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

刘钝，李锐

(1.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107；2.北京航空航天大学,北京 100083)

0 引言

导航应用的特殊性对无线电导航系统提出多种要求，包括系统精度、可用性、可靠性、完好性、覆盖范围，系统容量等[1].全球卫星导航系统(GNSS)的出现不仅促进了无线电导航系统的发展，更重要的是，GNSS 的广泛应用与深入发展使得对导航系统的性能要求有了新的解释和内容.随着上世纪90年代以广域增强系统(WAAS)和局域增强系统(LAAS)为代表的GNSS 增强系统的出现与发展，精度、完好性、连续性和可用性已成为GNSS 增强系统，乃至GNSS 自身发展的重要技术要求[1-4].随着GNSS 增强系统性能要求的发展，相应的增强系统设计开发技术也不断被提出并持续完善和发展.

电离层环境是影响GNSS 及其增强系统的重要空间环境因素[3-5].在多种无线电系统应用中，电离层环境影响主要是以折射误差的形式出现，系统中的相关应用技术主要是电离层折射误差修正.随着应用的发展，一些系统(如SAR 成像、电子对抗等)对电离层环境研究提出了新的要求，但没有哪个系统像GNSS 一样对电离层环境影响及应对技术提出多方面的甚至是全新的要求.单纯地站在折射误差修正角度考虑问题，已远远不能满足GNSS 及其增强系统应用的要求.必须要根据GNSS 应用的需求，深入分析GNSS 增强系统或技术实现的内在要求，结合电离层环境技术特点，建立针对性的GNSS 增强系统电离层影响应对实现技术.

建立GNSS 及其增强系统中的电离层影响应对技术对我国北斗卫星导航系统(BDS)的发展具有重要意义.一是因为中国区域电离层环境与北美及欧洲地区电离层环境迥异，尤其是在严重影响GNSS 增强系统的不同电离层扰动环境因素上，很难有相应的成熟技术直接使用；二是国外GNSS 增强系统现有技术标准是否适合中国区域电离层环境特征，也需要进一步分析验证，必要时需提出针对性改进措施和建议.此外，BDS 具有自身应用特点，中国区域BDS 增强系统的建设和应用要求建立适合中国区域特征的电离层环境影响应对实现技术.

GNSS 增强系统的发展，尤其是系统完好性技术实现对电离层环境影响应对技术提出新的要求.建立模型对电离层误差进行修正的方法已不能满足系统完好性实现的要求，必须考虑根据系统完好性的实现需求建立相应的电离层影响研究方法.考虑到系统完好性研究方法借鉴系统可靠性工程研究方法，因此，本文结合系统可靠性工程中一些主要概念、方法，对GNSS 完好性相关的电离层环境影响研究方法进行分析，指出现有技术在中国区域增强系统或技术实现中存在的不适用性，希望能为GNSS 电离层环境应用技术研究提供一种新的视角.

需要说明的是，随着技术不断发展和逐渐成熟，高精度定位也正在成为一种新的GNSS 性能“增强”服务应用.高精度定位中，强调对各种误差源的有效消除(如对于电离层误差可采用双频测量有效消除)，提高定位的精度性能，因此侧重于面向定位应用.而系统建设中关注的GNSS 增强，强调的是在满足用户定位精度要求下，如何保证系统性能的可靠性实现，更侧重导航应用.因此，本文提出的利用系统可靠性工程观点研究电离层环境影响，更侧重于后一种概念上的GNSS 增强系统或技术实现.

1 卫星导航增强系统需求

卫星导航应用涉及生命安全，因此要求GNSS 必须提供连续的高品质服务.卫星导航系统用于航行引导时，对系统的要求主要集中体现在以下四个方面[1-3]：

1)精度，是指系统测量或估计的位置、时间等导航信息与真实值之间的重合度，为一个随机变量，只能用统计值来表达[1].对GNSS 一般用于水平定位精度、垂直定位精度和时间精度给出.

