緯地區(qū)的閃爍出現(xiàn)率和嚴重程度十分顯著,特別是廣東、廣西、海南及南海地區(qū),均處在磁赤道異常區(qū)的峰值區(qū)域,在全球范圍內(nèi)是電離層閃爍出現(xiàn)最頻繁、影響最嚴重的地區(qū)之一。因此,衛(wèi)星導(dǎo)航電離層閃爍環(huán)境保障方法研究具有重要實用價值。

1電離層閃爍對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機影響

1.1電離層閃爍導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航信號強度出現(xiàn)衰落

電離層閃爍能引起衛(wèi)星信號的幅度和相位發(fā)生快速抖動,甚至導(dǎo)致信號中斷。電離層閃爍研究中衡量信號抖動強度的最重要的指數(shù)是幅度閃爍指數(shù)S4,它定義為每分鐘信號強度I的標準偏差與其平均值之比,即:

(1)

式中:角括號〈I〉表示衛(wèi)星信號強度的時間平均;S4指數(shù)的大小反映了電離層閃爍強度的變化。

圖1　衛(wèi)星導(dǎo)航信號電離層幅度閃爍現(xiàn)象

圖1示出了2013年4月9日海口市GPS閃爍監(jiān)測儀觀測到的GPS 19號衛(wèi)星信號幅度閃爍現(xiàn)象。從圖中可以看出電離層閃爍導(dǎo)致的衛(wèi)星信號強度瞬時衰落高達20 dB,此時電離層幅度閃爍指數(shù)(未進行噪聲修正)達到甚至超過1.0,屬于強閃爍事件。

聯(lián)系人： 張紅波 E-mail: ssrs_nklee@163.com

1.2電離層閃爍可使導(dǎo)航定位精度下降

電離層閃爍效應(yīng)通過兩種途徑降低衛(wèi)星導(dǎo)航接收機導(dǎo)航定位精度:

1) 使衛(wèi)星信號的載噪比變差。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的測距誤差與衛(wèi)星信號的載噪比相關(guān),載噪比下降,會增加衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的偽距測量誤差,降低衛(wèi)星導(dǎo)航接收機定位精度。

2) 相位閃爍會引入隨機相位誤差。從式(2)可以看出,隨著幅度閃爍指數(shù)S4的增大,將降低衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的信噪比,從而增加熱噪聲跟蹤誤差[3],導(dǎo)致基于載波相位的定位精度下降。

(2)

式中: σΦT為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機熱噪聲跟蹤誤差; Bn為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機帶寬; c/n0為信噪比(SNR).

嚴重的電離層閃爍會使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機不能跟蹤鎖定導(dǎo)航信號,造成接收機失鎖,引起載波測量的“整周跳變”,從而增加高精度載波相位定位解算的困難與誤差。

1.3電離層閃爍可使用戶導(dǎo)航定位中斷

電離層閃爍作為鎖相環(huán)的破壞者,其幅度閃爍會造成信號衰落,當(dāng)信號電平衰落到接收機鎖定門限之下時,碼跟蹤環(huán)將失鎖;例如當(dāng)圖1所示中的信噪比低于30 dB/Hz時,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機會出現(xiàn)失鎖。相位閃爍造成信號頻率起伏,當(dāng)頻率起伏大于接收機鎖相環(huán)帶寬時,也會造成鎖相環(huán)失鎖。當(dāng)閃爍繼續(xù)增強而且閃爍影響的空間范圍很大時,致使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機鎖定衛(wèi)星數(shù)目少于四顆,導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機無法提供導(dǎo)航信息,稱為中斷。

1.4電離層閃爍威脅衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性是指系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信號使定位精度超標,不滿足導(dǎo)航要求時由系統(tǒng)向用戶提供及時告警的能力。由于電離層閃爍可能造成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測量的精度下降,甚至中斷;此時,導(dǎo)航接收機可能給出錯誤的位置信息,如果航空用戶或者依據(jù)錯誤信息進行精密進近著艦或著陸等操作,會導(dǎo)致災(zāi)難的發(fā)生,即用戶接收機可能將危險誤導(dǎo)信息發(fā)送給航空等生命安全領(lǐng)域的用戶,嚴重影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在生命安全等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,電離層成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性的重要威脅之一。美國在《衛(wèi)星導(dǎo)航與空間天氣》一文中,將電離層閃爍作為GPS系統(tǒng)的主要威脅之一[4-5]。

2衛(wèi)星導(dǎo)航電離層閃爍環(huán)境保障方法

2.1提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機抗電離層閃爍能力

為減緩電離層閃爍對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機及其導(dǎo)航定位算法軟件的影響,提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機抗電離層閃爍能力。首先從硬件上提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機抗電離層閃爍能力。調(diào)研GNSS艦船應(yīng)用需求,尤其是生命安全和高精度應(yīng)用領(lǐng)域;研究并理解衛(wèi)星信號電離層閃爍效應(yīng),包括閃爍信號衰落深度、衰落周期、衰落頻率、信號相關(guān)性等;研發(fā)能夠預(yù)報信號傳播效應(yīng)和電離層閃爍對跟蹤環(huán)路影響的模型,包括動態(tài)帶寬、跟蹤環(huán)路誤差、失鎖率、周跳發(fā)生率等;設(shè)計并實現(xiàn)抗電離層閃爍的跟蹤環(huán)路技術(shù)或者跟蹤重捕策略,以顯著降低閃爍環(huán)境中的接收機失鎖概率。

