电离层闪烁模型
电离层闪烁对卫星导航系统性能影响的仿真分析
刘 钝 ， 卫 民 ， 甄 冯 健 ， 忠 新 ， 宝 田 邓 马
（ 国 电 波 传 播 研 究 所 ， 东 青 岛 ２ ６０ ） 中 山 ６ １ ７
摘 要 ：电 离层 闪 烁 是 影 响 卫 星 导 航 系统 定 位 性 能 的 重 要 因素 之 一 。 通 过 仿 真 方 法 对 中
因 此 ， 离 层 闪 烁 的 影 响 是 卫 星 导 航 系 统 应 用 电 领 域 关 注 的 一 个 重 要 问 题 。 电 离 层 闪 烁 的 影 响 可
卫 星导 航 接 收 机 接 收信 号 的载 噪 比 Ｃ Ｎ。可 ／ 由如下模 型 获得
Ｃ／ 。 Ｃ＋ Ｂ＋ Ｇ。 Ｌ一 （ ＋ Ｉ Ｎ 一 ＋ Ｎ。 ） （） １
烁 严 重 时 会 引 起 接 收 机 环 路 的 失 锁 ， 其 是 载 波 跟 尤
型 ， 出电离层 闪烁 参量 （ 闪烁 指 数 Ｓ ） 给 如 ４ 随时 间 、
季节、 地理 位置 的 变化 分 布 ， 真 分 析卫 星导 航 系 仿
统 性 能受 电离层 闪烁 影 响的分 布特性 ， 并作 为 闪烁
重 要 因 素 之 一 。 电 离 层 闪 烁 对 卫 星 导 航 系 统 的 影
高 发 区 ， 此 ， 对 我 国 区域 开 展 电离 层 闪 烁对 卫 因 针
星 导航 系统性 能 的影 响研究具 有重 要意 义 。 在 电离层 闪烁对 卫 星导航 系统 影响 的仿 真 中 ，
建立 闪烁情 况下 的接 收机环路 误差 模型 ， 仿真 分析
式 中 ：Ｃ为 接 收 机 天 线 端 接 收 到 的 最 小 信 号 强 度 ，
通过对 闪烁 期 间用 户 接 收机 定 位 性 能 的变 化 进 行
[整理]中国电波研究简史.
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简要回顾了我国电波传播研究从1936年到2007年，约70年的发展概况。
全文分为我国学者早期的一些出色研究贡献、电离层结构探测、对流层结构探测、电离层传播特性研究、对流层传播特性研究、长波和超长波传播研究、地面地下和水面水下传播特性研究、特殊媒质中的传播研究、计算电磁学在电波传播中的应用等部分。
1 引言我国最早的电波传播试验是1936年，梁百先教授等在上海进行的，观测日食对电离层的影响。
1937年，桂质庭教授开始在武汉大学开展电离层常规观测。
1944年，重庆站开始了日常的电离层垂直探测。
从1936年算起，至今正好70年。
电波传播研究在我国大规模地开展，是在1949年新中国成立后。
更严格地说，是在1956年，中央提出向科学进军的号召之后。
这一年，制订了《十二年科学技术发展规划》。
电波传播研究列入了国家的科研规划，在吕保维先生领导下，正式成立了电波传播研究室。
武汉大学，西北电信工程学院，成都电信工程学院等高等学府，正式地培养电磁波和电波传播专业人才，成立了相应的电波传播研究机构，从此电波传播研究才在我国大规模地开展。
在这70年的历史长河中，1962年中国电子学会电波传播分会的成立，1965年中国电波传播研究所的建立，1986年《电波科学学报》的正式发行，都有力地推动和促进了我国电波传播事业的发展。
电波传播研究的发展，和整个科学技术的发展密切不可分。
大致可以划分为，20-30年代以远距离通信为目标的，研究短波电离层传播时代；40-50年代超短波、微波技术兴起，电波传播进入了对流层传播研究期，研究各种类型的散射传播现象，以达到微波超视距传播的目的；50年代后期，人造卫星上天，卫星通信出现，电波传播研究围绕地空电路传播，开展了用卫星信标研究整个大气层的时代；70-80年代以来，计算机技术飞速发展，特别是微型机的出现，带动了计算电磁学的发展，从而给电波传播提供了一种极其有力的研究方法和工具。
传统的电波传播研究只有试验和理论分析两种方法。
天基电离层探测体系与电离层闪烁预报模型研究
天基电离层探测体系与电离层闪烁预报模型研究随着我国卫星通信、雷达、北斗卫星导航等系统的发展与应用,对全球电离层探测与中国区域电离层闪烁预报预警能力需求日益迫切,然而国内面向工程业务应用的大区域电离层闪烁发生概率预报模型研究还比较薄弱,因此,研究全球电离层探测体系,以实现天基电离层探测,积累全球电离层观测数据,进而建立电离层闪烁中长期概率预报模型,将具有非常重要的研究意义以及应用价值。
基于该考虑,本论文着重于从三个方面开展了相关研究：(1)天基电离层探测体系研究。
(2)天基电离层载荷测试与数据处理技术研究。
(3)电离层闪烁发生概率中长期预报模型及应用研究。
首先对天基电离层探测体系论证设计方法进行了一些有益的探索与尝试。
第二章中分析了天基电离层探测需求；对天基电离层探测任务论证过程进行分析与探索,可为我国天基电离层探测系统研究与建设提供一点思路。
第三章,研究分析了天基三频信标电离层载荷测试技术,以及其它几种载荷的电离层数据处理技术。
基于地空无线电链路的电离层探测载荷性能的测试检验是一个有待解决的问题。
提出的三频信标测量系统半实物半模拟测试验证方法是一种可行的技术解决方案。
此外,也验证了基于星载DORIS接收机观测数据的电离层TEC反演算法,并分析了其精度。
最后是整个研究工作重点,针对国内外电离层闪烁预报研究与应用核心技术之一,基于国内现有观测数据,开展中国低纬地区电离层闪烁发生概率中长期预报模型研究工作,并获得了几个新发现。