2)完好性，是用于对导航系统所提供信息的正确度进行可信程度度量的一种指标，其中包含当系统不应当用于导航时系统向用户发出及时报警的能力.它由三部分构成：①报警门限.不同的航行操作有不同的精度要求和不同的报警门限，当实际定位误差超过了这个门限时系统便要经由用户设备发出报警;②报警时间.指从出现报警条件到报警消息到达用户设备的时间，这其中包括系统检测出报警条件的时间;③危险误导信息(HMI)概率.HMI 指没有发出完好性报警而实际上误差超过了报警门限的情况，不同的飞行操作对HMI 有不同要求[1].

3)连续性，指系统在将要执行的航行操作持续期间内完成其功能而不发生意外中断的能力.GNSS的连续性要求实际取代了原来无线电导航系统中的可靠性要求，即系统在给定使用条件下在规定时间内以规定性能完成其功能的概率，实际标志为系统发生故障的频度[1].

4)可用性，对于GNSS 而言，是指在系统正常运行情况下同时满足精度、完好性和连续性要求的概率[1].

GNSS 增强系统的完好性要求具有重要地位，是GNSS 应用中极其重要和复杂的要求.早期的GPS并不能满足上述性能要求，尤其是完好性要求，因此提出了GPS 增强系统概念.主要包括天基增强系统(SBAS)和地基增强系统(GBAS)，前者如美国的WAAS、欧洲的EGNOS，后者如美国的LAAS[1-2,6].此外，还有接收机自主完好性监测技术(RAIM)[2-3,7]，不同技术适用于具有不同要求的航空飞行阶段.Galileo系统首次提出在全球导航系统中实现完好性技术.美国在其GPS 发展演化结构研究中，进一步提出RRAIM(Relative RAIM)和ARAIM(Advanced RAIM)的概念[8-9].目前，ARAIM 技术被认为是未来GNSS 实现完好性的重要技术.

GNSS 完好性设计实现技术处于不断发展演变中，目前尚未有专门的权威著作系统论述完好性设计与实现技术.对于GNSS 完好性，普遍的做法是采用可靠性系统工程方法开展研究[10-14].系统可靠性工程的目标是系统可靠性的实现，关注的是影响系统可靠性实现的各种故障因素[15-16].与此相对应，GNSS 增强系统的完好性是指系统性能的高可信度(即高度可靠地)实现，影响系统完好性的因素是各种误差源.系统完好性实现中，要对影响系统性能的各种误差因素进行有效、准确补偿修正，并在误差导致的“修正”信息不能满足系统要求时及时对误差因素进行识别和报警.因此，可以将系统可靠性工程的研究方法用于指导GNSS 完好性研究.具体到增强系统中的电离层影响分析研究，则需要明确有哪些因素可以引起电离层误差，可以采用什么措施进行误差补偿，如何对误差修正信息的可信度进行评估，如果存在不能修正的电离层误差因素应如何进行检测报警等.

可靠性工程中，要对影响系统可靠性的故障因素进行故障模式分析(FMEA)，并对故障模式进行识别和预测[15-16].相应地，可将故障模式分析、故障识别与预测的概念、原理或方法用于GNSS 完好性相关的电离层影响研究，包括系统完好性实现中的电离层影响分析，对电离层误差补偿信息的可信度评估，对严重影响系统完好性性能实现的电离层影响因素的检测和识别等.

国内外一些学者认为，电离层主要影响GNSS 连续性，如电离层闪烁可以造成用户接收机跟踪GNSS信号中断，由此造成的系统服务中断属于系统连续性影响范畴[17-18].其实从系统完好性定义可以看出，完好性强调的是系统提供服务信息的可靠性.在电离层闪烁、电离层暴等扰动影响下，系统播发的电离层差分修正信息并不能保证其在用户端的可信度.在电离层闪烁影响下，RAIM 并不能够实现预期的故障检测和识别功能，ARAIM 在闪烁影响下也存在类似情况.从这个意义而言，电离层影响的是系统完好性.尽管电离层扰动(如闪烁)可以造成信号中断，影响系统服务的连续性，但其实在闪烁引起信号中断之前，系统提供的服务已不能满足完好性应用要求.因此，对电离层扰动的影响，更应该从系统完好性角度进行考虑.

