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。
电离层对卫星信号传播及其性能影响的研究
电离层对卫星信号传播及其性能影响的研究电离层对卫星信号传播及其性能影响的研究引言电离层是地球大气层中的重要部分，它由电离气体组成，其中包括了大量的电离的氧分子、氮分子和自由电子。
电离层的存在对卫星信号传播产生了很大的影响，因为电离层可以引起信号传输中的延迟、衰减和散射等问题。
本文旨在研究电离层对卫星信号传播及其性能的影响，以便更好地理解和解决相关问题。
电离层对信号传播的影响1. 电离层对信号传输的延迟电离层中的自由电子会与电磁波相互作用，并引起信号传输的延迟。
电离层中的自由电子密度随着高度和地理位置的改变而变化，这导致了不同频率的信号受到不同程度的延迟。
较高的频率信号受到的延迟更大，因为它们与电离层中的自由电子更强烈地相互作用。
2. 电离层对信号传输的衰减电离层中的电离气体和自由电子会吸收和散射信号，从而导致信号能量的衰减。
当信号通过电离层时，一部分能量会被吸收或散射，这使得传输的信号功率降低。
尤其是在夜晚和黎明时期，由于电离层中的电离气体和自由电子浓度增加，信号的衰减更加明显。
3. 电离层对信号传输的散射电离层中的不均匀性会引起信号传输的散射。
自由电子会根据不同的密度分布和不同的频率产生散射现象。
散射信号会以不同的角度传播，这导致了信号的分散和损失。
此外，电离层的天线效应也会导致信号的散射，进一步增加了信号传输中的不确定性。
电离层对卫星信号传输性能的影响1. 卫星信号的质量受到影响由于电离层的存在，卫星信号传输受到了多种因素的影响，例如信号的延迟、衰减和散射。
这些影响导致了信号质量的下降，包括信噪比的降低、信息丢失和误码率的增加等。
这对卫星通信、导航和遥测等应用产生了很大的影响。
2. 卫星信号的可靠性下降电离层对卫星信号传输的影响不稳定和不可预测，这导致了信号传输的不可靠性。
在极端的情况下，电离层可能会导致无法传输信号或者信号受到严重的干扰。
这对于需要稳定和可靠信号的应用来说，如航空导航、无线电通信和定位服务，造成了严重的挑战。
电离层闪烁对卫星导航系统的影响与监测方法分析
Ｓ ４＝ ０ ． ８
莒１ ０ ｏ
｛ Ｉ ｌ ｌ Ｉ ９ １ ｉ ； 骺 晤
３ Ｏ
３ ２
３ ４
３ ６
３ ８
４ Ｏ
４ ２
４ ４
４ ６
４ ８
５ Ｏ
载 噪 比（ ｄ Ｂ ）
图 １ 不 同 闪烁 强 度 下 的跟 踪 误 差 仿 真
４ ５ — — — — 。— —— — — — — —
＋ ＋
由伪码观测 的误差模型 ：
南
（ ３ ）
两个参数 ： 码延迟 和频率 。 由于发生电离层 闪烁时信号的能
量 较正常情况会发 生相 应的变化， 因此 通过 测量信号的强
度， 并对其数值进行监测， 即可实现电离层闪烁 的监测。
其 中 Ｅ ｐ ｈ ， ａ Ｍ ｕ ． ， 听唧依次为星历、 多路径、 对流层误差。
幅度 闪烁是常用的电离层 闪烁研 究方法 。 常以幅度闪烁
指数 来体现闪烁强度的大小＿ ２ 】 ：
Ｓ ４＝
］ 一 （ Ｅ
ｒ Ｆｆ １ 、
伪距精度随俯仰角变化的趋势如图２ 所示。 其中 指信号强度， ・ ］ 指１ 分钟的期望值。 值一般介于 离层 闪烁时， Ｏ 和Ｉ 之间， 其值 越大闪烁强度越 高。
２ ． ２ 定位解算精度 由最小二乘定位解 算结果：
作者简介： 贺刘 （ １ ９ ８ ５ 一 ） ， 男， 四川眉山。
一
３一
第１ ５ 期 ２ ０ １ ７ 年８ 月
Ｎ０． １５
无 线 互联 科技 ・ 通 信 观 察
ＡｕｇＵ Ｓｔ，２０１ ７
…
…
一
一
Ｓ ４＝ ０ Ｓ ４ ＝ ０６
电离层闪烁对导航接收机定位性能影响评估
电离层闪烁对导航接收机定位性能影响评估摘要：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。
电离层行进式扰动的GPS台网监测研究的开题报告
电离层行进式扰动的GPS台网监测研究的开题报告一、选题背景电离层是大气层中的一层，因为它中的气体分子被太阳辐射引起的电离而得名。