(1)分析了中国低纬地区电离层不均匀体的功率谱指数的统计特性。
发现年平均谱指数p随时间存在规律变化,呈双峰变化趋势,最高峰位于午夜前22点至23点左右,午夜后下降至谷底,随后谱指数再次上升,在午夜后2点左右存在第二个谱指数p峰值。
发现春分季节平均谱指数呈单高斯函数结构,而秋季谱指数则呈现双高斯函数结构,秋季午夜后电离层不均匀体结构谱指数存在更大峰值。
首次利用有理数函数对海口站UHF频段年平均谱指数p进行数学建模。
国际参考电离层模型
国际参考电离层模型国际参考电离层模型（International Reference Ionosphere，IRI）是国际电离层科学联合会（International Union of Radio Science，URSI）提出的标准化电离层参数模型。
它是一个计算机程序，可以根据地区、时间和太阳活动水平等变量，预测电离层的各种物理量，如电子密度、电离度、总电子含量等。
IRI在地球科学和无线电通讯等领域广泛应用。
IRI的发展历史可以追溯至上世纪50年代初。
当时，无线电通讯的发展迫切需要可靠的电离层参数模型。
该模型由一组在电离层物理学及电离层测量领域具有丰富经验的科学家开发。
自1978年以来，IRI的版本更新不断，现在已经发展成为全球通用的电离层参数模型。
IRI的计算基于地球表面的任意经度和纬度。
它的输入参数包括地球表面的位置、天顶角、季节、太阳活动指数和月相等。
此外，用户还可以自己输入一些其他特定的参数，如太阳风速度、太阳能量谱等。
IRI的输出包括电离层的密度、电离度和总电子含量等重要参数。
这些参数对于电离层通信、导航、遥感等应用至关重要。
例如，积累的总电子含量可以用于定位和导航系统，电离度等参数可以用于无线电通讯系统实时网络调整。
然而，IRI并不是一个完美的模型。
在某些特定情况下，它的预测可能会与实际情况不符。
例如，当太阳活动高时，电离层的垂直延迟可能会比IRI预测的值更大。
因此，用户需要谨慎使用IRI的输出结果，并在必要时结合实际情况进行调整。
总的来说，IRI是一个重要的电离层参数模型，它在无线电通讯、导航、遥感等领域中具有广泛应用。
随着数据源和模型算法的不断改善，IRI的预测精度将会不断提高。
结合自适应噪声完备集合经验模态分解的深度学习模型在电离层闪烁预报中的研究
结合自适应噪声完备集合经验模态分解的深度学习模型在电离层闪烁预报中的研究尹逊哲;岳东杰;翟长治;陈雨田;程晓云【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2024(36)1【摘要】电离层闪烁可能导致通信系统误码率增加和GNSS定位精度下降。
由于电离层闪烁的偶发性,闪烁预报非常困难。
为了提高对电离层闪烁的预测精度,提出了一种综合多种方法的混合预测模型,利用电离层闪烁标签值(S4label)进行辅助,结合“分解-集成”思想的深度学习模型进行预测。
首先采用CEEMDAN算法将原始数据分解为多个子信号,并基于样本熵指标,使用K-Means算法将这些子信号重构为高频、低频和趋势3种信号。
后利用VMD法对高频信号进行二次分解,借助自注意力LSTM模型实现对高低频信号的逐步预测。
实验结果表明,与传统的LSTM 模型相比,混合模型预测精度明显提高。
在地磁平静期,该模型的预测效果得到显著改善,R^(2)、RMSE、MAE、MAPE代表的精度分别提升了32.2%、58.7%、51.2%、44.7%。
因此,该模型能更准确地预测电离层闪烁现象的发生,对电离层闪烁的预测研究具有很好的参考价值。
【总页数】8页(P117-124)【作者】尹逊哲;岳东杰;翟长治;陈雨田;程晓云【作者单位】河海大学地球科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】P352.4【相关文献】1.改进的自适应噪声总体集合经验模态分解在光谱信号去噪中的应用2.一种结合自适应噪声完备经验模态分解和盲反卷积去除脑电中眼电伪迹的新方法3.基于序关系分析法和自适应噪声完备集合经验模态分解法的直升机飞行培训安全风险评估指标权重分析4.基于自适应噪声完备集合经验模态分解与独立分量分析的故障选线法5.基于完全自适应噪声集合经验模态分解与小波变换相结合的GPS/BDS-3多路径误差削弱研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
电离层闪烁对北斗增强系统影响的建模研究
电离层闪烁对北斗增强系统影响的建模研究刘思慧;刘钝【摘要】电离层闪烁严重影响了北斗及其增强系统的性能.为了评估电离层闪烁影响下北斗系统的可用性,需建立闪烁影响下的北斗及其增强系统性能模型,并进行仿真分析.文章系统地建立了电离层闪烁影响下的卫星导航接收机模型、用户定位算法和系统性能模型,利用电离层闪烁模型给出电离层闪烁分布,利用建立的北斗系统性能影响模型,实现对电离层闪烁影响下北斗增强系统性能的可用性分析.利用上述方法,仿真分析了中国中低纬地区强电离层闪烁影响下北斗增强系统的可用性.结果表明:电离层闪烁将引起用户接收机测量误差的增大,对于中国低纬地区而言,强电离层闪烁影响下,存在系统可用性低于95％的性能严重影响区域,北斗系统性能受影响区域与电离层强闪烁的发生区域具有密切关系.