龔羽霞,劉　鈍

(中國電子科技集團公司第二十二研究所,山東 青島 266107)

電離層擾動對局域增強系統(tǒng)的影響分析

龔羽霞,劉鈍

(中國電子科技集團公司第二十二研究所,山東 青島 266107)

摘要：衛(wèi)星導航局域增強系統(tǒng)采用差分技術實現(xiàn)高精度定位能力。電離層擾動現(xiàn)象將對局域增強系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。電離層暴降低了電離層延遲空間相關性,進而影響差分定位的精度;電離層閃爍引起衛(wèi)星信號質(zhì)量和測量質(zhì)量的降低,同時伴隨閃爍產(chǎn)生的電離層電子密度不均勻體也會降低電離層延遲的空間相關性,影響差分定位精度。電離層擾動對局域增強系統(tǒng)的影響應通過接收機設計、增強系統(tǒng)設計、完好性實現(xiàn)方法等多方面的改進加以應對。

關鍵詞：電離層；相關性；增強系統(tǒng)設計；電離層閃爍

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.015

中圖分類號：P28.4

文獻標志碼：： A

文章編號：： 1008-9268(2015)02-0067-06

收稿日期：2015-02-10

作者簡介

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)可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的連續(xù)高精度導航定位功能,精度遠高于現(xiàn)有的任何航路導航系統(tǒng),因此，被國際民航組織推薦為航空應用的主要導航手段。

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

電離層延遲的空間相關性是影響GNSS差分定位技術的主要環(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性。因此,LAAS系統(tǒng)中采用差分定位技術以消除平靜電離層誤差影響。但在電離層擾動期間,電離層延遲的空間相關性被破壞,GNSS差分定位技術的精度受到影響。同時,小尺度擾動(電離層閃爍)引起的GNSS信號質(zhì)量、數(shù)據(jù)測量質(zhì)量降低,更是影響LAAS系統(tǒng)性能的重要因素。因此,必須對電離層擾動情況下的LAAS影響進行分析。

國內(nèi)外對廣域增強系統(tǒng)(WAAS)的電離層影響已有較為系統(tǒng)的論述[2],對于LAAS系統(tǒng)實現(xiàn)中的電離層影響主要側重于對電離層暴的影響分析[3-4],對電離層閃爍的影響分析較少。本文針對LAAS系統(tǒng)分析了影響系統(tǒng)性能的電離層環(huán)境要素,對電離層擾動環(huán)境的各種影響效應進行了分析,并進一步提出了相應的系統(tǒng)應對措施。

1影響LAAS的電離層擾動環(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影響,包括強電離層暴和電離層閃爍影響。

1) 電離層暴

源于太陽爆發(fā)的強磁暴使電離層環(huán)境發(fā)生擾動,伴隨強磁暴的發(fā)生,全球范圍內(nèi)的電離層都會出現(xiàn)劇烈變化,稱為電離層暴[5]。電離層暴在開始幾小時,電子濃度和總電子含量都增加,隨后這兩個量相對于正常值減小,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性,對GNSS差分定

聯(lián)系人： 龔羽霞 E-mail:gyx@22suo.com

位產(chǎn)生嚴重影響。

2) 電離層閃爍

電離層中存在的不均勻體結構會引起穿越其中的導航衛(wèi)星信號強度和相位發(fā)生快速的隨機起伏變化,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信號幅度和相位產(chǎn)生快速衰落,影響GNSS接收機接收的信號質(zhì)量和偽距測量精度,引起載波周跳產(chǎn)生,嚴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,相應的,閃爍也會破壞電離層延遲在空間局域的相關性,進而影響LAAS差分定位能力。

需要說明的是,電離層閃爍對GNSS工作的整個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量技術加以消除。

2電離層擾動環(huán)境對LAAS的影響

2.1　電離層暴對LAAS影響

GNSS增強系統(tǒng)中采用差分技術實現(xiàn)對電離層誤差的修正,電離層中存在的較大延遲梯度變化是影響差分技術實現(xiàn)性能的主要因素。因此,電離層暴對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LAAS的影響可通過圖1看出,當?shù)竭_飛機的GNSS信號穿越電離層暴引起的延遲梯度強變化區(qū)域(暴的鋒面)時,由于到達LAAS地面站的GNSS信號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)星測距修正信息進行用戶端(飛機)的偽距修正,將會引起誤差。

圖1　電離層暴對LAAS影響示意圖

對于LAAS系統(tǒng)而言,一般認為電離層延遲的梯度變化為2～5 mm/km[3,4]。如圖2所示，對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240 mm/km.文獻[3]中更是檢測到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LAAS影響

1) 電離層閃爍對GNSS信號載噪比的影響

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(xiàn)在衛(wèi)星導航接收機接收的信號上,為信號載噪比的快速抖動、接收信號強度的下降,甚至衛(wèi)星信號的中斷[6]。如圖3示出了閃爍期間,發(fā)生閃爍的衛(wèi)星信號的典型變化。

圖3　電離層閃爍引起的GPS衛(wèi)星信號 載噪比變化(?？?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13～20 dB,嚴重情況下還可以發(fā)生衛(wèi)星信號跟蹤的中斷。GNSS信號強度的這種變化將影響LAAS地面站數(shù)據(jù)處理中的信號質(zhì)量檢測。

2) 電離層閃爍對測量精度的影響

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

3) 電離層閃爍對載波周跳檢測的影響

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

閃爍期間,載波周跳的發(fā)生次數(shù)也大幅增加。通過對2001年電離層閃爍期間我國南方區(qū)域GPS觀測數(shù)據(jù)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(xiàn)象在一小時內(nèi)最多可以達到230次左右,遠大于電離層平靜時的次數(shù)(一小時內(nèi)最多不超過15次)[8]。

