电离层闪烁对GPS系统定位性能的影响研究
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
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.。
GPS定位中电离层折射的影响与消除
射率 ,故有 np = n,于是得 :
dnp df
=
8
015
6
Ne f3
(3 )
假设单一频率正 弦波 的相 位传播速度为相速 vp ,群波的
传播速度为群速 vg ,则有 :
vg
= vp
-
λ
9vp 9λ
(4 )
式中 :λ为 通过 大气层的电磁波的波长 。
若取通过大气层 的电 磁波 频率为 f,则相应的折射率为 :
在 GPS定位测量中 ,电离层折射误差是制约 GPS单频接 收机定位不能 超过 20 km的主 要因素 。从天顶 到地平 ,电离 层引起的测距误差 ,可从 5 m到 150 m。不过 ,电离 层是一种 散射性介质 ,其折射系 数与电磁波 的频率有一 定的关 系 。所 以 ,拥有双频接收机的用户可以 利用电离层的这一特点 ,在观 测结果中可以直接加入电离层改正项 。电离层的一个特性就 是瞬息万变 。在一天之 中变化可 能相差一 个数量级 ,且很难 模拟 。所以 ,电离层折射误差是 GPS定位的主要误差源 。
19 4
四川建筑 第 2 8 卷 4 期 20 08 108
· 施 工 技 术与 测 量 技 术 ·
ng
=1
+
40128
Ne f2
(6 )
Hale Waihona Puke 比较式 ( 2)和式 ( 6)可知 ,在电离层中 ,相 折射 率与群折射
率是不同的 。因此 ,在 GPS定位中 ,对于码相位测量和载波相位
测量的修正量 ,应分别采用群折射率 ng和相折射率 np 计算 。
1 电离层的主要特征
电离层 是指地 球上 空 50 ～1000 km 之 间的 大气 层 。由 于太阳光中的紫 外线 、X射线 和高 能粒子 的强 烈辐 射 ,大气 分子被电离成自由的电子 和正 负离 子 ,形 成从宏观 上仍是中 性的等离子体区 域 ,称为电离层 。当电磁 波信号穿 过电离层 时 ,信号的传输路径会发生弯曲 (但对测距的 影响很小 ,一般 可不顾及 ) ,传播速度 会 发生 变化 (其中 自 由电 子起 主 要作 用 ) 。所以 信号 的传播时间乘上真空中的光速得到 的距离就 不等于卫星到接 收机 的几 何距离 。
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。
大气电离层对GPS测量影响的探讨
大气电离层对GPS测量影响的探讨作者：相祥相虎张显如来源：《科技资讯》 2012年第2期相祥1 相虎1 张显如2(1.江苏苏州地质工程勘察院江苏苏州 215129; 2.苏州荣帆建设工程有限公司江苏昆山 215300)摘要:本文从GPS测量误差来源出发,详细的分析了大气电离层的结构、电离层的折射延迟数学表示方式以及延迟对GPS测量的具体影响。
最后,本文深入探讨了格网模型修正电离层延迟的方法,提出了站际分区新型格网模型值的具体确定方法,并通过实际试验得到数据证明了该方法的优越性。
关键词:电离层 GPS测量格网模型中图分类号:P288.4 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)01(b)-0006-03随着科学技术的快速发展,GPS技术应用的日益广泛,尤其是在测量领域,人们对GPS误差精度要求越来越高,因此GPS误差源的研究成为了热点课题之一。
其中大气电离层的折射延迟就是造成GPS测量的主要误差之一,对电离层影响GPS测量的因素进行深入探讨,从而建立电离层的修正模型是提高GPS测量精度的重要途径。
1 电离层延迟及其对GPS测量的影响1.1 电离层的概述电离层是大气层的一部分,它离地球表面的高度在60km～1000km之间。
电离层的形成来源于大气分子和原子在太阳的紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离,产生自由电子和正负离子,从而形成的从宏观上说仍然是中性的等离子体区域。
电离层电离的强度由大气中电子密度反映出来,电子密度随着高度的变化而变化,这种变化主要取决于太阳辐射的能量强度以及大气的密度。