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2015(030)001【总页数】6页(P135-140)【关键词】电离层闪烁;北斗系统;增强系统;完好性;可用性【作者】刘思慧;刘钝【作者单位】国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073;北京跟踪与通信技术研究所,北京100094;中国电波传播研究所,山东青岛266107【正文语种】中文【中图分类】TN958.93电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一.电离层闪烁对卫星导航系统的影响包括三个方面：对接收机内部环路的影响，对接收机定位性能的影响，对卫星导航系统总体性能的影响.电离层闪烁可以造成接收机接收到的卫星信号载噪比的下降，从而影响接收机的环路跟踪精度，闪烁严重时会引起接收机环路的失锁.伪距测量误差的增大，以及卫星信号失锁引起的精度因子（Dilution of Precision，DOP）的增大，将影响用户的定位精度.接收机定位误差的增大将影响系统定位性能的实现，并进一步影响系统完好性、连续性和可用性的实现［1-3］. 由于电离层闪烁对全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）影响的复杂性，及电离层闪烁的时空变化特性，建立GNSS在电离层闪烁影响下的各种模型，通过仿真方法开展电离层闪烁对GNSS的影响研究是一种重要的手段.R.S.Conker，El-Arini，M.B.等人针对南美地区开展了电离层闪烁对广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）的影响仿真分析研究［1］.国内研究人员也针对中国区域电离层闪烁对全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的精度影响进行了仿真分析［2－3］.本文在上述工作基础上，进一步针对电离层闪烁对北斗系统及北斗区域增强系统的影响进行分析.首先建立了电离层闪烁影响下的接收机环路误差模型；在此基础上，建立了用户伪距测量误差模型和用户定位误差模型，并根据完好性和可用性定义建立相应的模型；利用电离层闪烁模型，给出电离层闪烁参量（闪烁指数S4）随时间、地理位置的变化分布，并利用建立的接收机和系统模型仿真分析电离层闪烁对北斗（BeiDou，BD）接收机及北斗区域增强系统（BD Augmentation System，BDAS）性能的影响；最后对电离层闪烁对北斗系统的影响进行总结.1.1 无电离层闪烁情况接收机跟踪环路误差模型BD接收机接收信号的载噪比C／N0可由如下模型描述：式中：C为接收机天线端接收到的最小信号强度，该值可通过北斗卫星导航系统的接口控制文件（Interface Control Document，ICD）［4］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，一般可取为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，仿真中不考虑干扰的影响，即I＝0.BD接收机的载波跟踪环路（Phase Lock Loop，PLL）误差σ2φT和伪码跟踪环路（Delay Lock Loop，DLL）误差σ2τ分别为［1］：式中：Bn为PLL环路或DLL环路的带宽；η为接收机预检测积分时间；d为相关器间距；c／n0＝100.1C／N0.1.2 电离层闪烁情况下接收机跟踪环路误差模型1.2.1 载波环路误差模型1）电离层闪烁对接收机PLL的影响包括两个方面［1，5－6］：2）电离层幅度闪烁造成卫星信号载噪比下降，影响接收机载波环路的跟踪性能；电离层相位闪烁造成接收信号的相位抖动，这种抖动可看作一种相位噪声，引起接收机PLL的性能降低.相应的，电离层闪烁影响下的接收机载波环路误差可表示为式中：σ2φS为相位闪烁引起的环路误差；σ2φT为幅度闪烁引起的环路误差；σφ，osc为卫星／接收机频标引起的误差，一般取为0.1rad.1）电离层幅度闪烁影响电离层闪烁影响下，接收机接收的卫星信号为式中：A0，φ0为无闪烁影响时接收的信号幅度和相位；AS，φS分别为闪烁对信号幅度和相位的影响.闪烁影响下的信号载噪比则为幅度闪烁影响AS具有Nakagami-m分布p（AS），因此，幅度闪烁影响下的载波环路误差模型为对式（7）进一步推导化简，可得幅度闪烁影响下的载波环路跟踪误差［1］为S4为幅度闪烁指数.2）电离层相位闪烁影响相位闪烁引起的环路误差σ2φS可通过如下方法建模获得［5］式中：T为相位闪烁谱中1Hz处的谱强度；p为相位闪烁谱的谱指数；Sφp（f）为相位闪烁谱模型，根据Rino工作［7］，电离层相位闪烁谱｜1－H（f）｜2为接收机PLL环路传输函数为k为接收机PLL环路阶数，fn为环路自然频率.式（9）进一步推导化简［1］，得到相位闪烁影响下的载波环路跟踪误差：1.2.2 码环路误差模型电离层闪烁对接收机码跟踪环路的影响主要是由于电离层幅度闪烁造成的卫星信号载噪比下降，影响环路的跟踪性能.参照电离层幅度闪烁对载波环路影响模型的建立方法，可以建立幅度闪烁影响下的码环路误差模型，有式中：S4和η的定义如前；Bn此时为DLL环路带宽.