電離層擾動(dòng)對(duì)局域增強(qiáng)系統(tǒng)的影響分析

龔羽霞,劉　鈍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所,山東 青島 266107)

電離層擾動(dòng)對(duì)局域增強(qiáng)系統(tǒng)的影響分析

龔羽霞,劉鈍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所,山東 青島 266107)

摘要：衛(wèi)星導(dǎo)航局域增強(qiáng)系統(tǒng)采用差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位能力。電離層擾動(dòng)現(xiàn)象將對(duì)局域增強(qiáng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。電離層暴降低了電離層延遲空間相關(guān)性,進(jìn)而影響差分定位的精度;電離層閃爍引起衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量和測(cè)量質(zhì)量的降低,同時(shí)伴隨閃爍產(chǎn)生的電離層電子密度不均勻體也會(huì)降低電離層延遲的空間相關(guān)性,影響差分定位精度。電離層擾動(dòng)對(duì)局域增強(qiáng)系統(tǒng)的影響應(yīng)通過接收機(jī)設(shè)計(jì)、增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、完好性實(shí)現(xiàn)方法等多方面的改進(jìn)加以應(yīng)對(duì)。

關(guān)鍵詞：電離層；相關(guān)性；增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；電離層閃爍

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.015

中圖分類號(hào)：P28.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：： A

文章編號(hào)：： 1008-9268(2015)02-0067-06

收稿日期：2015-02-10

作者簡(jiǎn)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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的連續(xù)高精度導(dǎo)航定位功能,精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的任何航路導(dǎo)航系統(tǒng),因此，被國(guó)際民航組織推薦為航空應(yīng)用的主要導(dǎo)航手段。

GNSS的精度可以滿足遠(yuǎn)程導(dǎo)航應(yīng)用需求,但還不能夠滿足飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)進(jìn)近、降落、起飛各階段精密導(dǎo)航手段的要求,必須建立不同的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng),保證飛機(jī)在飛行的任何階段都能夠得到滿足要求的精確導(dǎo)航定位和完好性、連續(xù)性服務(wù)性能,安全進(jìn)行飛行活動(dòng)。局域增強(qiáng)系統(tǒng)(LAAS)即是為滿足精密進(jìn)近應(yīng)用需求而建立的局域性GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)[1]。

電離層延遲的空間相關(guān)性是影響GNSS差分定位技術(shù)的主要環(huán)境因素。平靜電離層環(huán)境情況下,電離層延遲在幾百公里甚至上千公里的范圍內(nèi)具有良好的空間相關(guān)性。因此,LAAS系統(tǒng)中采用差分定位技術(shù)以消除平靜電離層誤差影響。但在電離層擾動(dòng)期間,電離層延遲的空間相關(guān)性被破壞,GNSS差分定位技術(shù)的精度受到影響。同時(shí),小尺度擾動(dòng)(電離層閃爍)引起的GNSS信號(hào)質(zhì)量、數(shù)據(jù)測(cè)量質(zhì)量降低,更是影響LAAS系統(tǒng)性能的重要因素。因此,必須對(duì)電離層擾動(dòng)情況下的LAAS影響進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)外對(duì)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)的電離層影響已有較為系統(tǒng)的論述[2],對(duì)于LAAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的電離層影響主要側(cè)重于對(duì)電離層暴的影響分析[3-4],對(duì)電離層閃爍的影響分析較少。本文針對(duì)LAAS系統(tǒng)分析了影響系統(tǒng)性能的電離層環(huán)境要素,對(duì)電離層擾動(dòng)環(huán)境的各種影響效應(yīng)進(jìn)行了分析,并進(jìn)一步提出了相應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)對(duì)措施。

1影響LAAS的電離層擾動(dòng)環(huán)境要素

LAAS系統(tǒng)覆蓋區(qū)域較小,影響LAAS系統(tǒng)的電離層因素主要是各種電離層擾動(dòng)影響,包括強(qiáng)電離層暴和電離層閃爍影響。