电离层是利用电离作用形成的离子层，这一特殊的气象层在高原地区拥有较高电离层密度，因此对于制导、探测、定位等领域有着非常重要的作用。
然而，电离层中经常会出现扰动，比如行进性扰动（Traveling Ionospheric Disturbance, TID），这样的扰动会对GPS定位等应用带来很大影响。
因此，重要的是要建立一种可靠的方法来研究这种扰动，以帮助更好地理解和预测其影响。
二、选题意义GPS是一项先进的技术，可以在全球范围内提供非常精确的定位、导航和时间服务。
然而，由于电离层的存在，GPS信号的传播时会遇到很多问题，如衰减、多路径传播等等，这些都可能导致GPS定位的不准确性。
电离层扰动对于GPS信号的传播会造成更大的影响。
行进性扰动是一种非常普遍且重要的扰动类型，因为它可以跨越很大的距离，并且在传输过程中会逐渐展宽和递减。
因此，研究和监测行进性扰动对于提高GPS系统性能和可靠性具有重大意义。
三、研究目标本研究主要基于GPS台网监测研究电离层行进性扰动，特别是通过对GPS信号的接收并获得电离层电子密度廓线的方法来探索行进性扰动的特性。
本研究具体目标包括：1. 建立一个可靠的GPS台网，以获取电离层电子密度廓线数据。
2. 开发一种行进性扰动在GPS信号中的识别算法，以在数据中自动识别扰动信号。
3. 研究行进性扰动的时空特性，包括其传播速度、传播方向和传播距离等。
4. 分析行进性扰动对GPS信号的影响，并探索行进性扰动的发生机制。
四、研究方法和技术路线本研究主要的方法和技术路线如下：1. 建立GPS台网在研究中，我们需要建立一个可靠的GPS台网，以收集电离层电子密度廓线数据。
我们会采用市售的GPS接收机，采集GPS信号，在处理数据时，需要进行数据校准和质量控制，从而获得准确的电子密度廓线数据。
电离层对GPS测量的影响
（ ９ ）
（ １ ０ ）
式中 ， Ｃ为真空 中的光速 。而相折射率 可表示为 ： Ｐ ＝１ 一Ｋ ｌ Ｎｅ ｆ 一 ４ － Ｋ ２ Ｎｅ （ Ｈｏ ｃ ｏ ｓ Ｏ ） ｆ 一 。 一 Ｋａ Ｎ ｅ 。 ｆ 一
式中 ： Ｋ】 ＝＿ 一
丌 ￣Ｏ Ｉ Ｔ Ｉ
ｅ Ｋ ＝ ｆｏ
＿ ＿
（ ２ ）
（ Ｅ． ｏ ） Ｐ ：兰 Ｉ Ｎ ｅ ｄ ｓ
￣ ａ
（ ３ ）
Ｊ
（ １ １ ）
ｅ ｏ
＝ 丽 ｅ ４
式（ ２ ） 和式 （ ３ ） 中各符号 的含义 如下 ： Ｎｅ： 电子 密度 ， 即单位体 积 中所含的电子数 ， 常用 电子数／ ｍ ’ 来表示 ； ： 电子 的质量 ， ｍ＝ ９ ． １ ０ ９ ６ Ｘ １ ０ ｋ ｇ ； ｅ： 电子所代 的电荷值 ， ＝ １ ． ６ ０ ２ ２ ×１ ０ 。 Ｃ ； ￡ ０ ： 真空 中的介 电常 数， ￡ 。 ＝ ８ ． ８ ５ ４ ２×１ ０ Ｆ ／ ｍ ； ／ ４ ｏ ： 地磁场 的磁场 强度 ； ０ ： 真 空 中的磁 导
［ 关键词 ］ ＧＰ Ｓ 电 离层延 迟
１ 、 引述
ห้องสมุดไป่ตู้
码群延迟 载波相位 超前
Ｖｐ ｃ ｆ （ Ｈ ） （ ５ ）
电离层 是近地空 间环境 的一个重要组 成部分 ， 处 于离地 面以上约 ６ ０ ｋ ｎ到 １ ｉ ０ ０ ０ ｋ ｍ之 间的大气层 ， 它是 由太 阳高能电磁辐射 、 宇宙线和高 能粒子作用于 中性 高层 大气使 之电离而产生 的， 是 由电子 、 正离子和中 性 分子及原子构成 的等离子体 区域 。 由于 电离层的形成 主要是太 阳辐射和地球 大气层 的相互作用 ， 电 离层 的状 态必然随昼夜 、 季节 以及 太阳活动期等产生周期性变 化 ， 同时 也存 在 由太 阳非周期性 活动而产生 的非周期性 变化 ， 如除 自然环境 因 素 可 引起 电离 层的 规律性 和偶 然 性外 ， 还 可能 有人 为 因素 引起 的扰 动 。在正 常的太阳活动控 制下 的电离层 的时间（ 昼夜 、 季节 、 年周期 ） 和 空 间（ 纬度 、 经度 、 高度 ） 变化 的统计特 征称平 静电离层特性 。地球磁场 尽管 不是 电离层形成 和变化的 主要 因素 ， 但对 电离层 的影 响有时是极 为严 重 的。严 重 的地 磁异 常即磁暴 或太 阳耀斑 的影 响可产 生电离层 暴 。