进一步地可以由DLL的误差στ获得以米为单位的伪码测量误差：WB1I＝146.526m为B1频段I支路信号的码元长度.2.1 用户测量伪距精度伪距测量精度采用以下模型估计获得［9－10］：式中：σ2Eph为与星历有关的误差；σ2Ion为BDAS电离层网格修正模型的残差估计；σ2Rvr为接收机测量误差，利用电离层闪烁参量，结合1.2节中的接收机环路模型，可以获得接收机在电离层闪烁情况下的测量误差，σ2Mul为多径误差，σ2Trop为对流层残差；E为卫星观测仰角；F为电离层倾斜转换因子，且有RE和h分别为地球半径和电离层球壳模型的高度（一般取为350km）.2.2 用户定位结果精度用户定位测量的误差方程为用户定位解算采用最小二乘方法获得，解得的定位结果，及定位解的精度估计为［3］：式中：L为观测向量；V为残差向量；X为待求解的未知数；G为状态矩阵，与用户位置和卫星位置有关.W为加权矩阵，可利用式（15）中对每颗观测卫星的伪距测量精度估计获得.2.3 系统完好性性能GNSS增强系统中，通过保护门限（VPL／HPL）与报警门限（VAL／HAL）实现对定位服务可用性的检测.航空应用中，区域增强系统要求在任何时间和地点，定位结果的保护门限应满足［9］：式中：σvert为用户位置误差标准方差在垂直方向上的分量；KV，KH为比例因子，VPL／HPL为垂直／水平保护门限；VAL／HAL为垂直报警门限.对于不同应用（如I类精密进近，二类带垂直引导的进近APV-II，一类带垂直引导的进近APV-I），相应的VAL和HAL参见文献［11］.2.4 系统可用性性能GNSS系统可用性一般是指系统提供可用的导航服务时间的百分比［9，11］.根据上述定义，系统可用性模型采用以下形式建立：即系统可用性为所有满足VPL≤VAL和HPL≤HAL的时间与系统总服务时间的比值.3.1 对BD接收机影响的仿真分析利用1.2节建立的模型，可以获得不同闪烁强度下接收机的跟踪误差.其中，谱强度T和谱指数p通过实测电离层闪烁数据分析获得［7］.仿真中，k取为3，fn取为1.9Hz.PLL环路和DLL环路带宽分别取10Hz和0.1Hz作为典型值.对于BD接收机而言，预检测积分时间η一般为0.02s（BD导航电文的数据比特率为50bps），BDAS接收机为0.002s（BDAS播发信息的数据比特率为500 bps）［4］.图1和图2给出了典型的BD接收机和BDAS接收机在闪烁指数S4为0、0.3、0.6、0.705情况下仿真获得的接收机环路跟踪误差.从图中可以看到，随载噪比的降低和闪烁影响的增大，接收机环路跟踪误差增大.由于BDAS系统播发信息的数据比特率高于BD系统，BDAS接收机的预检测积分时间小于BD接收机的预检测积分时间，因此，BDAS接收机更容易受到电离层闪烁的影响.3.2 对BD区域增强系统性能影响的仿真分析针对APV-II／I应用，仿真分析存在强电离层闪烁情况下，BD区域增强系统用户垂直保护门限、系统可用性的分布.仿真中选定经度60°E～150°E，纬度－10°S～50°N范围的区域，按1°×1°网格进行划分，每个网格点作为已知用户.该区域包含了闪烁影响严重的我国南方低纬地区.太阳活动高年的春秋分及附近时期是强电离层闪烁的高发期，仿真中时间设定为2013年3月26日.电离层闪烁的影响从本地时日落后开始，可以一直持续到午夜以后，仿真中时间取为世界时（Universal Time，UT）10：00——21：00（对应当地时间（Local Time，LT）18：00至第二天5：00）.作为比较，同时仿真了没有电离层闪烁影响下的用户性能分布，仿真时间为2013年7月31日.电离层闪烁指数S4的分布利用全球电离层闪烁模型（Global Ionospheric Scintillation Model，GISM）给出.模型中，F10.7参数取为120，影响频率为1 561.098MHz（B1信号频率）.采用电离层球壳模型假设，用户可视卫星受闪烁影响的程度，由用户至卫星视线路径在电离层球壳穿刺点处的电离层闪烁情况确定. BDAS星历误差估计及σMul、σTrop的取值参考文献［2，9］.电离层网格模型利用欧洲定轨中心（Center for Orbit Determination in Europe，CODE）提供的电离层图来实现［12］.图3给出了没有电离层闪烁发生情况下，APVII用户的垂直保护门限分布，仿真时间设定为2013年7月31日UT15：30.可以看出，没有电离层闪烁发生时，仿真区域内的用户保护门限分布比较平均，一般在15m以内.这是由于BDAS在仿真区域具有较多的可视BD卫星，且仿真时间接近本地时间午夜，电离层延迟影响较小.图4 给出了电离层闪烁存在情况下，中国及周边区域闪烁指数S4的分布UT 2013-03-26 15：36.图5为电离层闪烁发生情况下，APV-II用户的垂直保护门限分布.与图3相比，可以看出：1）中纬地区用户的垂直保护门限没有明显变化.因为电离层闪烁主要发生在低纬地区，对中纬地区用户一般没有影响.因此，BDAS在中纬地区仍可以保持系统可用. 2）在低纬地区闪烁影响区域，存在两个系统APVII服务不可用区域.电离层闪烁影响期间，这两个区域内的用户定位保护门限超限，该区域内BDAS不能实现APV-II应用服务.产生该误差较大区域的原因在于：1）电离层闪烁引起用户接收机测量误差增大.在强电离层闪烁情况下，电离层闪烁可以造成接收机伪距跟踪测量误差增大，进而引起用户定位误差的增大（图2）. 