1) 電離層暴

源于太陽爆發(fā)的強(qiáng)磁暴使電離層環(huán)境發(fā)生擾動(dòng),伴隨強(qiáng)磁暴的發(fā)生,全球范圍內(nèi)的電離層都會(huì)出現(xiàn)劇烈變化,稱為電離層暴[5]。電離層暴在開始幾小時(shí),電子濃度和總電子含量都增加,隨后這兩個(gè)量相對(duì)于正常值減小,在隨后幾天中逐漸回到正常值。由于電離層延遲與總電子含量成正比,因此,急始強(qiáng)暴開始期間劇烈的電離層總電子含量變化不僅引起電離層延遲的劇烈變化,還會(huì)引起較大的電離層延遲梯度變化。電離層延遲梯度的存在將降低電離層延遲的空間相關(guān)性,對(duì)GNSS差分定

聯(lián)系人： 龔羽霞 E-mail:gyx@22suo.com

位產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2) 電離層閃爍

電離層中存在的不均勻體結(jié)構(gòu)會(huì)引起穿越其中的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度和相位發(fā)生快速的隨機(jī)起伏變化,這種現(xiàn)象稱為電離層閃爍[4]。電離層閃爍使得接收到的GNSS信號(hào)幅度和相位產(chǎn)生快速衰落,影響GNSS接收機(jī)接收的信號(hào)質(zhì)量和偽距測(cè)量精度,引起載波周跳產(chǎn)生,嚴(yán)重情況下甚至引起衛(wèi)星的失鎖。

電離層閃爍發(fā)生伴隨電離層電子密度的變化,相應(yīng)的,閃爍也會(huì)破壞電離層延遲在空間局域的相關(guān)性,進(jìn)而影響LAAS差分定位能力。

需要說明的是,電離層閃爍對(duì)GNSS工作的整個(gè)L頻段具有共同的影響,因此電離層閃爍影響不能通過雙頻測(cè)量技術(shù)加以消除。

2電離層擾動(dòng)環(huán)境對(duì)LAAS的影響

2.1　電離層暴對(duì)LAAS影響

GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)中采用差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層誤差的修正,電離層中存在的較大延遲梯度變化是影響差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)性能的主要因素。因此,電離層暴對(duì)LAAS的影響源于暴引起的陡峭的電離層空間梯度變化,尤其是由急始的強(qiáng)暴開始期間,劇烈的電離層電子含量變化引起的延遲梯度變化。

電離層對(duì)LAAS的影響可通過圖1看出,當(dāng)?shù)竭_(dá)飛機(jī)的GNSS信號(hào)穿越電離層暴引起的延遲梯度強(qiáng)變化區(qū)域(暴的鋒面)時(shí),由于到達(dá)LAAS地面站的GNSS信號(hào)尚未受到電離層暴的影響,因此,利用地面站獲取的該顆GNSS衛(wèi)星測(cè)距修正信息進(jìn)行用戶端(飛機(jī))的偽距修正,將會(huì)引起誤差。

圖1　電離層暴對(duì)LAAS影響示意圖

對(duì)于LAAS系統(tǒng)而言,一般認(rèn)為電離層延遲的梯度變化為2～5 mm/km[3,4]。如圖2所示，對(duì)2003年10月29日的電離層暴事件分析可知,從電離層異常峰值區(qū)域(廣州)至電離層異常南坡坡底(上海)的大尺度范圍內(nèi),普遍存在15 mm/km的電離層延遲梯度變化。單站單顆衛(wèi)星測(cè)量的電離層延遲梯度變化分析中,發(fā)現(xiàn)暴期間電離層延遲梯度變化最大可達(dá)240 mm/km.文獻(xiàn)[3]中更是檢測(cè)到316 mm/km的電離層延遲梯度變化。因此,LAAS中以5 mm/km作為電離層延遲誤差的限定條件將難以保證系統(tǒng)完好性的實(shí)現(xiàn)。

圖2　暴期間的電離層延遲分布(2003年10月29日6:00 UT)

2.2　電離層閃爍對(duì)LAAS影響

1) 電離層閃爍對(duì)GNSS信號(hào)載噪比的影響

電離層閃爍將引起穿越其中的無線電信號(hào)的快速起伏,表現(xiàn)在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收的信號(hào)上,為信號(hào)載噪比的快速抖動(dòng)、接收信號(hào)強(qiáng)度的下降,甚至衛(wèi)星信號(hào)的中斷[6]。如圖3示出了閃爍期間,發(fā)生閃爍的衛(wèi)星信號(hào)的典型變化。

