电离层闪烁对导航接收机定位性能影响评估论文_唐森, 马丽, 盛冬生,

摘要：电离层闪烁对中国低纬地区卫星导航接收机的定位性能存在严重威胁。本文基于电离层闪烁实测数据，结合卫星导航定位误差模型和电离层闪烁对伪距测量精度的影响，评估了在不同电离层闪烁条件下受影响卫星的数量和用户定位误差的变化情况。评估结果显示：电离层闪烁会引起用户定位误差的增大。电离层闪烁区域越大，幅度闪烁指数越强，电离层闪烁区域内卫星导航接收机受影响程度越严重，中等强度电离层闪烁对卫星导航接收机也有一定的影响。

关键字：电离层闪烁；卫星导航；定位误差

当发生电离层闪烁事件时，卫星导航信号在电离层不均匀体中的传播会造成卫星导航信号信噪比下降，影响接收机的环路跟踪精度，降低载波相位测量和伪码测量的精度，强电离层闪烁能够引起接收机环路的失锁，严重时会使其导航定位中断，无法提供导航信息。因此在卫星导航系统应用领域，电离层闪烁影响一直是一项重要的研究内容。以磁赤道为中心的±20°的低纬地区和高纬地区是电离层闪烁高发区，中国长江以南地区，尤其是台湾、福建、广东、广西、海南和南海地区，均处在磁赤道异常区的北驼峰区域，是全球范围内电离层闪烁出现最频繁、影响最严重的地区之一。因此，针对中国上述区域开展电离层闪烁对卫星导航定位性能影响研究具有重要意义。本文利用中国电波传播研究所和中科院国家空间科学中心的电离层闪烁观测数据，研究了基于实时电离层闪烁观测数据的卫星导航系统影响评估方法。

一.电离层闪烁对接收机性能影响计算

1.电离层闪烁引起接收机伪码跟踪环路误差

卫星导航接收机接收信号的载噪比C/ N0可由如下模型获得

式中，C为接收机天线端接收到的最小信号强度,该值可通过卫星导航系统相应的ICD[7]文件获得；B为实际测量值与ICD文件中规定的最小信号强度之间的差值；对于全球定位系统（GPS）一般取为3dB；Ga为天线增益；L为接收机接收通道处理中的信号损耗；N0为噪声功率；I为干扰功率；计算中不考虑干扰的影响, 即I=0。

此时,卫星导航接收机的伪码跟踪环路(DLL)误差为

式中：Bn为DLL环路的带宽; η为接收机预检测积分时间; d为相关器间；。

式中：WCA = 293.0523 m , 为GPS 伪码测量中CA码的码元长度。

当卫星导航信号穿越电离层不均匀体时，其信号场强可能会产生严重的衰落，导致接收机的测量误差增大，根据文献[8]给出电离层闪烁与信号衰落关系：

式中：Pfluc表示卫星信号衰落深度，S4是电离层幅度闪烁指数。

电离层闪烁期间卫星导航接收机的信噪比计算公式为：

2.用户伪距测量定位误差评估

GPS卫星导航定位是基于被动式测距的原理，其测量信息来自于GPS卫星导航信号的传播时延。因此，GPS卫星导航定位误差主要来自于可视卫星几何位置产生的误差放大因子和各因素引起的用户等效视距误差的共同作用，定位误差计算公式如下所示：

式中：σP表示GPS用户定位误差；PDOP是GPS卫星几何位置引起的三维误差放大因子，σURE是接收机的等效视距误差。

电离层闪烁对GPS定位影响的用户等效视距误差模型用如下式表示：

式中：σEph表示广播星历播发的卫星位置误差；σIon表示电离层时延引起的伪距测量误差，可利用欧洲定轨中心（CODE）提供的全球电离层地图数据作为电离层真实值计算该误差，单频接收机使用的柯氏模型通常认为修正精度达到60%；σTrop表示对流层延迟引起的伪距测量误差；σMul表示卫星信号经过多次反射后到达天线引起的测量误差；σt表示接收机由于电离层闪烁接收卫星信号场强变化引起的测量误差。

二.电离层闪烁对卫星导航影响评估实例

为分析不同电离层闪烁事件对卫星导航系统的影响，本文选取2014年3月16日的电离层闪烁事件作为分析实例。其中该天电离层闪烁区域和幅度闪烁强度在22:06 LT 达到最强状态，而在23:48 LT时刻出现了中等闪烁和弱闪烁两个区域（图1），在22:06 LT ，中国低纬地区电离层闪烁区域覆盖了从北纬24°到北纬15°，东经105°到东经112°的广大地区，且幅度闪烁指数S4的最大值达到了0.8以上。在23:48 LT，中国低纬地区出现了两个电离层闪烁区域，其中在云南省中部北纬26.5°到北纬23°，东经99°到102.5°的区域出现了幅度闪烁指数达到0.6的事件（图2）；该时刻在海南省东北部出现幅度闪烁指数达到0.2微小区域弱闪烁事件。由图1.2可知，本文给出的电离层闪烁区域图包含了多种情况，便于分析不同的电离层闪烁事件对卫星导航定位的影响。

