电离层闪烁对GNSS接收机性能影响比较分析
2014-08-22李广,刘钝
李 广,刘 钝
(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)
0 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。我国的北斗区域系统2012年底宣布开始运行。此时,太阳活动将达到新的峰值活动时期,电离层闪烁活动随太阳活动高年的到来而增强。我国南方低纬地区是电离层闪烁的高发区。因此,开展电离层闪烁对北斗系统的影响研究具有重要意义。
闪烁对GNSS系统的影响包括对接收机跟踪环路的影响,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[1-4]。电离层闪烁对卫星导航系统影响的根本在于闪烁对接收机的影响。闪烁引起的接收信号快速衰落或相位的抖动,都将影响接收机的跟踪测量性能,闪烁严重时还会引起接收机的失锁。开展电离层闪烁对GNSS系统的影响研究首先应开展闪烁影响下的GNSS接收机定位性能研究。
为此,利用昆明地区的观测数据,开展了电离层闪烁对北斗接收机和GPS接收机定位性能的影响研究,比较分析了北斗接收机和GPS接收机在不同电离层闪烁影响程度下的定位性能。这是国际上第一次针对北斗系统开展的研究。
电离层闪烁指数是反应闪烁强度的参量,闪烁指数大意味着闪烁强烈。但从接收机定位角度而言,强烈的闪烁活动并不一定对接收机定位性能造成最严重影响[6]。低仰角观测情况下,即使较弱的闪烁影响也可以引起卫星信号的失锁、可用DOP值的增大,造成接收机定位性能的降低。从闪烁强度、闪烁影响的覆盖区域、闪烁的持续时间等多个层面考虑对电离层闪烁影响进行分级,并与闪烁影响下的接收机定位性能进行比较。
本文对上述工作进行了介绍,分析结论可作为国内北斗接收机生产厂商进一步改进的依据,同时，也可以作为对电离层闪烁对GNSS系统影响进行分级的参考依据。
1 监测数据及分析方法
1.1 分析用数据
本文分析用数据说明如下:
观测地点: 昆明；观测时间: 2012年9月19日-29日;观测数据:a)电离层闪烁观测数据;b)GPS测量数据;c)BD测量数据;
其中,电离层闪烁观测数据由中国电波传播研究所研发的GPS电离层闪烁监测设备测量获得[5]。GPS测量数据采用IGS GPS观测数据,BD测量数据为参考站用高精度BD接收机测量数据。
1.2 数据分析方法
利用观测数据,分析不同闪烁强度下北斗接收机与GPS接收机的定位结果,比较分析电离层闪烁对GNSS接收机定位性能的影响。
1)利用电离层闪烁监测设备观测数据分析电离层闪烁影响的时间段,并提取相应时间段的北斗系统和GPS观测数据。
2)对闪烁期间的北斗系统观测数据和GPS观测数据进行定位处理,获得闪烁影响下的接收机定位结果。
3)比较不同电离层闪烁强度下,北斗接收机和GPS接收机的定位性能。
分析中采用伪距定位方法,这是由于闪烁引起的频繁周跳,使得利用载波定位较为困难,且不利于对接收机定位连续性能的比较。分析中采用GIM TEC图进行电离层误差修正。对流层误差采用模型进行修正。
2 数据分析结果
2.1 闪烁事件选择
利用电波观测网闪烁观测数据,选择闪烁发生的时间。图1,图2,图3分别示出了2012年9月25日,23日、28日20:00-24:00(本地时)期间昆明地区GPS可视卫星轨迹。图中,用不同深度表示卫星受闪烁影响的强度,浅色表示闪烁指数S4<0.3,深色表示0.3
图1 电离层闪烁影响下的空间卫星轨迹(2012年9月25日)
图2 电离层闪烁影响下的空间卫星轨迹(2012年9月23日)
图3 电离层闪烁影响下的空间卫星轨迹(2012年9月28日)
2.2 闪烁对GNSS接收机定位性能的影响
分别对闪烁影响下的北斗接收机和GPS接收机定位结果进行分析,并重点对闪烁影响期间(UT:12:00-16:00,LT:20:00-24:00)的数据进行分析。
1)2012年9月25日定位结果