按照电子密度峰值区域的高度,整个电离层又可相应地分为四个层,由低向高分别称为D层、E层、F1层、F2层。
各层之间没有明显的分界线,也没有非电离的空气间隔,每一区域都有电子密度的最大值,整个电离层的电子密度最大区域在F2层。
F2层以上的电子密度随高度的增加而缓慢地减小。
正是因为电离层中含有大量的电子,使得电离层对GPS的电磁波的传播产生色散。
卫星导航增强中的电离层扰动影响研究——基于系统可靠性工程的视角
卫星导航增强中的电离层扰动影响研究——基于系统可靠性工程的视角随着卫星导航技术的不断发展，人们对导航定位精度的要求越来越高，但是电离层等自然环境因素的不稳定性给卫星导航系统带来了很大的影响。
因此，电离层扰动的影响研究成为了一个重要的研究方向。
本文从系统可靠性工程的角度，探讨电离层扰动对卫星导航系统可靠性的影响，提出相应的解决方案。
一、电离层扰动对卫星导航系统的影响电离层是地球大气的一层，位于地球表面上空约60公里至1000公里之间。
它由大量气体分子和离子构成，这些分子和离子因受到太阳辐射的影响而发生电离，形成了一定密度的电子和离子云层。
电离层中的离子云的分布和密度变化会导致对导航信号传输的扰动影响，从而影响卫星导航系统的性能。
主要表现为以下几个方面：1. 延迟误差电离层内的离子云会对导航信号的传输速度和路径产生影响，从而导致信号传输的延迟误差，导致定位精度损失。
2. 信号失真电离层扰动还会导致导航信号的失真，信噪比下降。
在极端情况下，导航信号可能会丧失传输能力。
3. 多次路径干扰电离层中的信号在传播过程中，会发生折射、反射等现象，导致信号的多次路径干扰。
这种干扰会导致误差累增，从而影响导航定位精度。
二、卫星导航系统可靠性工程的应用要解决电离层扰动的影响，需要从可靠性工程的角度入手，对卫星导航系统进行分析和改进，提高系统的可靠性。
1. 仿真模拟通过仿真模拟技术，对电离层扰动的影响进行定量分析，可评估系统的可靠性，为改进和优化卫星导航系统提供依据。
2. 优化算法针对电离层扰动对导航定位精度的影响，可研究改进和优化导航算法，降低电离层扰动的影响。
例如，可以增加多普勒滤波器的数量，采用较高的采样率等手段，减少误差传播。
3. 组合多传感器技术可以通过组合多传感器技术，例如加入惯性导航或其他传感器信号，以增加卫星导航系统的稳定性和抗扰性能。
例如，使用集成惯性测量单元（IMU）作为辅助传感器，对信号进行补偿。
电离层闪烁对GPS接收机捕获性能的影响
电离层闪烁对GPS接收机捕获性能的影响I. 引言- GPS接收机在定位导航中有重要应用- 电离层闪烁是电离层扰动的一种形式- 本文探讨电离层闪烁对GPS接收机捕获性能的影响II. 电离层闪烁现象- 电离层结构与特性概述- 电离层闪烁的产生机制- 电离层闪烁的特征指标III. GPS接收机捕获性能- GPS信号接收原理- GPS接收机捕获信号的过程- GPS接收机捕获性能的指标及影响因素IV. 电离层闪烁对GPS接收机捕获性能的影响- 电离层闪烁对接收机前端灵敏度的影响- 电离层闪烁对接收机捕获时间的影响- 电离层闪烁对GPS星座跟踪的影响V. 应对措施与未来研究方向- 电离层监测技术及数据处理方法- 电离层闪烁情况的预测与预警- GPS接收机抗干扰技术的研究与应用VI. 结论- 电离层闪烁对GPS接收机捕获性能具有显著影响- 应对措施可提高GPS定位导航的可靠性和精度- 未来需要进一步深入研究电离层闪烁的影响和应对措施。
I.引言全球定位系统（GPS）是一种基于卫星导航的应用系统，对各种领域具有广泛的应用，如航空航天、交通运输、地球科学和军事安全等。
GPS技术通过接收卫星发射的信号，利用信号传输时间差计算出接收机与卫星的距离，进而实现接收机的位置、速度和时间的精确测量。
然而，GPS信号穿过大气层时会受到大气中电离层的影响，从而导致信号失真、衰减甚至中断。
而电离层闪烁是电离层扰动的一种形式，可以造成GPS信号的时频特性的波动和削弱，使GPS定位精度受到影响。
因此，研究电离层闪烁对GPS接收机捕获性能的影响成为GPS技术研究领域中的一个重要课题。
本文将从电离层闪烁现象、GPS接收机捕获性能和电离层闪烁对GPS接收机捕获性能的影响三个方面对该问题进行阐述和探讨。
