电离层闪烁对GPS系统定位性能的影响研究

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甄卫民
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( 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
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
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。
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科
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dB/ H z 甚至更低 , 信号衰落幅度可达 13~ 20 dB, 严 重情况下还可以发生卫星信号跟踪的中断 ( 载噪比 降为 0, 相应的卫星仰角输出为 0) 。 此外, 发 生闪烁的 P RN 4, P RN 20, P RN 27, PRN 28 号卫星, 其信号载噪比也有类似变化。 3. 2 电离层闪烁对伪距测量精度的影响 为了分析电离层闪烁引起的信号衰落对接收机 码伪距测量精度的影响, 采用以下的分析方法。 对于双频 GPS 接收机而言 , 可以利用双频测量 的码伪距和载波相位获得绝对电离层延迟 P I 和相 对电离层延迟 L I [ 12] 。 PI = P2 + P1 = I L I = L 1 - L2 = I +
[ 1 3]
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
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刘
钝等: 电离层闪烁对 GPS 系统定位性能的影响研究
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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) 。
第 25 卷
2010 年 8 月
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
I
2 P 2 L 2 L
I
( 4) , 分别为 P I 和 L I 的测量误差 ;
2Βιβλιοθήκη BaiduP
图 2 电离层 闪烁期间 GPS 卫星信号获得的 P I ( 直线 ) 和 L I( 点线 )
I
式中:
,
,
2 L
分别为码伪距和载波伪距的测量误差 ( 假定 GPS 两 个频率上的测量误差相等 ) 。由于载波测量具有很 高精度, 因此, 利用连续的一段观测获取 P I 序列与 L I 序列, 并利用下述公式获得的误差序列的均方值 作为码伪距测量精度的一种估计。 err = P I - L I ( 5)
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)
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。
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] 。
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
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,
2 P 2 L
I
= 2 = 2
2 P
地壳 形 变 监 测 网 中 位 于 低 纬 地 区 的 H AIK 和 QION 站 GPS 观测数据。其中, H AIK 站的观测数 据为 GPS 单频数据 , 采样频率 20 H z, 主要 用于电 离层闪烁发生与否的判断; QION 站为 GPS 双频测 量数据, 采用频率为 30s/ 次 , 主要用于电离 层闪烁 对定位性能的影响分析。上述两站的选取是考虑到 H AIK 站与 QION 站的距离较近, 可以利用 H A IK 站的电离层闪烁数据分析判断 QION 站观 测到的 GP S 卫星信号发生闪烁的情况 , 并利用 QION 站的 双频测量数据进行定位性能的影响分析。 测量数据的时间段分别选择包括无电离层闪烁 时( 2003 年 10 月 13 日 ) 和有电离层闪烁时 ( 2003 年 10 月 14 日 ) 两种情况。为了重点分析闪 烁的影 响, QION 站数据截取了 10 ∀ 00~ 16 ∀ 00( UT ) 段