在北纬35°至北纬14°，东经85°至东经130°的区域内，按照地理经纬度坐标1°×1°的标准将该区域划分若干个网格区。根据卫星导航接收机获取的GPS广播星历文件，可以计算出每个网格点上能够观测到的卫星数目，本文假定卫星的截止角是15°。在已知电离层闪烁区域现报的条件下，假定电离层不均匀体的高度是350 km，由每个栅格点上获得的GPS卫星方位角和仰角信息可计算出星地链路穿越350 km高度处电离层不均匀体的穿刺点位置，进而获取该交叉点在地面投影的位置。通过比对电离层穿刺点的位置是否与电离层闪烁的区域重合即可判断该星地链路是否受到电离层闪烁的影响。

图3和图4是评估电离层闪烁情况下卫星导航接收机的受影响程度，不同颜色表示受影响的卫星数目。在22:06 LT ，中国低纬地区发生大面积电离层闪烁，与电离层闪烁周边区域受到影响的GPS卫星数量为1颗，而越接近核心区域，受电离层闪烁影响的卫星数目越多，最多达到5颗。在23:48 LT ，云南省位置发生的中等电离层闪烁区域，受电离层闪烁影响的导航定位区域远大于电离层闪烁发生区域，但是，该区域受影响的GPS卫星数量仅有1颗。在海南省东北部发生的小区域电离层闪烁，受其影响的导航定位区域则分布在电离层闪烁区域的周边，且受到影响的GPS卫星数量仅为1颗。这是由于GPS卫星分布在六个轨道面，每个栅格点位置观测的卫星较为分散，且大多为倾斜星地链路，卫星出现在接收机正上方的时间较短，导致电离层闪烁发生区域远小于受其影响的导航定位区域。总体而言，电离层闪烁区域越大，受其影响的GPS卫星数目会越多。

卫星导航的定位误差是由公式（6）决定的，根据接收机获得的广播星历能够计算出GPS卫星的位置，进而获得各栅格点处几何精度因子PDOP。GPS卫星的星历误差直接使用了美国GPS现代化计划中精度工程的统计分析结果，这里取1.7m。电离层时延使用CODE提供的全球TEC栅格数据，并假设柯氏模型的修正精度为60%。对流层时延则采用霍普菲尔德（Hopfield）对流层时延改进模型。多径误差直接取0.5m。最终，根据接收机定位误差评估公式（6）可以评估出电离层闪烁期间中国低纬地区各栅格点位置的导航定位误差，同时计算出了不考虑电离层闪烁的情况下接收机的定位误差。两种情况下定位误差相减，便可得出电离层闪烁引起的定位误差增量。

如图5和图6所示给出不同电离层闪烁状态下接收机定位误差，不同颜色表示误差增加量，单位是米。在22:06 LT，受中国低纬地区电离层闪烁的影响，其对应位置的导航定位误差增加明显，最大达到了2.5m。在23:48 LT，发生在云南省的电离层闪烁导致该区域有两个地区受电离层闪烁的影响，定位误差最大增加了0.3m，而海南省东北部地区的弱电离层闪烁则没有对接收机定位产生影响。由此可以看出，电离层闪烁对导航接收机定位的影响受电离层闪烁区域和闪烁强度的共同影响，电离层闪烁区域越大，闪烁越强，其对导航接收机的影响区域也越大，能够导致更大的定位误差增加值；当电离层闪烁区域中等时，其能够影响的区域是较小的；当幅度闪烁指数较小时，其对接收机定位的影响则可以忽略不计。

三.结论

利用电离层闪烁区域现报数据，结合接收机和卫星导航系统定位误差模型，接收机信号衰减和伪距测量精度关系等公式，本文分析了不同电离层闪烁区域和强度等条件对卫星导航接收机定位性能的影响，评估了不同电离层闪烁区域和强度时所影响的卫星数量和导航定位误差变化，给出了一种基于电离层闪烁现报数据的评估电离层闪烁对卫星导航接收机定位误差影响的方法。通过对不同电离层闪烁程度的分析可知，电离层闪烁区域越大，受影响的星地链路越多，幅度闪烁指数越强，用户的定位误差越大；而闪烁区域较小，幅度闪烁较弱，卫星导航接收机则几乎不受影响。

参考文献：

[1]刘钝等.电离层闪烁对卫星导航系统性能影响的仿真分析[J].全球定位系统，2011(1)：7-12.

[2]刘思慧.电离层闪烁对导航接收机性能的影响[J].中国空间科学技术，2014(3)：79-83.

【作者简介】唐森(1988.12-)，男，汉族，江苏省赣榆县人，本科学历，中国电波传播研究所工程师，主要研究方向：电波环境数据处理与电波环境传播预测技术。

论文作者:唐森, 马丽, 盛冬生,

论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期

论文发表时间:2020/4/17

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