II. 电离层闪烁现象电离层是位于地球大气层上部区域的一层电离气体，其高度范围在60千米到1,000千米之间，主要成分是氧气和氮气，也含有一定的稀有气体和水蒸气等。
北斗导航信号电离层闪烁模拟及其影响
北斗导航信号电离层闪烁模拟及其影响孙鹏跃;黄仰博;唐小妹;孙广富【摘要】Due to its accidental,sudden and regional characteristics,the simulation of GNSS navigation signals under ionospheric scintillation is difficult to be implemented accurately.The ionospheric scintillation time-series generation method based on Gamma distribution and zero-mean Gaussian distribution was proposed.With the NSS8000,a multi-system navigation signal simulator developed by our department,the hardware architecture of BeiDou navigation signal simulation under ionospheric scintillation was given.Then based on this,by intermediate frequency signal sampling and software receiver processing,the impact of ionospheric scintillation on BeiDou receiver tracking loops was analyzed.The results indicate that the code tracking error can reach 0. 05 chips when the phase scintillation index is 0 and amplitude scintillation index is 0. 9,while the carrier tracking error can reach 15 degrees when the amplitude scintillation index is 0 and the phase scintillation index is only 0. 5,which the carrier tracking loops is almost loss of lock.%电离层闪烁具有突发性、偶发性和区域性，且难以建模准确刻画。
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2 电离层闪烁影响的分析方法
2. 1 卫星导航系统定位精度的评估方法 卫星导航系统定 位精度一般可用以下公式表
第4期 示
[ 10]
刘
钝等: 电离层闪烁对 GPS 系统定位性能的影响研究
703
m X = DOP ! 式中 : m X 为定位误差 ;
0
0
( 1)
的数据 , 上述时间段对应于电离层闪烁的一般发生 时间( 上述时间对应于本地时间 18 ∀ 00~ 24 ∀ 00) 。
为伪距误差 ; DOP 为精
度因子。 进一步的, 采用文献 [ 11] 中的方法 , 伪距误差包 含有接收机测量噪声误差及多径影响 迟误差 等项 , 即
2 0 Ion R
3 电离层闪烁影响的实验结果分析
3. 1 电离层闪烁对接收机信号跟踪的影响 图 1( a) 给出了电离层闪烁期间 ( 2003 年 10 月 14 日 ) , 发生闪烁的卫星 ( P RN 8) 信号载噪比的典 型变化。图 1( b) 中进一步给出了利用 PRN 8 卫星 信号测量获得的电离层闪烁指数 ( S4) 的变化 , 及该 卫星的仰角变化( 图 1( c) ) 。 从图 1( a) 可以看出, 电离层闪烁使得接收的卫 星 信号载噪 比下降 , 从典型 的 50dB/ H z 下降到 40
1
甄卫民
1