圖3　電離層閃爍引起的GPS衛(wèi)星信號(hào) 載噪比變化(海口,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(hào)載噪比下降,從典型的50 dB/Hz 下降到40 dB/Hz甚至更低,衰落幅度可達(dá)13～20 dB,嚴(yán)重情況下還可以發(fā)生衛(wèi)星信號(hào)跟蹤的中斷。GNSS信號(hào)強(qiáng)度的這種變化將影響LAAS地面站數(shù)據(jù)處理中的信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)。

2) 電離層閃爍對(duì)測(cè)量精度的影響

閃爍引起的GNSS信號(hào)載噪比降低,將影響監(jiān)測(cè)站對(duì)偽距測(cè)量精度的降低,文獻(xiàn)中[6]通過GPS閃爍期間的跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)分析表明,受閃爍影響的各顆GPS衛(wèi)星偽距測(cè)量精度均有下降,嚴(yán)重情況下出現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的失鎖,沒有相應(yīng)GPS衛(wèi)星的偽距測(cè)量輸出[6-7]。

3) 電離層閃爍對(duì)載波周跳檢測(cè)的影響

LAAS系統(tǒng)利用載波相位測(cè)量對(duì)碼偽距測(cè)量進(jìn)行平滑,降低碼偽距測(cè)量中的噪聲。閃爍引起的載波周跳或中斷會(huì)影響接收機(jī)對(duì)偽距測(cè)量進(jìn)行平滑以降低測(cè)量噪聲的能力。

閃爍期間,載波周跳的發(fā)生次數(shù)也大幅增加。通過對(duì)2001年電離層閃爍期間我國(guó)南方區(qū)域GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明,發(fā)生電離層閃爍時(shí),GPS接收機(jī)的周跳現(xiàn)象在一小時(shí)內(nèi)最多可以達(dá)到230次左右,遠(yuǎn)大于電離層平靜時(shí)的次數(shù)(一小時(shí)內(nèi)最多不超過15次)[8]。

同時(shí),由于閃爍發(fā)生期間,GNSS碼偽距測(cè)量誤差的增強(qiáng),也增加了載波周跳檢測(cè)的困難,文獻(xiàn)[6]中給出了例子說明,典型的周跳檢測(cè)程序中,用于周跳檢測(cè)的門限為0.324 m,而實(shí)測(cè)的周跳檢測(cè)序列在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)超過了0.4 m,并且一直難以滿足周跳檢測(cè)程序重新進(jìn)行初始化的要求,因此造成盡管接收機(jī)對(duì)GPS信號(hào)處于跟蹤狀態(tài),但根據(jù)周跳檢測(cè)程序則認(rèn)為接收機(jī)處于失鎖狀態(tài)。

如果載波平滑碼偽距過程由于受到閃爍引起的相位失鎖而中斷,或者利用受閃爍影響的載波相位測(cè)量進(jìn)行平滑,碼偽距測(cè)量將受本地多徑和接收機(jī)熱噪聲的影響,測(cè)量誤差增大3～10倍。

4) 電離層閃爍對(duì)電離層延遲修正的影響

閃爍發(fā)生期間,如果參考站接收的GNSS信號(hào)穿越閃爍影響區(qū),而用戶接收的GNSS信號(hào)沒有穿越閃爍影響區(qū),則電離層電子密度不均勻體將對(duì)差分技術(shù)產(chǎn)生影響。圖4示出了電離層平靜期間(2003年10月13日)與電離層閃爍發(fā)生期間(2003年10月14日)利用同一顆GPS衛(wèi)星(PRN28)測(cè)量獲得的電離層延遲。由于GPS星座的周期性,兩段電離層延遲測(cè)量應(yīng)具有一致性。但從圖中可以看出,該顆衛(wèi)星在升起和降落時(shí),信號(hào)路徑穿越了引起閃爍的電離層電子密度不均勻區(qū),因此電離層延遲發(fā)生變化。這種電離層延遲變化的幅度達(dá)到1.5 m.這個(gè)誤差是LAAS系統(tǒng)完好性實(shí)現(xiàn)中沒有考慮的誤差項(xiàng),將直接影響差分定位的精度和完好性實(shí)現(xiàn)。