2 影响系统完好性的电离层环境因素

可靠性工程中将不能完成预定功能的事件或状态称为故障[15].对于GNSS 增强系统而言，影响系统性能实现的电离层环境变化才是要考虑的“故障”因素.从电离层形态上分析，影响GNSS 增强系统的电离层环境因素包括电离层异常现象(如赤道电离异常)及电离层扰动变化.

2.1 低纬地区赤道电离异常影响

电离层中重复出现的规律性变化称为背景电离层变化[19].背景电离层引起用户伪距测量中的延迟误差.对于单频系统而言，GNSS 增强系统采用差分技术对延迟误差进行修正[20-21].在新的发展中，GNSS采用双频测量方法对电离层延迟误差进行消除.

差分技术实现的前提是电离层球壳模型假设，即电离层垂直延迟随空间变化可以看作是一个平滑球面，这意味着电离层延迟在空间上高度相关，因此，可以通过差分技术对电离层延迟进行消除[20-21].

差分技术可以有效地消除电离层延迟随空间的平坦变化，因此，对于中纬地区平静电离层环境而言，背景电离层不是影响增强系统的“故障”因素.在低纬地区存在赤道电离异常(EIA)现象，EIA 使得电离层延迟在磁低纬地区呈“驼峰”状变化，这种电离层延迟沿纬度的变化可以造成电离层延迟梯度变化，破坏了电离层球壳模型假设，影响差分技术的实现，因此是GNSS 单频增强系统中应考虑的“故障”因素[22].

采用双频测量可以有效消除电离层延迟影响，且不受电离层延迟空间相关性的影响.因此，在GNSS双频增强系统实现中，EIA 不再是影响系统完好性的“故障”因素.

2.2 电离层暴影响

太阳耀斑爆发喷射的等离子体云到达地球后与地磁场作用引起地磁暴，伴随着磁暴在全球范围内电离层都显示出一些剧烈变化，统称为电离层暴[19].

电离层暴的影响包括两个方面：一是暴期间电子密度增大引起电离层延迟误差增大；二是暴可以降低电离层延迟空间相关性，引起陡峭的电离层延迟梯度变化[23].由于影响GNSS 增强系统差分技术实现的原因是电离层延迟梯度而不是延迟自身，因此电离层暴引起的延迟空间梯度变化是GNSS 单频系统完好性实现中需关注的“故障”因素.采用双频测量可以有效消除电离层暴引起的延迟，因此电离层暴不是影响GNSS 双频增强系统的“故障”因素.

2.3 电离层闪烁影响

电离层中存在的小尺度不均匀体对穿越其中的卫星信号造成折射、衍射传播效应，使得接收的卫星信号表现出快速的幅度起伏和相位抖动，这种现象称为电离层闪烁[24-25].

电离层闪烁对GNSS 增强系统的影响表现在两个方面：一是闪烁引起接收到的卫星信号出现幅度衰落和相位抖动，造成伪距测量误差增大、载波出现频繁周跳和失锁，严重时可引起接收机环路失锁；二是造成闪烁的电子密度不均匀体同样会引起卫星信号的电离层延迟误差，小尺度电子密度不均匀体也意味着其造成的电离层延迟是空间不相关的，因此会对差分修正技术产生影响[26].

可以看出，闪烁会对增强系统用户测量产生误差影响，对系统提供的差分修正信息产生影响，因此是影响增强系统的“故障”因素.由于闪烁对GNSS 工作的整个L 频段具有影响，且难以通过双频测量加以消除，因此是GNSS 单频和双频增强系统中主要的电离层环境相关“故障”因素.

现有GNSS 增强系统文献中，对所有电离层延迟的“异常”变化都称为电离层扰动影响[27].这在中纬电离层区域可行，但在低纬地区并不恰当.因为引起电离层延迟异常变化的还有低纬地区的EIA 现象，同时电离层“异常”变化(如闪烁)引起的系统影响效应也并不全部体现为延迟影响.本文在不影响理解情况下仍将不同电离层异常变化称为电离层扰动影响.

3 电离层扰动影响的故障模式分析

电离层扰动影响故障模式分析，即针对严重影响GNSS 增强系统和技术的不同电离层扰动现象，分析其影响机制、影响结果，及系统可采用的措施.