( 1. 中国电波传播研究所青岛研 发中心 , 山东 青岛 266107; 2. 西安电子科技大学 , 陕西 西安 710071)
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 。利用中国区域 的电离层闪烁数据和 GPS 测量数据, 从接收机码伪距测量性能 、 载波周跳检测 、 电离 层延迟修正、 精度因子变化等方面对卫星导航系统受到的电离层闪烁影响进行了分 析研究, 并对电离层闪烁情况下的用户定位性能进行了比较研究, 结果表明 : 电离层 闪烁一般情况下会引起用户定位误差的增大, 严重时用户失去定位能力 。电离层闪 烁对用户定位的影响表现在多个方面 , 难以通过简单的模型进行修正。 因此 , 电离层 闪烁是影响 GPS 系统性能的重要因素之一 。 关键词 电离层闪烁; 全球导航卫星系统; 定位精度 中图分类号 P352, P 228. 4 文献标志码 A
第 25 卷
2010 年 8 月
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第4期
CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE
电
波
科
学
学
报
Vol. 25, No. 4
A ugust , 2010
文章编号
1005 0388( 2010) 04 0702 09
电离层闪烁对 GPS 系统定位性能的影响研究
刘 钝
1
冯
健
1, 2
邓忠新
1. 引
言
我国从本世纪初左右开始利用 GPS 进行电离 层闪烁的研究。目前 , 我国已开展的电离层闪烁相 关研究主要集中在闪烁的监测预报
[ 8 9] [ 4 7]
电离层闪烁将导致穿越电离层的无线电信号快 速起伏, 严重时会引起信号的中断 , 因此是影响各种 地空无线电系统性能的重要因素。电离层闪烁效应 在低纬的赤道异常区最为强烈 , 我国南方区域正处 于磁赤道异常区的北峰区域, 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。 随着 GP S 应用发展的日益广泛, 对 GP S 易受 影响的研究也得到重视, 电离层闪烁对卫星导航系 统的影响成为一个 研究的重点。美国由于建 设有 GP S 以及 WAAS 系统, 因此 , 较早地电离层闪烁对 卫星导航系统的影响研究, 研究范围包括赤道区域 和极区的电离层闪烁影响。加拿大由于地处高纬 , 重点 开 展了 极 区 电离 层 闪烁 的 影 响研 究。随 着 EGNOS 系统 和 GAL ILEO 系统的建设, 欧洲 也开 展有电离层闪烁对卫星导航系统影响的研究。这些 研究主要包括两个方向的工作 : 一是开展电离层闪 烁监测及预报技术 研究, 如美 国的 C/ NOFS ( 通信 导航中断预报系统) 相关研究 , 我国台湾和美国联合 开展的 COSM IC 计划等。电离层闪烁研究 的另一 个重点是闪烁对卫星导航系统的影响研究, 包括闪 烁对接收机性能的影响, 以及闪烁对系统精度、 可用 性等性能的影响 [ 1 3] 。
1
值得注意的是 PRN 8 号星的数据。为此, 在图 2 给出了电离层闪烁发生情况下, PRN 8 号卫星信 号获得的 P I 序列, 以及通过 抬升 ( L eveling ) 获得 的 L I 序列 [ 12] 。从图 2 可以看出 , 卫星信号发生了 中断 ( 从图 1 中 PRN 8 号卫星仰角输出为 0 也可以 验证这一点 ) , 造成利用该卫星信号获得的 P I 与 L I 变化不再一致, 因此造成了误差较大的均方值。
表 1 给出 了无 电离 层闪烁 ( 2003 年 10 月 13 日) 与存在电离层 闪烁 ( 2003 年 10 月 14 日 ) 情 况 下, GPS 码伪距测量精度的比较。从表 1 中可以看 出, 存在电离层闪烁情况下 , GP S 接收机码伪距的 测量误差普遍增大。
表 1 电离层闪 烁对码测量精度的影响 卫星号 P RN 4 P RN 7 P RN 8 PR N 10 PR N 11 PR N 20 PR N 24 PR N 27 PR N 28 PR N 31 测量误差 / m ( 2003 10 13) 0. 16 0. 18 0. 15 0. 14 0. 10 0. 14 0. 15 0. 11 0. 19 0. 11 测量误差 / m ( 2003 10 14) 0. 23 0. 25 1476223. 34 0. 14 0. 14 0. 17 0. 17 0. 44 0. 22 0. 13