同時,由于閃爍發(fā)生期間,GNSS碼偽距測量誤差的增強,也增加了載波周跳檢測的困難,文獻[6]中給出了例子說明,典型的周跳檢測程序中,用于周跳檢測的門限為0.324 m,而實測的周跳檢測序列在較長時間內(nèi)超過了0.4 m,并且一直難以滿足周跳檢測程序重新進行初始化的要求,因此造成盡管接收機對GPS信號處于跟蹤狀態(tài),但根據(jù)周跳檢測程序則認為接收機處于失鎖狀態(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量進行平滑,碼偽距測量將受本地多徑和接收機熱噪聲的影響,測量誤差增大3～10倍。

4) 電離層閃爍對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信號穿越閃爍影響區(qū),而用戶接收的GNSS信號沒有穿越閃爍影響區(qū),則電離層電子密度不均勻體將對差分技術產(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,兩段電離層延遲測量應具有一致性。但從圖中可以看出,該顆衛(wèi)星在升起和降落時,信號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到1.5 m.這個誤差是LAAS系統(tǒng)完好性實現(xiàn)中沒有考慮的誤差項,將直接影響差分定位的精度和完好性實現(xiàn)。

圖4　PRN 28星測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GNSS接收機定位的影響

電離層閃爍影響下,由于測量精度降低,用戶定位精度也會降低。尤其是閃爍引起的可見衛(wèi)星數(shù)的變化,將會嚴重影響定位的精度。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等時間段內(nèi)用戶定位結果具有較大的偏差。用戶位置發(fā)生較大偏差的時間段內(nèi),可用衛(wèi)星數(shù)快速變化。

圖5　偽距定位實現(xiàn)中,用戶東北天坐標相對于 參考點的誤差(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,上述定位結果是利用碼偽距測量實現(xiàn)的。LAAS中,采用載波平滑后的碼偽距進行定位。由前述可知,閃爍期間,頻繁發(fā)生的GNSS接收機周跳,將會嚴重影響載頻平滑碼偽距過程的實現(xiàn)。同時,閃爍引起的周跳檢測失效,也會影響載波平滑碼偽距過程的實現(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?，F(xiàn)象仍存在,并且由于載波測量的不可用,采用載波平滑碼偽距定位的結果中,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)時間可以達到數(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)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計來減緩電離層閃爍對系統(tǒng)的影響。

3LAAS應對措施分析

3.1　電離層暴應對措施

LAAS系統(tǒng)中設計有應對電離層暴影響的措施,即通過設置電離層擾動誤差門限實現(xiàn)系統(tǒng)的完好性。但系統(tǒng)設計標準中給出的電離層延遲梯度限定門限較小,影響了系統(tǒng)完好性實現(xiàn)。因此,應通過對電離層暴事件的分析,建立合理的電離層威脅模型,實現(xiàn)對電離層延遲梯度變化進行更為嚴格的限定,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)雙頻測量可以有效消除電離層延遲誤差影響。因此,電離層暴對于未來雙頻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)生與變化是一種復雜的隨機過程,難以通過相應的模型進行精確的修正。電離層閃爍的影響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。同時,建立電離層閃爍監(jiān)測預警服務是實現(xiàn)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。

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(xiàn)等方法,考慮對接收機進行改進[10-12]。此外,可考慮與外部系統(tǒng)(慣導系統(tǒng)INS)的組合,利用INS輔助GNSS接收機環(huán)路跟蹤,提高環(huán)路跟蹤能力。

2) LAAS系統(tǒng)設計、論證中的措施考慮

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LAAS的設計提供技術支撐,包括GNSS信號質(zhì)量檢測方法、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法、電離層延遲誤差門限優(yōu)化設計。

3) 建立有效的電離層閃爍監(jiān)測與預警能力

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(xiàn),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)域用戶提供預警,使用戶及時啟動應急備份系統(tǒng)等。

4) 未來多GNSS系統(tǒng)下的兼容可用性增強措施

在電離層閃爍發(fā)生時,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現(xiàn)中是減緩閃爍影響的一條重要途徑。為此,應實現(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)實現(xiàn)。

4結束語

電離層是影響GNSS增強系統(tǒng)的重要因素,電離層擾動(電離層暴和電離層閃爍)對系統(tǒng)精度和完好性的影響尤其嚴重。

暴引起電離層延遲空間梯度變化,影響利用差分技術實現(xiàn)的LAAS系統(tǒng)精度和完好性實現(xiàn)。建立電離層威脅模型,實現(xiàn)對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雜。這種復雜性一方面表現(xiàn)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,因此將引起偽距測量精度降低、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行補償,造成用戶定位精度降低。

電離層閃爍對GNSS系統(tǒng)使用的L頻段信號均有影響,因此難以通過雙頻測量方法加以消除。進行接收機的改進,LAAS系統(tǒng)設計的完善,實現(xiàn)多GNSS系統(tǒng)下的兼容和互操作性,實現(xiàn)對LAAS系統(tǒng)電離層閃爍監(jiān)測與預報服務是應對電離層閃爍影響的有效措施。

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龔羽霞(1973- )，女，工程師，主要從事計算機應用及科學技術、系統(tǒng)應用及設計。

劉鈍(1973- )，男，高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星導航應用技術，衛(wèi)星導航系統(tǒng)環(huán)境影響效應評估及應對措施。

Analysis of Ionospheric Disturbance Effects on LAAS

GONG Yuxia,LIU Dun

(22ndResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyCroupCo.,Qingdao266107,China)

Key words: Ionosphere； correlation structure； system development； ionospheric scintillation