由于 电离层 的地理变化 相 当复杂 ， 迄今仍未 找到很理想 的全球分 布模型 。因此本文 主要对 电离层 的对 Ｇ Ｐ Ｓ 定位 的影 响进行论述 。 电离 层对 Ｇ Ｐ Ｓ 定位 的影响 主要 有码群延 迟 （ 即绝 对测距误 差 ） 、 载 波相位超 前 （ 即相对测距误差 ） 、 多普勒 时延 （ 即距 速误 差 ） 以及信号衰 减（ 即振幅闪烁 ） 。这些影 响都是 由于 电离层折射 引起 的。 ２ 、 电离层折射率 电磁 波在 电离层 中传播 时的相速度 （ 单一频率 的 电磁波 的相位传 播速度 ） Ｖ ｐ 与相折射率 之 间有下列关系 ：
低纬度电离层闪烁对卫星信号及定位精度影响分析
^mmmm2021年第04期(总第220期）低纬度电离层闪烁对卫星信号及定位精度影响分析彭定永，温振威(江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州341000)摘要：分析电离层闪烁对卫星信号及定位精度造成的影响可为提高卫星导航定位性能提供参考。
该研究利用电离层闪 烁数据、GPS卫星导航及观测数据，分析闪烁事件高发日和平静日卫星信号质量、可用卫星数和周跳频率的变化，并评估 电离层闪烁对定位精度的影响。
结果表明：电离层闪烁使卫星信号的振幅和相位无序波动;造成卫星信噪比快速抖动影 响卫星信号质量;使得可用卫星数减少造成信号衰减甚至中断；强闪烁期间随着闪烁强度增大周跳增多且定位精度也随 之降低，最高可降低20%以上。
关键词：电离层闪烁;低纬地区；GPS;卫星信号；定位精度中图分类号:P228 文献标识码:B文章编号:2096-9759( 2021 )04-0066-04Anafysis of t he influence of l ow-latitude ionospheric sdntination on satdlite s^nal and posationing accuracyPeng D ingyong,W en Zhenw ei(School o f Q v il and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University o f S cience and Technology,Ganzhou341000, Jiangxi,China)A b s tra c t:A nalyzing the im pact o f i onospheric scin tilla tio n on satellite signals and positioning accuracy can provide a referencefo r im proving the perform ance o f satellite navigation and positioning.The study uses ionospheric scin tilla tio n data,GPS satellite navigation and observation data to analyze changes in satellite signal quality,the number o f available satellites and cycle slip frequency on days w ith high and quiet scin tilla tio n events,and evalxiate the im pact o f ionospheric scin tilla tio n on positioning accuracy.The results show that:ionospheric scin tilla tio n causes the am plitude and phase o f the satellite signal to fluctuate disorderly;causes the satellite signal-to-noise ratio to jitte r qu ickly and affects the quality