, 电离层延
S
, 对流层延迟误差 =
2 R
T rop
, 卫星星历误差
2 S
+
2 Ion
+
2 T rop
+
( 2)
拟通过上述卫星导航系统定位精度模型, 分析 电离层闪烁对卫星导航系统定位性能的可能影响。 2. 2 电离层闪烁影响分析方法 电离层闪烁将引起穿越其中的无线电信号的快 速起伏, 表现在卫星导航接收机接收的信号上 , 为信 号载噪比的快速抖动、 载噪比下降 , 甚至卫星信号的 中断。 闪烁引起的接收机跟踪性能降低是影响系统定 位性能的重要因素, 结合定位精度模型可以看出: 接 收机载噪比的降低 , 将引起接收机伪距测量精度的 降低 , 从而引起定位精度的下降; 卫星的失锁将引起 测站可视空间 卫星星座的变化, 引起 DOP 因子的 增大 , 降低定位精度; 同时, 电离层闪烁的发生伴随 着电子密度的变化 , 引起卫星信号传播路径上电离 层延迟的变化, 进而影响定位精度。 下述章节中, 将进一步利用电离层闪烁期间的 GP S 测量数据 , 从上述几个方面 , 对电离层闪烁对 卫星导航系统的定位性能影响进行分析, 并在定位 域对电离层闪烁对用户定位性能的影响进行分析。 2. 3 观测数据的选取 观测数据利用我国电离层闪烁观测网 [ 8] , 以及
收稿日期 : 2009 10 25 联系人 : 刘钝 E mail: Dun. L @ 163. com
, 以及区域特
性统计研究等方面 , 但在闪烁对卫星导航系统性 能的影响研究上 , 目前还没有深入的工作开展。我 国正在建设自主的 北斗 卫星导航系统 , 而我国南 方区域是世界范围内的电离层闪烁高发区 , 因此 , 利 用我国低纬区域电离层闪烁期间的 GPS 测量数据, 对电离层闪烁对卫星导航系统定位性能的影响进行 分析, 具有重要意义。 与已有工作 不同的是 , 我们不仅从最终的用 户定位结果受闪烁的影响进行分析, 还进一步从用 户定位实现过程的主要环节出发, 对闪烁的影响进 行深入分析。文中第二章对采用的分析方法进行简 单的介绍; 在第三章, 针对电离层闪烁影响的各个方 面进行分析 , 包括接收机信号的跟踪性能、 伪距测量 精度、 载波周跳检测能力、 电离层误差修正、 DOP 的 影响, 以及电离层闪烁影响下的用户最终定位结果 等方面 ; 最后得出一些电离层闪烁影响的结论。
3. 3 电离层闪烁对载波周跳检测的影响 在伪距测量精度的分析中我们发现, 和前一天 ( 2003 年 10 月 13 日 ) 观测时间段比较 , 闪烁发生期 间 ( 2003 年 10 月 14 日 ) , PRN 27 号卫星的观测时 间段变短 , 为此, 对 PRN 27 号星的仰角变化进行了 分析。通过图 3( a) 中 PRN 27 号卫星仰角变化可以 看出, P RN 27 号卫星的观测并未在 11 ∀ 30 左右时 发生中断, 而是一直持续到 13 ∀ 50 左右。考虑到伪 距精度分析中给出 P I 与 L I 时, 进行了周跳检测 , 因 此 , 对 PRN 27 号卫星的观测值不做周跳检测而直 接画出 P I 与 L I 的变化曲线 , 如图 3( b) 所示。 按文献 [ 13] 的方法, 进一步对 PRN 27 号卫星 的载波周跳进行了分析。载波周跳检测中 , 对 P I 进 行多项式拟合 , 获得电离 层延迟变化序 列 Q ( 图 3 ( c) ) , Q 序列与 L I 序列按以下关系进行载波周跳的 检测[ 13] 。 ( L Ii - Q i ) - ( L Ii- 1 - Qi - 1 ) > K 周 ( L Ii + 1 - Q i+ 1 ) - ( L Ii - Qi ) < 1 周 ( 6)
b1 -
2 2
b
( 3)
式中 : P 1 , P 2 , L 1 , L 2 , 1 , 2 , b 1 , b2 分别为 GPS 两个 频率上的码伪距 , 载波伪距( 以米为单位 ) , 载波波长 及相应的整周模糊度 ; I 为电离层延迟。 由式 ( 3) 可知,