电离层闪烁对BDS区域系统定位性能的影响分析

2016-01-12王耀鼎,刘文祥,刘思慧等

全球定位系统 2015年5期

王耀鼎1,刘文祥1,刘思慧2,庞晶1,王飞雪1

(1.国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航定位技术工程研究中心,长沙 410073;

2.北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094)

摘要：当电离层闪烁幅度衰落足够深,持续时间足够长时,用户接收机接收穿过电离层闪烁区域的卫星信号时其码和载波相位跟踪环路会失锁,导致这些卫星不可用,用户定位几何布局发生变化,进而影响定位性能。从GDOP退化、可用性、恶劣函数三个角度详细分析了电离层闪烁对BDS区域系统星座定位性能的影响。结果表明:存在电离层闪烁时,GDOP存在一定程度的退化,电离层闪烁中心点对应的地面位置GDOP退化程度最大,以此为中心向外辐射;可用性会下降,不过程度很小;恶劣函数值与电离层闪烁中心有关,且电离层闪烁中心越靠近目标点,影响越恶劣,当电离层闪烁中心远离目标点时,对定位影响几乎可以忽略。

关键词：电离层闪烁;BDS区域系统;GDOP;可用性;恶劣函数

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.001

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)05-0001-06

收稿日期：2015-06-11

作者简介

Abstract:When the decline of ionospheric scintiliation is deep enough and long enough,the signal will not exist.That will lead to some satellites unavailable and code tracking loop out of lock.For users,the acailable satellite geormetry layout changes,thereby affecting the positioning performance.I use BDS region measured data to analyse the influence of ionospheric scintillation on positioning accuracy from GDOP degradation,availability and poor function.The results show that the presence of ionospheric scintillation,GDOP there is a certain degree of degradation,ionospheric scinitillation largest center ground position corresponding to the degree of degradation GDOP,as the center outward radiation.Availablity will declin,but to a small extent.Bad function calue and ionospheric scintillation center concerned and ionospheric scintillation closer to the center target point,the more severe effects of ionospheric scintillation center when away from the target point,the positioning of the impact is almost negligible.

0引言

地球大气层中电离层的不规则性有时会导致接收信号功率电平的快速衰落,这种现象称为电离层闪烁。当电离层闪烁幅度衰落足够深,持续时间足够长时,从接收机来看所期望的信号是不存在的,这将导致码和载波相位跟踪环路的失锁,故而认为当用户和卫星连线与电离层的穿刺点在电离层闪烁区域时,该卫星不可用[1]。这必然导致相对于用户而言的可用卫星的几何布局发生变化,从而引起GDOP的恶化,严重时可导致该格点无法定位。幸运的是,对于所有可见卫星很少同时出现闪烁。电离层中引起闪烁的不规则性并非普遍存在于每一个可见卫星信号的穿透点上。因此,闪烁往往仅对一颗或最多几颗卫星同时产生影响[1]。

目前学者针对电离层闪烁对区域定位性能影响的分析主要集中在接收机码测量性能、载波周跳检测、电离层延迟修正、精度因子变化等方面[3-4]。部分学者从定位误差的角度对GPS星座下电离层闪烁对定位性能的影响进行了评估[5-7]。随着北斗导航系统的进一步发展,电离层闪烁对北斗星座下区域定位性能的影响需要被重视。但是,电离层闪烁对北斗星座下区域定位性能的影响至今仍未有学者进行系统的分析。论文将利用北斗二号区域星座下接收机的实测数据,从GDOP、可用性、恶劣函数三个角度对电离层闪烁对区域定位性能的影响进行评估。首先简要介绍了电离层闪烁模型,详细的介绍了电离层闪烁对区域定位性能影响的评估方法,通过实测数据分析了电离层闪烁对区域定位性能的影响。

1电离层闪烁模型

为描述电离层闪烁信道的变化,应分析闪烁信号的振幅分布特性,在此基础上建立闪烁模型。通常采用幅度闪烁指数S4表征电离层闪烁的强度,闪烁指数定义为

(1)

式中: S4表征了信号功率变化的归一化方差; S表示信号强度,即接收信号的幅度; E[·]为1min的统计平均。无闪烁现象发生时,S4接近于0;强闪烁现象发生时,S4>0.5;在极少数情况下,S4>1.