o f t he satellite signal;reduces the number o f available satellites and causes signal attenuation or even interruption;during the strong scin tilla tio n period，the scin tilla tio n intensity increases The num ber o f j um ps increases and the positioning accuracy also decreases,w hich can be reduced by more than20%.K eyw ords:ionospheric scin tilla tio n;low-latitude regions;GPS;satellite signals;positioning accuracy〇引言电离层闪烁指无线电波穿过电离层空间时，电波的传播 方向、速度、相位、振幅及偏振状态等均发生变化的现象[1]。
电离层扰动对卫星导航系统的影响研究报告
电离层扰动对卫星导航系统的影响研究报告研究报告摘要：本研究报告旨在探讨电离层扰动对卫星导航系统的影响。
通过对电离层扰动的定义、形成机制以及对卫星导航系统的影响进行深入研究和分析，我们发现电离层扰动对卫星导航系统的性能和精度具有重要影响。
为了减小电离层扰动对卫星导航系统的影响，我们提出了一些应对措施和建议，包括改进导航算法、使用多频信号以及加强电离层监测和预测等。
1. 引言卫星导航系统已经成为现代社会不可或缺的一部分，广泛应用于航空、航海、交通、军事等领域。
然而，电离层扰动作为一种常见的自然现象，对卫星导航系统的性能和精度产生了显著影响。
因此，研究电离层扰动对卫星导航系统的影响具有重要意义。
2. 电离层扰动的定义和形成机制电离层扰动是指电离层中电子密度的非均匀性和时空变化性。
其形成机制主要包括太阳活动、地磁活动以及大气层和电离层相互作用等因素的综合影响。
电离层扰动的主要类型包括电离层闪烁、电离层前沿扰动和电离层波动等。
3. 电离层扰动对卫星导航系统的影响电离层扰动对卫星导航系统的影响主要表现在以下几个方面：3.1 信号传播延迟电离层扰动会导致卫星信号在传播过程中发生散射和折射，从而引起信号传播延迟。
这种延迟会导致导航系统的定位精度下降，尤其是在高纬度地区和夜间。
3.2 信号强度衰减电离层扰动会引起卫星信号的闪烁现象，使信号强度发生剧烈变化。
这种信号强度的衰减会导致导航系统的可用性下降，尤其是在电离层活跃期间。
3.3 定位精度降低电离层扰动会引起卫星信号的多路径效应，即信号在传播过程中经过多条路径到达接收机，导致定位精度降低。
这种影响在城市和山区等复杂环境下尤为显著。
4. 应对措施和建议为了减小电离层扰动对卫星导航系统的影响，我们提出以下一些应对措施和建议：4.1 改进导航算法针对电离层扰动引起的信号传播延迟和多路径效应，可以通过改进导航算法来提高定位精度。
例如，引入电离层延迟模型和多路径补偿算法，以减小电离层扰动对定位精度的影响。
电离层对GPS测量的影响分析
电离层对GPS测量的影响分析摘要：GPS全球定位系统是英文GlobalPositioningSystem (全球定位系统) 的简称，是一个能够为用户提供精密的三维坐标，速度以及时间，且基于人造卫星、面向全世界的全天24小时无线电定位定时系统。
GPS全球定位系统卫星极易受到误差源、各种大气因素等的影响，在信号发射至接收的过程中，导致GPS全球定位系统的测量产生一定程度上的误差，其中电离层是影响GPS测量的重要因素之一。
关键词: GPS; 电离层; 测量1电离层和GPS基本概念1.1电离层基本概念60 千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，这部分区域大致范围在60-1000km 之间，完全电离的大气区域称磁层。
也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。