3.1 电离层暴影响的故障模式分析

3.1.1 SBAS 电离层暴影响故障模式分析

电离层暴对SBAS 的影响源于暴引起的陡峭电离层空间梯度变化，尤其是在急始的强暴开始期间，剧烈的电离层电子密度变化引起的延迟梯度变化.

单频SBAS 采用网格模型对电离层延迟误差进行差分修正，并实现相应的完好性功能[28-29].电离层网格模型实现中，首先进行网格点电离层扰动检测，只有通过扰动检测的网格点才会进一步估计网格点参数(电离层垂直延迟(GIVD)和电离层垂直误差(GIVE))，没有通过扰动检测的网格点将GIVE 值置为不可用状态.

GIVE 实际为SBAS 对所发布电离层修正信息的一种可信度度量.GIVE 计算中除了考虑网格模型由于自身不适用性引起的误差外，还会进一步利用电离层威胁模型考虑暴引起的延迟梯度变化.电离层威胁模型是增强系统用于描述电离层误差对系统完好性威胁影响的定量分析模型[27,30-31].考虑电离层威胁模型后，如得到的GIVE 超过阈值，则GIVE 也将被置为不可用状态.

文献[23]对中国区域电离层网格模型进行了分析，结果表明，电离层延迟空间梯度变化是影响SBAS 完好性实现的主要因素.低纬EIA 现象同样可以引起较大的电离层延迟梯度变化，造成网格模型不适用性，并使电离层威胁模型估计增大，使得计算的GIVE 估值增大，增加了GIVE 超限而不可用的风险.文献[32]中进一步指出，网格模型扰动检测结果与电离层延迟平均梯度变化具有一致性.因此，低纬EIA现象造成电离层延迟平均梯度增大，使得网格模型的扰动检测更容易被触发而使SBAS 处于不可用状态.尤其是在太阳活动高年电离层活跃情况下，尽管没有电离层暴发生，但低纬EIA 现象仍可以触发网格模型的扰动检测.这种“误警”实际由电离层网格模型自身设计造成，而并不是一种电离层扰动变化影响.

3.1.2 GBAS 电离层暴影响故障模式分析

单频GBAS 实现中同样采用差分技术进行电离层延迟误差修正，因此电离层对GBAS 影响与SBAS类似，但由于GBAS 的完好性要求高于SBAS，因此其系统实现技术更为严格.

GBAS 中同样进行电离层扰动检测，并采用电离层威胁模型计算完好性门限.以LAAS为例，LAAS中建立有威胁模型，在完好性门限计算中考虑电离层延迟梯度的影响.在平静情况下，LAAS 认为电离层延迟梯度变化为2～5 mm/km；在电离层暴影响下，电离层延迟梯度变化可达数百mm/km(如北美地区检测到316 mm/km 的延迟梯度变化)[33-34].由于LAAS覆盖局域范围，因此对电离层暴的检测存在时效性不足问题.目前尚未见到关于LAAS 中电离层暴检测识别方法的具体实现措施，相关文献中提出利用WAAS的信息进行辅助分析，或者在LAAS 覆盖区域内建立专用电离层暴监测基线[34].

文献[35]中对中国南方地区EIA 影响下的电离层延迟梯度进行了分析，结果表明，在电离层暴和低纬EIA 现象的联合影响下，从电离层异常峰值区域(广州)至电离层异常北坡坡底(上海)的大范围内，普遍存在15 mm/km 的电离层延迟梯度变化.暴期间曾检测到240 mm/km 的电离层延迟梯度.电离层闪烁同样会引起电离层延迟梯度变化，文献[36]中的工作表明，闪烁可以引起196 mm/km 的电离层延迟梯度变化.

上述结果表明，中国区域电离层扰动影响下的延迟梯度变化特征与北美区域不同，LAAS 中仅需考虑暴引起的梯度变化.中国区域GBAS 中需分别针对电离层暴和电离层闪烁两种现象考虑建立电离层威胁模型.同时，对电离层暴和电离层闪烁也需建立不同的识别方法.

3.2 电离层闪烁影响的故障模式分析

3.2.1 电离层闪烁影响形式与机理

电离层闪烁通过衍射或折射效应对GNSS 信号传播产生影响，因此闪烁对GNSS 信号测量影响表现在多个方面[26].