资助项目：国家自然科学基金(批准号：61403413)

联系人：王耀鼎E-mail:wangyaodingsdu@126.com

2电离层闪烁对区域定位性能影响的评估方法

电离层闪烁对各个格点定位性能的影响随空间位置变化而变化,所以需要在空间维度上对区域定位性能进行评估;同时,目标点在每个观测时刻可用卫星数不同,不可定位区域随时间变化,因此需要在时间维度上进行评估。

2.1　在空间上对其进行评估

当可用卫星小于或等于3颗时,认为此时不可定位。为了评估电离层闪烁条件下对区域定位性能的影响,对GDOP值退化做了定义。

2.1.1GDOP退化等级划分

GDOP值反映的是可见卫星相对于用户位置的几何布局。在电离层闪烁的条件下,有些卫星可见但不可用,则必然引起卫星相对于用户的几何布局发生变化,本节对GDOP值退化定义为电离层闪烁导致卫星不可用之后用户的GDOP相对于没有电离层闪烁时的GDOP值所增大的情况。即:

(2)

将电离层闪烁情况下的GDOP值的退化情况划分为8个等级,GDOP值退化等级指示值,门限值如表1所示。当GDOP值退化等级为0时,表明电离层闪烁时的GDOP值与没有电离层闪烁的条件下的GDOP值相同,当GDOP值退化等级为7时,表明电离层闪烁条件下的GDOP值大于10,可用卫星数小于或等于3颗,不可定位。

表1　 GDOP值退化等级划分表

2.1.2最大GDOP值退化程度

最大GDOP退化程度是指在总的观测时间段内,全球每个格网点分别各自所达到的最大的GDOP退化等级组成的GDOP值集合,表达式为

(3)

MTHGDOPi=max{THGDOPi,k|∀k∈[1,T]}，

(4)

式中； M为格网点总数； T为观测历元总数； k表示第k个观测历元； i表示第i个格网点； THGDOPi,k表示第i个格网点在第k个观测历元时刻的GDOP退化等级。

2.1.3最小GDOP值退化程度

最小GDOP退化程度是指在总的观测时间段内,全球每个格网点分别取各自出现的最小的GDOP退化等级组成的GDOP值集合。公式为式(5),式中各量的定义与上相同。

(5)

mTHGDOPi=min{THGDOPi,k|∀k∈[1,T]}.

(6)

2.2　在时间上对其进行评估

2.2.1定位可用性

电离层闪烁会使全球定位服务的可用性受到一定影响。定位可用性是指导航系统的定位服务可以使用的时间百分比,认为当可用卫星数小于4颗时或GDOP值大于10时不可定位。

定位可用性由式(7)计算得到,其中T为总观测历元数,PVTk(i)为第k个格网点在第i个观测历元定位服务可用性是否可用的逻辑变量,若可用卫星数大于等于4颗,则PVTk(i)为1,表明定位服务可用,否则为0,表明定位服务不可用。

(7)

2.2.2授时可用性

参考定位可用性定义,可得到授时可用性定义:授时可用性是指导航系统的授时服务可以使用的时间百分比。如观测点的可用卫星数小于1颗,则认为授时服务不可用。授时可用性为

(8)

式中: TIMEk(i)为第k个格网点在第i个观测历元授时服务可用性是否可用的逻辑变量,若可用卫星数大于或等于1颗,则TIMEk(i)为1,表明授时服务可用;若可用卫星数小于1颗,则TIMEk(i)为0,表明授时服务不可用。

可用性等级划分如表2所示。

表2　可用性等级划分表

2.3　区域定位授时影响恶劣函数定义

为评估当电离层闪烁中心发生变化时,对区域定位授时影响的恶劣程度,定义区域定位授时影响恶劣函数为

空间函数:中午12时不同的电离层闪烁中心下不可定位可用区域百分比,该百分比越大,说明影响越恶劣,表达式为

(9)

(10)

时间函数:目标点在不同的电离层闪烁中心下整个观测时段可定位时间百分比,该百分比越小,说明影响越恶劣。表达式为

(11)

(12)

3电离层闪烁对区域定位性能影响的仿真分析

取北斗区域系统下2009年5月1日12时至2009年5月2日12时的星历数据,每1min采样一次,电离层闪烁中心遍历20°S~20°N,各中心点间隔5°,经度取110°E.电离层闪烁范围是中心点经纬度各自加减2.5°.研究范围设定在中国区域,即5°N～55°N,70°E～145°E,相邻经纬度之间相隔1°.认为当GDOP值大于10时不可定位。