2）电离层闪烁造成用户接收机跟踪卫星失锁.强电离层闪烁（理论上S4＞0.707）可以引起用户接收机的失锁［1］.从图4可以看出，闪烁指数大于0.7的强闪烁区存在，可导致多颗用户空间可视卫星失锁，严重影响定位用DOP值，引起用户定位误差增大.图6 给出了仿真时间段内BDAS APV-II应用服务的可用性分布.可以看出，在我国中纬地区及部分低纬地区，BDAS在电离层闪烁影响下，APVII应用的可用性可以达到95%.在低纬较大区域内，APV-II的可用性低于95%，但存在一条狭长的APV-II可用性较高的区域.这是由于电离层闪烁在电离层异常区（磁赤道南北15°附近区域）影响最为严重，而在磁赤道地区，影响相对较小［13］.低纬地区APV-II可用性较高的狭长区域和不可用区域大致对应于磁赤道地区和北电离层异常区.在东北和西北部分区域，BDAS的APV-II应用可用性较低.这是由于仿真中采用BD系统的真实星历计算空间可视卫星分布，上述两个区域内BD可用卫星的DOP值较大引起定位误差较大.分析并建立了电离层闪烁影响下卫星导航接收机的误差模型.利用电离层闪烁模型，结合接收机模型和卫星导航系统用户定位模型，可以实现电离层闪烁对卫星导航系统定位性能影响的仿真分析，研究评估电离层闪烁对用户定位性能的影响，及受影响的范围分布情况.电离层闪烁造成导航接收机跟踪环路的误差增大，影响接收机的伪距测量精度；电离层闪烁严重时，可以造成接收机的失锁，引起用户定位中DOP的增大.两种因素共同影响用户的定位精度.我国低纬地区的电离层闪烁可以引起用户较大的定位误差，尤其是在太阳活动高年，强电离层闪烁会引起一个区域内用户定位精度的严重降低.仿真分析表明，在受电离层闪烁影响严重的中国低纬地区，北斗及其增强系统性能明显降低，存在区域性的系统完好性、可用性性能降低区域.［1］ EL-ARINI M B，FERNOW J P，HSIAO T，et al.Modeling the Effect of Ionospheric Scintillation on SBAS Availability in the Western Hemisphere ［M］.McLean：The MITRE Corporation，2008.［2］刘钝，甄卫民，冯健，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，2011，36（1）：7-12.LIU Dun，ZHEN Weimin，FENG Jian，et al.Simulation of ionospheric scintillation effects on gnsspositioning performance［J］.GNSS World in China，2011，36（1）：7-12（in Chinese）［3］中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（公开服务信号B1I，1.0版）［S］，2012.［4］ VAN DIERENDONCK A J.GPS Receivers，in Global Positioning Systems：Theory and Applications［M］.Washington D C：AIAA Inc，1996.［5］ HEGARTY C J.Analytical derivation of maximum tolerable in-band interference levels for aviation applications of GNSS［J］.Navigation，1997，44（1）：25-34.［6］ RINO C L.A power law phase screen model for ionospheric scintillation 1.weak scatter［J］.Radio Science，1979，14（6）：1135-1145.［7］ Arinc Research Corporation.ICD-GPS-200，Navaster GPS Segment／Navigation User Interfaces Specification［S］.El Segundo，1993.［8］ RTCA Special Committee 159.Minimum Operational Performance Standards for Airborne Equipment U-sing Global Positioning System／Wide Area Augmentation System，RTCA／DO-229Change 3［S］.Washington D C，1997.［9］ CONKER R S，EL-ARINI M B，HEGARTY C J，et al.Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS／SBAS availability［C］／／ION Annual Meeting，2000，563-576.［10］李跃，邱致和.导航与定位［M］.2版.北京：国防工业出版社，2008. ［11］SCHAER S.Mapping and Predicting the Earth’s I-onosphere Usingthe Global Positioning System［D］.Bern：University of Bern，1999. ［12］ SBAS Ionospheric Working Group.Effects of Ionospheric Scintillations on GNSS：A White Paper［M］.Stanford，2010.刘思慧（1983－），男，广西人，博士，国防科技大学博士后.主要研究方向为卫星导航系统总体设计和应用技术.刘钝（1973－），男，河北人，硕士，中国电子科技集团公司第二十二研究所高级工程师.主要研究方向为电波传播、卫星导航应用技术.。