1)电离层闪烁对GNSS 信号载噪比的影响

闪烁引起穿越其中的卫星导航信号强度出现快速起伏，表现在接收机接收信号上为信号载噪比的快速起伏变化、接收信号出现深度衰落.在中等强度闪烁(闪烁指数S4为0.3～0.6)影响下，信号强度下降幅度可达6～15 dB.强闪烁可以使信号幅度衰落超过接收机灵敏度范围，造成卫星信号跟踪的中断[17-18,26].

2)电离层闪烁对伪距测量精度的影响

闪烁引起的GNSS 信号载噪比降低会造成接收机伪距测量精度降低，文献[37]中通过对GPS/BDS闪烁期间的跟踪测量数据分析表明，受闪烁影响的各颗卫星伪距测量精度均有下降，严重情况下出现对信号的失锁，没有相应卫星的伪距测量输出.

3)电离层闪烁对载波测量的影响

闪烁造成接收信号载波相位快速起伏变化，载波周跳发生次数也大幅增加.通过对2001年电离层闪烁期间我国南方区域GPS 观测数据的统计分析表明，发生电离层闪烁时，GPS 接收机的周跳现象在1 h内最多可以达到约230 次，远大于电离层平静时的次数(1 h 内最多不超过15 次)[26].

4)电离层闪烁对延迟测量的影响

闪烁发生期间，如果参考站与用户接收的GNSS信号穿越闪烁影响在不同区域，则电离层电子密度不均匀体引起的电离层延迟变化将对差分技术产生影响.闪烁相关的不均匀体可造成电离层延迟在数千米基线距离上产生米级偏差[38].

5)电离层闪烁对GNSS 可见星的影响

强闪烁可造成卫星信号失锁，引起可见卫星数降低，进而影响定位用的精度衰减因子(DOP)[17,26,37].

3.2.2 GNSS 增强中的闪烁影响故障模式分析

电离层闪烁的上述影响进一步表现在对GNSS增强系统或技术的影响上，包括：

1)GNSS 信号强度、伪距测量误差，甚至信息的中断将影响增强系统地面站数据处理流程实现.增强系统利用载波相位测量对码伪距测量进行平滑，降低码伪距测量中的噪声.闪烁引起的载波周跳或中断会影响对伪距测量的平滑能力.同时，由于闪烁影响下GNSS 码伪距测量误差增大，也增加了载波周跳检测的困难[26,39].

2)造成闪烁的小尺度电离层电子密度不均匀体同样会引起信号路径延迟，并且这种延迟在较短的距离上也会不相关，由此造成差分技术不能对电离层延迟误差进行有效消除，相反会引进一个电离层延迟偏差，对系统完好性造成影响[38].

3)RAIM 功能的实现对空间可见星有要求，闪烁造成可见卫星数降低，直接影响RAIM 进行故障检测和识别功能的实现.闪烁造成伪距测量误差增大，会造成RAIM 能够检测出故障存在但不能对故障进行识别等多种RAIM 失效问题[40].

4)闪烁会对GNSS 工作的整个L 频段产生影响，且不同频率上的闪烁影响不具有相关性，因此不能通过双频测量方法加以消除.闪烁影响的这种特征使其成为未来双频体制下系统完好性实现(如ARAIM)的最重要空间环境影响因素.

5)对SBAS 而言，监测站与用户的距离可达数百千米，监测站和用户很少会受到同样的电离层闪烁影响，因此监测站难以实现对用户端闪烁影响的监测，用户端必须具有自身的闪烁监测识别能力.对于GBAS 而言，监测站和用户距离较近，会同时受到同样的闪烁影响，因此GBAS 中应考虑对闪烁进行监测和识别，并进行完好性信息发布.

6)尽管SBAS和GBAS 监测站可以从信号测量、伪距测量及信息层面进行数据质量控制和处理，实现对闪烁事件的识别，但对于RAIM 用户而言，缺乏必要的数据处理资源和冗余观测数据，因此RAIM会面临严重的闪烁影响.