北斗星座由5颗MEO卫星,5颗GEO卫星和3颗IGSO卫星组成。

3.1　特定点GDOP值在有无电离层闪烁时变化情况

令电离层闪烁中心为(15°N,110°E),分别取格点(15°N,110°E)(电离层闪烁中心点),(30°N,110°E)(长沙附近),(40°N,115°E)(北京附近)遍历整个时间段,令当可用卫星数小于4颗时,GDOP值取10,当可用卫星数大于等于4颗,算出的GDOP值大于10时,仍令GDOP值取10,图1、图2、图3分别示出了闪烁点、长沙、北京三个地点有无电离层闪烁时GDOP的变化情况,可以发现:有电离层闪烁时GDOP值均有不同程度增大。

图1　闪烁点北斗星座下GDOP值变化情况

图2　长沙北斗星座下GDOP值变化情况

图3　北京北斗星座下GDOP值变化情况

3.2　整个区域GDOP值在有无电离层闪烁时分布情况

令电离层闪烁中心为(15°N,110°E),取时间为中午12时,图4、图5分别示出了有无电离层闪烁时北斗星座条件下的GDOP值分布情况。可以发现,有电离层闪烁时GDOP值变大,在电离层闪烁的中心区域增大情况最为显著,即定位效果最差。

图4　北斗星座无电离层闪烁GDOP分布情况

图5　北斗星座有电离层闪烁GDOP分布情况

令电离层闪烁中心为(15°N,110°E),图6、图7示出的是遍历1小时时间段,得到每个格点上最大最小GDOP值退化情况。

可以发现,在电离层闪烁最恶劣的条件下,北斗星座GDOP值退化情况达到了4以上,同时其退化情况分布以电离层闪烁中心为中心点,向四周辐射,当远离电离层闪烁区域时GDOP值没有发生退化,即有电离层闪烁时对这些区域也不造成影响,从而说明了电离层闪烁影响范围有限。在电离层闪烁影响最小的状态下,GDOP值最大退化情况在1.8附近,同时其退化情况分布以电离层闪烁中心为中心点,向四周辐射。该图说明,即使电离层闪烁影响最小,仍旧存在GDOP值的退化情况,即电离层闪烁会在一定程度上影响定位。

3.3　不同时刻GDOP值退化在区域范围的分布

令电离层闪烁中心为(15°N,110°E),选取120 min和1200 min两个不同时刻,图8、图9示出了有电离层闪烁条件下GDOP退化在区域的分布情况。可以发现,不同时刻GDOP退化的情况不同,但每一时刻下最大的GDOP退化等级均出现在电离层闪烁的中心点附近。

图6　北斗星座MTHGDOP

图7　北斗星座的THGDOP

图8　北斗星座120 min GDOP的退化

图9　北斗星座1200 min GDOP的退化

3.4　 GDOP退化等级的统计图

令电离层闪烁中心为(15°N,110°E),遍历整个时间段,求得每个格点上的最大最小GDOP退化等级,如图10所示。由图可见,北斗星座下,无论最大GDOP退化程度还是最小GDOP退化程度,GDOP退化等级均主要分布在等级0,即没有退化。最大GDOP退化程度下,部分退化等级分布在等级2、3,4,还有极少部分退化等级为6,即大部分区域在最恶劣条件下定位结果仍可接收,不过定位误差会增大;最小GDOP退化程度下,最大的退化等级分布在等级3,且所占比例较小,即只有很少一部分区域有较小程度的退化,大部分区域无退化。

图10　北斗星座GDOP退化等级统计

3.5　有无电离层闪烁时不可定位区域比例随时间变化情况

令电离层闪烁中心为(15°N,110°E),遍历整个时间段,统计不可定位格点数占总格点数的比例,如图11所示。由图可见,在北斗星座下,有部分时刻存在不可定位现象,但比例不大。

图11　北斗星座不可定位区域比例

3.6　区域定位影响恶劣函数仿真

图12、图13表示电离层闪烁中心纬度遍历20°S~20°N,目标点取(15°N,110°E)在两种星座条件下,空间和时间维度上恶劣函数的情况。

在北斗星座下,随着电离层闪烁中心从南向北移动,空间恶劣函数值(即不可定位比例)成阶跃函数增大。从数值上看,函数值较小,在10-2量级,即电离层闪烁中心位置变化对区域定位的影响不大。从时间角度看,当电离层闪烁中心不在目标点时,时间可用比例均为100%,当电离层闪烁中心在目标点处时,时间可用比例下降,说明当电离层闪烁中心在目标点时,对定位的时间可用比例有一定的影响,当不在目标点时,对时间可用比例无影响或影响较小以致于观测不到。