圖4　PRN 28星測(cè)量的電離層延遲變化 (a) 2003年10月13日,(b) 2003年10月14日

5) 電離層閃爍對(duì)GNSS接收機(jī)定位的影響

電離層閃爍影響下,由于測(cè)量精度降低,用戶定位精度也會(huì)降低。尤其是閃爍引起的可見衛(wèi)星數(shù)的變化,將會(huì)嚴(yán)重影響定位的精度。圖5示出的閃爍期間用戶定位誤差變化中,可以發(fā)現(xiàn)在12:00,12:30,及14:00等時(shí)間段內(nèi)用戶定位結(jié)果具有較大的偏差。用戶位置發(fā)生較大偏差的時(shí)間段內(nèi),可用衛(wèi)星數(shù)快速變化。

圖5　偽距定位實(shí)現(xiàn)中,用戶東北天坐標(biāo)相對(duì)于 參考點(diǎn)的誤差(2003年10月29日,QION站)

圖6　GPS定位中可用的衛(wèi)星數(shù)(2003年10月29日,QION站)

需要說明的是,上述定位結(jié)果是利用碼偽距測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。LAAS中,采用載波平滑后的碼偽距進(jìn)行定位。由前述可知,閃爍期間,頻繁發(fā)生的GNSS接收機(jī)周跳,將會(huì)嚴(yán)重影響載頻平滑碼偽距過程的實(shí)現(xiàn)。同時(shí),閃爍引起的周跳檢測(cè)失效,也會(huì)影響載波平滑碼偽距過程的實(shí)現(xiàn)。因此,盡管采用載波平滑碼偽距的方法可以提高定位精度,但圖中存在的定位異常現(xiàn)象仍存在,并且由于載波測(cè)量的不可用,采用載波平滑碼偽距定位的結(jié)果中,定位異常值比單純采用碼偽距定位方法更多。

6) 電離層閃爍對(duì)LAAS覆蓋區(qū)域的影響

赤道電離層閃爍影響覆蓋的區(qū)域一般為幾十至數(shù)百公里寬,持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到數(shù)分鐘至幾十分鐘[9-11]。位于閃爍影響區(qū)域中的用戶,將會(huì)受到類似的閃爍影響。LAAS系統(tǒng)參考站的覆蓋范圍一般為幾十公里,因此,參考站與用戶(飛機(jī))在閃爍期間將受到同樣程度的閃爍影響。LAAS的這種性質(zhì),使得其難以像SBAS系統(tǒng)一樣可通過參考站的冗余設(shè)計(jì)來減緩電離層閃爍對(duì)系統(tǒng)的影響。

3LAAS應(yīng)對(duì)措施分析

3.1　電離層暴應(yīng)對(duì)措施

LAAS系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有應(yīng)對(duì)電離層暴影響的措施,即通過設(shè)置電離層擾動(dòng)誤差門限實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完好性。但系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中給出的電離層延遲梯度限定門限較小,影響了系統(tǒng)完好性實(shí)現(xiàn)。因此,應(yīng)通過對(duì)電離層暴事件的分析,建立合理的電離層威脅模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層延遲梯度變化進(jìn)行更為嚴(yán)格的限定,提高系統(tǒng)完好性。

未來GNSS系統(tǒng)將采用雙頻體制,利用GNSS系統(tǒng)雙頻測(cè)量可以有效消除電離層延遲誤差影響。因此,電離層暴對(duì)于未來雙頻GNSS系統(tǒng)將不再是影響系統(tǒng)的主要因素。

3.2　電離層閃爍應(yīng)對(duì)措施

電離層閃爍將影響整個(gè)L頻段,使用該頻段的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(包括BD、GPS、GALILEO、GLONASS等)都將受到電離層閃爍影響。因此,多系統(tǒng)、多頻段等方法都不能消除電離層閃爍的影響。此外,電離層閃爍的發(fā)生與變化是一種復(fù)雜的隨機(jī)過程,難以通過相應(yīng)的模型進(jìn)行精確的修正。電離層閃爍的影響只能通過接收機(jī)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、定位方法算法改進(jìn)等方面的設(shè)計(jì)改進(jìn),提高系統(tǒng)性能。同時(shí),建立電離層閃爍監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能保障的有效手段,也是對(duì)系統(tǒng)各種應(yīng)用的重要服務(wù)功能之一。