我国电离层闪烁初步观测结果
第１９卷增刊２００４年１０月电波科学学报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．１９，Ｓｕｐ．Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００４我国电离层闪烁初步观测结果陈丽甄卫民马宝田（中国电波传播研究所青岛分所，ｃｈｅｎｌｉ．ｑｄ＠１６３．ｃｏｒｎｃｒｉｒｐ—ｚｗｍ＠１６３．ｃｏｍ，山东青岛２６６０７１）摘要电离层闪烁观测是研究电离层闪烁现象及其效应的实验基础。
本文中利用自行研制的电离层闪烁监测仪，开展了在我国中低纬地区的闪烁观测，初步的结果表明电离层闪烁在中低纬地区发生频繁，且对ＵＨＦ频段通信卫星的影响十分严重。
关键词电离层闪烁，观更’通信影响１引言２电离层闪烁监测仪的简介电离层闪烁的效应之一是导致信号幅度的衰落，使信道的信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。
这种现象在低纬度地区的夜间尤为频繁，影响也最严重。
我国长江（上海、武汉、重庆）以南的低纬度地区，特别是台湾、福建、广东、广西、海南及南海地区都是电离层闪烁的高发区，对通信的影响也比较严重。
通过对ＵＨＦ频段用户的调研得知，信号在夜间经常出现干扰（特别是在南方地区）甚至出现信号中断的现象。
进行电离层闪烁的观测是研究电离层闪烁现象及其效应的实验基础。
我们利用自行研制的电离层闪烁监测仪，建立了覆盖我国中低纬重点地区的电离层闪烁监测网，开展了电离层闪烁的观测。
电离层闪烁监测仪分为Ｌ频段和ＵＨＦ频段电离层闪烁监测仪，都是由工控计算机、卫星信号采集测量单元、接收天线及运行于主机的监控软件组成，如图１。
Ｌ频段电离层闪烁监测仪监测ＧＰＳ卫星信号，ＵＨＦ频段电离层闪烁监测仪监测某ＵＨＦ频段卫星信号。
卫星信号监测仪以工控机为中心，卫星信号采集板以２０Ｈｚ的频率监测卫星信号强度的变化，并通过串行数据端口将实时测得的信号送至计算机，由实时监测软件求出信号的平均值、增强最大值、衰落最小值及闪烁指数，并完成相关的显示、存贮、回放、闪烁判别等功能。
仪器在使用中无需人工干预，全天候工作，具有全自动功能。
电离层闪烁对全球导航卫星系统_GNSS_的定位影响分析_刘钝
电离层闪烁对全球导航卫星系统(GNSS)的定位影响分析刘 钝,冯 健,邓忠新,甄卫民(中国电波传播研究所,山东青岛266107) 摘 要:电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一,中国南方区域是全球电离层闪烁多发区之一,开展电离层闪烁对卫星导航系统性能的影响研究具有重要意义。
利用中国区域的电离层闪烁数据和GPS测量数据,对电离层闪烁情况下的用户定位性能进行了比较分析,发现电离层闪烁将引起用户定位误差的普遍增大,严重时可能出现定位异常,电离层闪烁对不同的定位应用方式具有不同程度的影响,电离层闪烁对卫星导航系统的多种影响是卫星导航系统的重要威胁之一。
关键词:电离层闪烁;全球导航卫星系统;定位 中图分类号:T P79 文献标志码:A 文章编号:1008-9268(2009)06-0001-080引 言电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一。
电离层闪烁将引起穿越其中的卫星信号的快速起伏,使导航接收机接收信号的信号载噪比快速抖动、信噪比下降,甚至引起卫星信号的中断[1]。
电离层闪烁对卫星导航系统的影响包括接收机码测量精度的降低、载波周跳的有效检测、电离层延迟的精确修正、DOP因子增大等。
上述各种效应之间又是相互影响的。
因此,在对闪烁对卫星导航系统产生上述影响分析的基础上,应进一步针对用户最终的定位结果进行分析。
对卫星定位方法及精度分析进行了简单的介绍;对不同用户定位方法在电离层闪烁情况下的结果进行了比较,并针对电离层闪烁影响的各个方面进行了分析;最后得出一些电离层闪烁影响的结论。
1 电离层闪烁对卫星导航系统影响的分析方法1.1 卫星导航系统定位方法及精度评估卫星导航系统伪距观测方程一般可表示为[2]: PR i=ρj i+b i-B j+I j i+T i+T j gd+M PR+E PR(1)其中,i=1,2,表示不同观测频率;j为卫星编号,表示不同的卫星;P R i为码伪距测量;ρj i为接收机至卫星的几何距离;b i,B j分别表示接收机钟差和卫星钟差;I j i,T i分别表示电离层延迟和对流层延迟;T j gd为卫星的硬件频间偏差;M PR,E PR为多路径误差和观测噪声误差。