图4示出了2012年9月25日,北斗接收机和GPS接收机的定位结果。可以看出:a)北斗接收机和GPS接收机均可以实现定位功能,且可以达到系统发布的性能要求;b)北斗接收机的定位结果存在个别的“毛刺”,表明该历元受闪烁的影响,定位结果存在跳变。
2)2012年9月23日定位结果
图5示出了2012年9月23日,北斗接收机和GPS接收机的定位结果,可以看出:a)北斗接收机和GPS接收机均可以维持定位功能;b)GPS接收机定位结果中出现多处“毛刺”,表明在该历元定位结果受到闪烁的影响;c)北斗接收机定位结果误差增大,且存在非常多的“毛刺”现象,表明在多个历元受到闪烁的影响。
3)2012年9月28日定位结果
图6示出了2012年9月28日,北斗接收机和GPS接收机的定位结果,可以看出:a)GPS接收机仍可以维持定位能力,但定位误差增大,且在个别历元出现跳变,表明GPS接收机受到的电离层闪烁影响进一步增大;b)北斗接收机在闪烁发生的时间段内(UT:12:00-16:00)失去定位功能。作为比较,图中给出了北斗接收机一天的定位结果。
图4 电离层闪烁影响下的定位结果(2012年9月25日)(a)GPS接收机;(b)北斗接收机
图5 电离层闪烁影响下的定位结果(2012年9月23日)(a)GPS接收机;(b)北斗接收机
2.3 电离层闪烁对GNSS接收机性能影响分析
不同强度电离层闪烁对GNSS接收机具有不同的影响,闪烁强度越高,对接收机性能影响越大。电离层闪烁对GNSS接收机定位性能的影响不仅与闪烁强度有关,还与闪烁影响的空域和持续时间有关。
1)不同强度电离层闪烁对GNSS接收机性能影响分析
通过对昆明站的数据分析表明:
a)2012年09月25日,电离层闪烁对GNSS接收机影响较弱,就闪烁自身而言表现为:闪烁指数较小(S4 < 0.3),多为弱闪烁或无闪烁影响;闪烁分布区域较小。此外,2012年09月19日的数据分析结果与25日类似。
b)2012年09月23日,电离层闪烁对GNSS接收机影响较强,就闪烁自身而言表现为:存在较大闪烁指数(S4> 0.7),但发生的时间较为离散;闪烁分布区域较大。此外,2012年09月26日、27日的数据分析结果与23日类似。
c)2012年09月28日,电离层闪烁对GNSS接收机影响严重,就闪烁自身而言表现为:存在较大闪烁指数(S4> 0.7),且持续时间较长;闪烁分布区域大。2012年09月29日的数据分析结果与28日类似。
图6 电离层闪烁影响下的定位结果(2012年9月28日)a)GPS接收机; b)北斗接收机;
2)电离层闪烁对不同GNSS接收机性能影响分析
通过对不同电离层闪烁影响下北斗接收机和GPS接收机定位性能的比较,可以看出:
a)所采用的GPS参考站型接收机具有较好的抗电离层闪烁影响能力,可以在多颗卫星信号受到较强电离层闪烁影响下,仍可以维持定位能力。
b)所采用的北斗参考站接收机在弱闪烁情况下可以实现定位,且定位性能优于GPS.但在多颗北斗卫星信号受到较强电离层闪烁影响下,定位误差增强,且强闪烁持续时间较长时,接收机失去定位功能。这表明该类型北斗接收机应对电离层闪烁的能力较弱。
3 结束语
电离层闪烁会影响GNSS(北斗系统、GPS)接收机的定位性能。电离层闪烁对接收机定位性能影响的判断应考虑闪烁强度、闪烁持续的时间、闪烁发生的空间分布等因素。其中,闪烁强度表明闪烁对卫星信号跟踪和测量的影响;闪烁分布的空域决定了影响的可用卫星数;闪烁影响持续时间越长,多颗卫星同时受影响、同时失锁的可能性增大,引起定位性能的严重下降。
不同强度的闪烁对GNSS定位结果均有影响,存在较强闪烁影响情况下,GNSS接收机定位误差增大,且存在定位结果的跳变;存在强闪烁,且持续时间较长、影响空间较大时,将严重影响接收机的定位性能,甚至使接收机失去定位功能。
不同接收机抗电离层闪烁的能力不同。对于北斗系统接收机(尤其是参考站用接收机)而言,应考虑进一步增强对电离层闪烁影响的应对能力。
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