針對(duì)電離層閃爍影響,可采取的應(yīng)對(duì)措施主要包括:

1) GNSS接收機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

在GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中,針對(duì)電離層閃爍的影響,從環(huán)路設(shè)計(jì)、信號(hào)跟蹤及重捕算法實(shí)現(xiàn)等方法,考慮對(duì)接收機(jī)進(jìn)行改進(jìn)[10-12]。此外,可考慮與外部系統(tǒng)(慣導(dǎo)系統(tǒng)INS)的組合,利用INS輔助GNSS接收機(jī)環(huán)路跟蹤,提高環(huán)路跟蹤能力。

2) LAAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、論證中的措施考慮

針對(duì)電離層閃爍的區(qū)域特性進(jìn)行研究,對(duì)閃爍影響的范圍、程度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,為L(zhǎng)AAS的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐,包括GNSS信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)方法、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法、電離層延遲誤差門限優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3) 建立有效的電離層閃爍監(jiān)測(cè)與預(yù)警能力

減緩電離層閃爍影響的一個(gè)重要途徑是建立電離層閃爍監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制,并結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),為系統(tǒng)運(yùn)行及應(yīng)用提供服務(wù)保障,如可通過預(yù)警信息的發(fā)布,為受閃爍影響的區(qū)域用戶提供預(yù)警,使用戶及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急備份系統(tǒng)等。

4) 未來多GNSS系統(tǒng)下的兼容可用性增強(qiáng)措施

在電離層閃爍發(fā)生時(shí),用戶可用的定位衛(wèi)星越多,用戶在閃爍影響期間維持系統(tǒng)性能的可能性就越大。此外,更多的可用衛(wèi)星也意味著用戶可容忍距離測(cè)量中更大的噪聲誤差影響。因此,將更多的衛(wèi)星盡可能地加入用戶定位實(shí)現(xiàn)中是減緩閃爍影響的一條重要途徑。為此,應(yīng)實(shí)現(xiàn)多GNSS系統(tǒng)下的兼容性和互操作性,建立多GNSS系統(tǒng)下的LAAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

4結(jié)束語

電離層是影響GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)的重要因素,電離層擾動(dòng)(電離層暴和電離層閃爍)對(duì)系統(tǒng)精度和完好性的影響尤其嚴(yán)重。

暴引起電離層延遲空間梯度變化,影響利用差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)的LAAS系統(tǒng)精度和完好性實(shí)現(xiàn)。建立電離層威脅模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)暴引起的電離層誤差的有效限定,是提高LAAS系統(tǒng)完好性的重要方法。未來雙頻GNSS下的LAAS系統(tǒng)可以有效消除電離層暴的影響。

相比電離層暴引起的電離層延遲梯度變化影響不同,電離層閃爍的影響更為復(fù)雜。這種復(fù)雜性一方面表現(xiàn)在電離層閃爍造成衛(wèi)星信號(hào)的衰減,影響接收機(jī)接收信號(hào)的強(qiáng)度,因此將引起偽距測(cè)量精度降低、載波周跳頻繁發(fā)生、空中可視衛(wèi)星數(shù)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(jìn)行補(bǔ)償,造成用戶定位精度降低。

電離層閃爍對(duì)GNSS系統(tǒng)使用的L頻段信號(hào)均有影響,因此難以通過雙頻測(cè)量方法加以消除。進(jìn)行接收機(jī)的改進(jìn),LAAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完善,實(shí)現(xiàn)多GNSS系統(tǒng)下的兼容和互操作性,實(shí)現(xiàn)對(duì)LAAS系統(tǒng)電離層閃爍監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)服務(wù)是應(yīng)對(duì)電離層閃爍影響的有效措施。

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龔羽霞(1973- )，女，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用及科學(xué)技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用及設(shè)計(jì)。

劉鈍(1973- )，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)環(huán)境影響效應(yīng)評(píng)估及應(yīng)對(duì)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