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ITU-R P.531-9建议书卫星业务和系统设计中需要的电离层传播数据和预测方法（ITU-R 218/3号研究课题）（1978-1990-1992-1994-1997-1999-2001-2003-2005-2007年）范围ITU-R P.531建议书介绍了一种在0.1至12GHz频率范围内在地对空路径上评价电离层传播效应的方法。
当信号通过电离层时，可能在地对空路径上发生以下效应：- 由于在路径上的地球磁场内电磁波与离子化媒质发生交互作用而导致的极化的旋转（法拉第旋转）；- 由于在路径上积累的总电子含量（TEC）而导致的信号成组延迟；- 由于电离层的小规模不规则结构而导致的幅度和相位的迅速变化（闪烁）；- 由于衍射而导致的到达方向的明显变化；- 由于非线性极化旋转和时延而导致的多普勒效应。
本建议书所述的数据和方法适用于在附件1所述的各有效范围内所进行的卫星系统规划工作。
国际电联无线电通信全会，考虑到a）电离层对至少12 GHz以下频率的传播有显著的影响；b）对3 GHz以下频率的非对地静止卫星轨道业务影响尤为显著；c）已经给出了经验数据和/或提出了建模方法，可用于预测卫星系统规划所需的电离层传播参数；d）电离层作用有可能影响综合业务数字网（ISDN）以及包括空间飞行器在内的其他无线电系统的设计和性能指标；e）已经发现这些数据和方法在传播现象自然变异性范围内可适用于卫星系统规划，建议1附件1中给出的数据和提出的方法在各自适用的范围内适用于规划卫星系统。
附件 11 引言本附件涉及电离层传播对地—空路径的影响。
从系统设计的角度来说，电离层效应可以归为以下几类：a）卫星移动业务（MSS）传输路径上积聚的电子总容量（TEC）渗透电离层可引起MSS载波的极化旋转（法拉第旋转）和信号时延，并且因为折射效应引起到达方向的变化；b）电离层的局部随机性，也就是通常所说的电离层不规则性，将进一步引起超量和随机的旋转以及信号时延，这些只能用随机术语进行描述；c）因为与旋转和时延相关的电子密度与频率的关系是非线性的，并且由于链路在局部不规则的电离层中的显著移入和移出产生的多普勒效应，a）和b）会进一步导致MSS载波的散射和群速度失真；d）此外，电离层的局部不规则性如聚焦或散焦的棱镜也会引起电波的会聚或发散。
这些效应通常被称为闪烁，将引起MSS信号的幅度、相位和到达角的变化。
因为电离层物理特性复杂，上面提到的受电离层效应影响的系统参数不总是能用简单的分析公式简洁地表述。
相关数据将以表格和/或图片的方式表达，并辅以进一步描述或限定性说明，在实际使用中这是最好的表述。
在考虑传播效应对3 GHz以下频率的MSS系统设计的影响时，必须认识到：e）与§f）和h）带来的影响相比，通常认为水汽现象对空—地传播路径的影响较小；f）自然表面或人为障碍物影响和/或在较低仰角情况下带来的近地表面多径效应通常比较严重；g）近地表面多径效应在各个地点的影响是不同的，因此在MSS系统设计中考虑全球范围内传播因素时，该效应不占主导地位；h）在全球范围内进行MSS系统设计时，电离层效应是需要考虑的最重要的传播因素。
2 背景因太阳辐射而产生的地球电离层由几个离子化区域组成。
从实际通信目的出发，电离层区域D、E、F 和电离区域顶端被认为有助于形成卫星和地面终端之间的TEC。
每个区域中的电离介质在空间上不均匀，在时间上也不稳定。
一般而言，电离背景与有序的昼夜、季节和为期11年的太阳活动周期的更替相关，并且强烈依赖于地理位置和地磁活动。
除电离背景之外，总是存在着被称为不规则性的高动态、小规模、非稳定的结构。
电离背景和不规则性都将使无线电波恶化，进一步地还会使得折射率由频率决定，也即介质色散。
3 电离背景引起的主要恶化许多效应，例如折射、散射和群时延，在幅度上和TEC存在直接的比例关系；考虑磁场经度分量对射线路径不同部分的加权后，法拉第旋转和TEC也存在近似的比例关系。
对于TEC的认知使得许多重要的电离层效应能够被定量地评估。
3.1 TECTEC以N T表示，可以用下面的公式求值：⎰= s eTssnN d)(（1）其中：s：传播路径（m）n e：电子密度（el/m3）由于n e随着昼夜、季节和太阳活动周期变化，即使知道精确的传播路径，对N T进行评估也是困难的。
为建立模型，通常提供天顶路径上 1 m2截面面积内的TEC值。
该垂直柱状体的TEC在1016到1018 el/m2的范围内变化，峰值出现在一天中有阳光照射的时段。
为了对TEC进行评估，可以采取基于国际参考电离层（IRI）的步骤，或者采用更为灵活的、基于NeQuick的适用于倾斜角TEC评估的步骤。
所有的步骤将在下面提供。
3.1.1 基于IRI的方法标准的电离层月中值是COSPAR-URSI IRI-95。
在太阳活动为低强度到中等强度的情况下，通过数字方法可能得到选定一系列高度（最高 2 000 km）上任意地点、时间的电子容量值。
当太阳活动在高强度时，从IRI-95得到的电子容量值可能产生问题。
在很多场合，用峰值电子密度乘以300 km的等效层厚度评估电子容量就足够了。
3.1.2 基于NeQuick的方法本模型中给出的电子密度分布以一个连续函数表述，该函数所有的一阶空间导数也是连续的。
它由底部（在F2层峰值以下）和顶层（F2层峰值以上）两部分组成。