在太阳系中临近地球的金星、火星也有类似地球的电离层结构，相对较远的土星、天王星和海王星是否有同样的电离层结构，还需进一步观测研究。
电离层的特点是具有大量的自由带电粒子和离子,它们会对通过电离层传播的电磁波信号产生干扰，影响强度。
1.2 GPS全球定位系统在人类科技的历程中，导航一直占据着极其重要的地位。
1957 年10 月，世界第一颗名为Sputnik的人造地球卫星在前苏联成功的研发，从此开启了人类利用卫星开发导航定位系统的新旅程，新篇章。
1973 年12 月，美国国防部批准它的海陆空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统一授时与测距导航系统/全球定位系统(NAVSTAR/GPS全球定位系统),通常简称为全球定位系统(GPS全球定位系统）一个基于人造卫星、面向全世界的全天24小时无线电定位并且定时系统。
GPS全球定位系统有以下的特点:全球地面连续覆盖;;应用极其广泛;国观测站之间无需通视;同定位精度高; 观测时间短、提供三维坐标、操作简便、全天24小时作业.2电离层对GPS测量的影响GPS全球定位系统，在很多领域多发挥着巨大的作用。
电离层闪烁对GNSS的影响
烈 ， 国南 方 区 域 正 处 于 磁 赤 道 异 常 区 的北 峰 区 我 域， 是全球 范 围 内 电离 层 闪烁 出现 最 频 繁 、 响 最 影
严重 的地 区之 一 。因此 ， 开展 电离 层 闪烁 研究 对 我 国卫 星导 航 、 信 系统 的建 设 都具 有重 要意 义 。重 通 点对 电离 层 闪烁对 卫星 导航 系统 的影 响进行 分析 ， 并进 一步 强调 电离 层 闪烁对 我 国低 纬 区 域影 响 的
使 信号 载噪 比快 速抖 动 、 噪 比下 降 ， 至 卫 星信 信 甚 号 的 中断 。图 １ 出 了闪烁 期 间 ， 给 卫星 信号 的典 型 变化 。
信 燎比变化 （Ｒ ８ 海 Ｄ ０ ３－０ １ Ｐ Ｎ ）一 ２ ０ 】 —４
的影 响也 将形 成对 通信 系统 的潜在 影 响 。 电离层 闪烁 效应 在 低 纬 的赤 道 异 常 区最 为 强
离 层修 正模 型进 行 补偿 ， 成 用 户定 位 精 度 降低 。 造 下 面将按 接 收机测 量定 位 的实 现流程 ， 电离层 闪 对 烁 的各 种影 响方式 进行 分析 。
１ １ 电离 层闪烁 对接 收信 号 强度的影 响 ．
系 统 的导 航 、 定位 和授 时功能 。对 于卫 星通 信系 统
星数 减少 等 一 系 列 影 响 ， 最 终 影 响用 户定 位 精 并 度 ； 一方 面 ， 成 闪 烁 的 电离 层 不 均 匀体 将 引 起 另 造 电离层 局域 性 的密度梯 度 变化 ， 这种 变化难 以用 电
统 而言 ， 电离 层 闪烁将 引起地 面 接收机 接 收到 的信
号 出现误 码 和信 号 畸 变 ， 响信 号 的测 量精 度 ， 影 闪 烁 强烈 时会 导致 接收机 跟踪 信号 的失 锁 ， 重影 响 严
利用GPS进行电离层闪烁研究
利用GPS进行电离层闪烁研究3陈 丽,冯 健,甄卫民(中国电波传播研究所,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基础。
介绍了中国电波传播研究所利用GPS进行电离层闪烁研究的设备和监测网,并且给出了一些初步的结果。
关键词:GPS;电离层闪烁;不均匀体中图分类号:P228 文献标识码:A 文章编号:1008-9268(2006)05200092041 引 言由于太阳上剧烈的能量和物质喷发以及一定条件下大气层中出现的非线性不稳定性,电离层电子密度会出现快速、随机的起伏涨落变化,通常将其称为电离层不均匀体。
无线电穿越电离层不均匀体时,能导致接收点的信号的幅度、相位发生快速的起伏变化,将这种现象称为电离层闪烁。
电离层闪烁会导致地面接收到的信号信噪比降低,使信号捕获跟踪困难,从而降低卫星导航系统的定位精度。
电离层闪烁起伏的峰值在1dB到20多个dB范围内,持续时间从几分钟到数个小时。
另外,电离层闪烁还会影响卫星导航系统及其增强系统的安全性和可靠性。