其次從導(dǎo)航定位算法軟件上提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機抗電離層閃爍能力。識別和描述GNSS導(dǎo)航定位算法應(yīng)用/服務(wù)對電離層閃爍的易損性;建立量化指標并表征電離層閃爍對RTK、DGPS和PPP等GNSS高精度定位技術(shù)的影響;開發(fā)電離層閃爍氣候?qū)W模型或現(xiàn)報模型以輔助建立電離層閃爍環(huán)境下的導(dǎo)航定位誤差協(xié)方差模型,并應(yīng)用到導(dǎo)航定位解算算法中,以提高定位性能。

2.2研制基于國家PNT體系結(jié)構(gòu)的集成導(dǎo)航定位裝備

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有的弱點與脆弱性影響著或制約著PNT能力的可用性和魯棒性,其尚未完全滿足以下幾個方面PNT能力需求[6]:

1) 在電磁干擾環(huán)境下的PNT能力:包括在欺騙干擾、人為干擾和自然干擾(電離層閃爍等)下的PNT能力。

2) 在物理遮蔽環(huán)境下的PNT能力:包括水下、地下等環(huán)境下的PNT能力。

3) 當(dāng)PNT性能降低或者錯誤時,及時的信息通知能力:特別針對生命安全應(yīng)用或者避免間接損害。在一些情況下,告警時間甚至要少于1 s.

4) 具有完好性的高精度能力等。

針對現(xiàn)有PNT系統(tǒng)在滿足用戶需求方面存在的能力空缺,美國通過建立《國家定位導(dǎo)航授時體系結(jié)構(gòu)》來解決,以繼續(xù)維護美國在全球PNT領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位的愿景。為此,美國詳細制定了《國家PNT體系結(jié)構(gòu)實施計劃》,以推進PNT行業(yè)朝著未來目標PNT體系結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。面向2025年左右的美國國家PNT體系結(jié)構(gòu),作為未來PNT能力以及相關(guān)支持設(shè)施的發(fā)展框架,其將集多種導(dǎo)航手段與資源,形成完備的PNT體系,從而為空間、空中、地面、地下等用戶提供更好的可用性和魯棒性。

因此,基于我國國家PNT體系結(jié)構(gòu),研制集成無線電導(dǎo)航、自主導(dǎo)航、機會信號導(dǎo)航等多種導(dǎo)航手段的集成用戶裝備,可為航空、艦船、水下等用戶提供更強可用性、魯棒性的PNT服務(wù)。

2.3建立電離層閃爍預(yù)報預(yù)警保障機制

應(yīng)對電離層閃爍對衛(wèi)星導(dǎo)航定位的影響,應(yīng)堅持“預(yù)防為主”的原則,重視和做好電離層閃爍的監(jiān)測、現(xiàn)報、預(yù)報和預(yù)警工作,及時采取規(guī)避措施,防患于未然。美國利用豐富天基(氣象衛(wèi)星、CNOFS、空間態(tài)勢感知環(huán)境監(jiān)測星座等)和地基(SCINDA等)電離層環(huán)境監(jiān)測手段,融合領(lǐng)先的電離層環(huán)境預(yù)報模式,構(gòu)建了完整的電離層天氣預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能針對不同層次用戶發(fā)布影響衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達等系統(tǒng)的電離層環(huán)境參數(shù),從而可為軍用和民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供應(yīng)對電離層閃爍的預(yù)報預(yù)警信息。

我們正在發(fā)展電離層閃爍的監(jiān)測、現(xiàn)報、預(yù)報和預(yù)警系統(tǒng),依托該系統(tǒng)發(fā)布的電離層閃爍預(yù)報預(yù)警信息,采取科學(xué)合理規(guī)避措施,將有助于降低電離層閃爍對低緯海域內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用的危害。

圖2　中國低緯地區(qū)GNSS電離層閃爍發(fā)生　概率預(yù)報結(jié)果

圖2示出了中國電波傳播研究所研發(fā)的中國低緯地區(qū)電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報氣候?qū)W模型(CMSOP,與美國WBMOD模型功能相同)給出的預(yù)報結(jié)果。CMSOP結(jié)合鎖相環(huán)模型可用于分析GNSS信號失鎖概率及失鎖衛(wèi)星數(shù),可用于電離層閃爍對GNSS可用性影響分析[7],為確保系統(tǒng)完好性提供輔助決策支持。此外,衛(wèi)星導(dǎo)航電離層閃爍區(qū)域現(xiàn)報預(yù)報能力可為高價值用戶提供及時告警服務(wù),從而減緩電離層閃爍不利影響。

3結(jié)束語

電離層閃爍會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的導(dǎo)航定位誤差增大,嚴重時會使其導(dǎo)航定位中斷。電離層閃爍嚴重影響了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常應(yīng)用和多種高端應(yīng)用(生命安全服務(wù)、高精度大地測量等)。鑒于定位導(dǎo)航授時能力的重要性,可從提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機抗電離層閃爍能力、研制基于國家PNT體系結(jié)構(gòu)的集成導(dǎo)航定位裝備、建立電離層閃爍預(yù)報預(yù)警保障機制三個方面有效減緩電離層閃爍影響,確保導(dǎo)航定位能力。

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張紅波(1979-),男,高級工程師,主要研究方向為電離層閃爍預(yù)報預(yù)警、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、雷達系統(tǒng)電離層閃爍減緩、體系結(jié)構(gòu)等。

盛冬生(1986-),男,工程師,主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航電離層閃爍現(xiàn)報預(yù)報與減緩。

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

作者簡介

收稿日期：2015-01-27

中圖分類號：TN966

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0035-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.007