F2层的峰值高度由M(3000)F2以及foF2/foE比值计算得到（见ITU-R P.1239建议书）。
底部由代表了E、F1和F2层的不完全爱普斯坦层（semi-Epstein）描述。
顶层也是不完全爱普斯坦层，其高度由厚度参数决定。
NeQuick模型给出了沿任意地—星或卫星—地球路径的电子密度和TEC。
计算机程序和相关数据文件可由（国际电联）无线电通信局得到。
3.1.3模型精度由与无线电通信第3研究组相关的ITU-R 网站给出了用于评估NeQuick 和IRI 模型精度的文件以及超电离层的传播数据库。
3.2 法拉第旋转在电离层中传播时，由于地磁场的存在和等离子介质的各向异性，线极化波的极化平面将逐步旋转。
法拉第旋转的幅度θ，取决于无线电波的频率、磁场强度以及等离子区的电子密度：2141036.2f N B Tav -⨯=θ (2)其中： θ 为旋转角度（rad ）B av 为平均地球磁场 （Wb m -2 或 Teslas ） N T 为总电子含量 （TEC ）（电子 m -2）f 为频率（GHz ）。
θ的典型值如图1所示。
图1法拉第旋转作为TEC 和频率的函数法拉第旋转与频率的平方成反比，与电子密度和沿传播路径的地球磁场强度的乘积成正比。
给定频率上的中值呈现出非常规则的能够预测的每日的、季节性的、太阳活动循环的特性。
因此手动调节地球站天线的极化倾斜角可以对法拉第旋转中这些规则的部分进行补偿。
但是，在小时间范围内，由于地磁场风暴和相对较小范围内电离层骚扰的大规模移动，规则的特性可能发生较大的偏离。
这些偏离是不能提前预测的。
在位于赤道近点角峰值附近地点，强烈而快速波动的VHF 信号的法拉第旋转角度已经和强烈幅度闪烁、快速幅度闪烁分别结合。
线性天线的交叉极化鉴别能力XPD(dB)，与法拉第角度θ相关：XPD=–20 log (tan θ) （3）3.3 群时延电离层中充电粒子的存在减缓了无线电信号在路径上的传播。
超过自由空间传播时间的时间延迟称为群时延，通常以t表示。
对MSS系统，它是必须考虑的重要因素。
它的数量由以下公式计算：t= 1.345 N T/f2⨯ 10–7 （4）其中：t：与真空中传播相比的时延（s）f：传播频率（Hz）N T：由倾斜的传播路径决定。
图2是对应射线路径上几个电子容量情况下，时延t和频率f的相对关系图。
图2不同电子容量时电离层时延和频率的关系当TEC在1016到1019 el/m2区间变化时，在1 600 MHz频带附近信号的群时延在大概0.5 ns到500 ns 区间变化。
图3示出在太阳活动相对较强的时期内，时延超过20 ns的日间小时的年百分比。
图31.6 GHz垂直入射情况下，时延超过20 ns的日间小时年平均百分比等值曲线（太阳黑子=140）3.4 散射当超电离层的信号占用很大的带宽时，传播时延（作为一个与频率相关的函数）将引入色散。
带宽范围内时延的差分与射线路径上电子密度的积分成正比。
当带宽固定时，相关的色散与频率的立方成反比。
因此，在VHF波段涵盖宽带传输的系统必须考虑色散的影响，而在UHF波段有可能需要考虑。
例如，如图4所示，在总的电子容量为5×1017 el/m2的情况下，信号脉冲宽度为1 μs，当频率为200 MHz时，差分时延为0.02 μs，而当频率为600 MHz时，差分时延仅为0.00074 μs（见图4）。
3.5 TEC变化速率在轨卫星观测到的TEC变化速率一部分源至射线路径方向的变化，一部分源至电离层自身的变化。
对于一颗高度22 000 km穿越极光区域的卫星，所观测到的TEC最大变化速率为0.7×1016 el/m2/s。
对导航目的，这样的变化速率对应于0.11 m/s的视在速率。
图4脉冲宽度τ（的信号）单向传播穿越电离层，在低到高的频谱范围内对应的时延差异4 不规则性引起的主要恶化 4.1闪烁对3 GHz 以下超电离层传播路径的信号，最严重的中断之一来自电离层闪烁。
电离密度规模较小的不规则结构引起的闪烁现象，主要机制表现为前向散射和衍射，它使得接收机端信号不再稳定，在幅度、相位和到达方向上产生波动。
闪烁的不同方面对系统性能的影响不同，这取决于系统的调制方式。
最通常使用的表征波动强度的参数是闪烁指数S 4由公式（5）定义：212224⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=I I I S （5）其中I 是信号强度，〈〉表示平均。
散射指数S 4与波动强度峰—峰值相关。
准确的关系取决于强度的分布。
对于大范围内S 4的取值，Nakagami 分布最好地描述了强度分布。
当S 4趋近于1.0，分布趋近于瑞利分布。
偶尔S 4的值可能超过1而达到1.5，这应归于不规则性引起的电波会聚。
当取值小于0.6，S 4显示出与f –υ的稳固关系，在VHF 和UHF 波段的大多数宽频观测中，光谱指数υ的取值为1.5。
当S 4大于0.6，闪烁更强，光谱指数减小，这应归于瑞利衰减受到多次散射的强烈影响而引起闪烁的饱和。
表1依据经验提供了S 4和近似的峰—峰波动值P fluc (dB)方便的转化，这个关系能够近似地表示为：26.145.27S P fluc ⨯= （6）表1闪烁指数的经验性转换表4.2闪烁与地理、春（秋）分和太阳的相关性在地理上有两个强烈的闪烁区域，一个在高纬度区域，另一个在地磁赤道±20°的区域（如图5所示）。