因此,随着卫星导航系统Galileo计划的实施和GPS现代化的进行,使得人们更加关注对电离层闪烁的研究。
GPS的出现为电离层闪烁研究提供了一种新的有效手段。
24颗GPS卫星全天候地在天空运行,并向地面发射双频L波段信号,使得在全球范围内连续监测电离层不规则结构引起的电离层闪烁成为可能。
本文首先简要介绍了中国电波传播研究所研制的电离层闪烁监测设备和闪烁监测网,然后给出了利用监测网实现电离层闪烁研究的方法,最后给出了一些初步的分析结果。
2 电离层闪烁监测2.1 电离层闪烁监测仪中国电波传播研究所成功研制出了L波段GPS卫星信号电离层闪烁监测仪。
该监测仪以工控计算机为中心,卫星信号采集板以20Hz的采样频率可以同时采集12颗GPS卫星的信号强度、方位角和仰角等参数,一般无遮蔽条件下可同时跟踪锁定5至9颗卫星,这些卫星分布在天空的不同方位和不同仰角。
电离层和对流层对GPS测量的影响
流层 、 电离层 。在不同层 处气温随 高程 的变 化不一样 ， 模型 该
是 以测站纬度 、 观测角 度、 观测 高程 、 气象温度 、 水气压作 为变 量 的函数模型 。但在实 际应用中很难获取对流层 中的气象元 素， 在使 用标 准元 素计算时会引入模 型误差 ， 际模 型不 利于 实 快速计算。
技 术 研 发
Ｔ Ｃ－ Ｌ Ｅ ＩＮｏ ０ＧＹ ＡＮ Ａ Ｅ Ｉ Ｄ ＭＩＲＫ Ｔ
Ｖｏ． ９ ． ，０１ １１ Ｎｏ ５ ２ ２
电离层 和 对 流层 对 ＧＰ 测 量 的影 响 Ｓ
陈晓才
（ 西第 四地质 队 ， 西 南 宁 广 广
摘
５０ ３ ） ３ ０ １
要： 文章 介 绍 了 电 离层 和 对 流 层 对Ｇ Ｓ 量 产 生 的 影 响 ， 其 产 生 的影 响 原 因进行 了分 析 ， Ｐ测 对 阐述 了相 关解 决措 施 ， 并
２２ 如 何 减 弱 对 流层 对 ＧＰ 测 量 的 影 响 ． Ｓ
电离层对Ｇ Ｓ Ｐ 测量 的影响主要 有以下几种 ： １ ） 信号调制 的码群延 ， 一般会产生绝对 的测距误差 ； ２载波相位不 一致 ， ） 产生相对 的测距误 差 ， 电波穿过 电离
层， 载波相位 的传播 比在 自由空 间要提前 ； ３ １多普勒频移 ，Ｅ 的变化率 以及不规则性都能造成距速 ＴＣ
２使用双频接 收机 ， 观测 的数据为 双频观测值 ， 可以 ） 若 则
信号是 电磁波 ， 因此 ， Ｐ 信号通过 电离层 时 ， 当Ｇ Ｓ 因受到带 电介
子的非线性散射的影响 ， 信号的传播路径会产生弯 曲 ， 由于 且
带 电粒子的作用 ， 传播速 度也会发生变化 ， 得光 速乘 以信号 使 传播时间就不会等于卫星到接收机的实际距离 。 电离层延迟对
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
李广博;朱海;史文森
【期刊名称】《舰船电子工程》
【年(卷),期】2012(032)012
【摘要】文章介绍了电离层闪烁的基本特点和可以表征电离层闪烁中幅度闪烁强度的S4指数。
通过建立带有电离层闪烁信息的GPS接收机接收信号模型,得到了不同强度的幅度闪烁与GPS接收机捕获信号时漏警率的关系。
通过仿真分析得到,较大强度的电离层闪烁会严重影响GPS接收机的捕获性能。
【总页数】3页(P55-56,115)
【作者】李广博;朱海;史文森
【作者单位】海军潜艇学院,青岛266042;海军潜艇学院,青岛266042;海军潜艇学院,青岛266042
【正文语种】中文
【中图分类】TP79
【相关文献】
1.电离层闪烁对导航接收机性能的影响 [J], 刘思慧
2.电离层闪烁对GPS接收机跟踪环路的影响 [J], 李广博;朱海;史文森
3.电离层闪烁对GPS系统定位性能的影响研究 [J], 刘钝;冯健;邓忠新;甄卫民
4.电离层闪烁对GNSS接收机性能影响比较分析 [J], 李广;刘钝
5.强电离层闪烁对GPS软件接收机的影响分析 [J], 祝雪芬;陈熙源;陈建锋
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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,