7)新的增强技术ARAIM 中，为卫星空间信号的完好性进行风险指标分配(10-5)，其默认前提是卫星发射信号的完好性风险与用户接收信号的完好性风险是一样的，也即信号在空间传播过程中不受任何影响[41].这种假设在电离层闪烁影响情况下是不成立的，信号在传播过程中会由于闪烁的影响而使得在接收机端的完好性风险与卫星端的完好性风险不一样.

由此可以看出，闪烁是影响GNSS 增强系统完好性的重要因素，但现有及未来发展的增强系统技术并未有足够的考虑.

4 GNSS 增强中电离层扰动影响检测与识别

GNSS 增强系统中认为电离层影响主要为延迟误差，所以对电离层扰动的检测主要通过对测量残差进行检测而实现.基于残差的检测可对电离层引起的伪距测量误差异常变化进行实时检测，但检测的有效性在覆盖低纬地区的增强系统中存在不适用性.

4.1 电离层暴影响的检测和识别

SBAS 在电离层网格模型实现中设计有电离层扰动检测功能，当检测到存在电离层扰动时，将网格点或系统置为不可用状态.SBAS 电离层扰动检测包括网格点扰动检测和全系统扰动检测[21,29].

网格模型中首先进行网格点电离层扰动检测，只有通过扰动检测的网格点才会进一步进行网格点参数估计.网格点扰动检测的目的是确认SBAS 获得的电离层延迟测量在网格点附近是否满足网格模型实现条件，即是否满足球壳模型假设以利用平面拟合方法进行网格点电离层延迟估计.因此，网格点扰动检测采用卡方检测或改进的卡方检测实现，具体实现方法中利用网格点电离层延迟平面拟合残差作为统计量进行扰动检测[27,29].

在电离层网格点扰动检测基础上，SBAS 进一步进行全系统电离层扰动检测[29].WAAS 研究中发现，强电离层暴期间会在局域范围存在陡峭的电离层延迟变化不能被系统监测站有效监测到，因此设置全系统扰动检测，当全系统都受电离层暴影响时，意味着有强电离层暴发生，局域性电离层延迟陡峭梯度变化发生概率增大，对系统完好性实现的风险性也增大[42].此时系统将所有网格点延迟误差估计GIVE 置为最大值(45 m)，即整个系统处于不可用状态.

SBAS 中的全系统电离层暴扰动检测方法来源于电离层研究中的暴检测方法.全系统电离层扰动检测针对系统覆盖范围内的每个电离层网格点进行扰动检测，检测量为，其中， χ2为网格点电离层延迟平面拟合残差，为完好性风险为10-3时对应的卡方分布值.当所有网格点的扰动检测值T连续大于预定门限值Tmax1，且持续时间超过预定长度Tseg1时，判断整个系统受到强电离层暴影响，全系统内的电离层网格延迟误差GIVE 置为最大值，SBAS 处于不可用状态.当扰动检测值T连续小于预定门限值Tmax2，且持续时间超过预定长度Tseg2时，判断整个系统恢复至平静电离层环境情况，系统内的电离层网格延迟误差GIVE 按正常估计方法进行计算[23,27,29].

电离层暴同样是严重影响GBAS 性能的重要因素，对于GBAS 而言，电离层扰动检测需求更为迫切，只有检测到电离层扰动影响的存在，才能启动电离层威胁模型进行完好性门限计算.但在GBAS 相关研究中，尚未见到关于电离层暴检测的介绍.文献[34]中仅提到在LAAS 附近建立较长基线以提高对电离层暴扰动检测的能力.

4.2 电离层闪烁影响的检测与识别

SBAS和GBAS 监测站中设计有完善的GNSS信号处理流程，可以从信号质量、测量质量和数据质量方面，利用冗余测量对GNSS 信号进行监测[39].因此，闪烁引起的信号起伏衰落、相位抖动、电离层延迟变化均会在系统监测站检测到.

由于缺乏数据处理资源及冗余观测信息，用户端难以利用监测站专用数据处理方法实现对闪烁影响的检测.闪烁会引起伪距测量误差，利用RAIM 方法可在一定程度上进行用户端的电离层闪烁影响检测和识别.

RAIM 中对故障的检测通过对统计量T进行检测实现[2-3,43]

式中：FSSE为伪距残差平方和；n为观测的卫星数.检验的门限值TD为

式中：σ为伪距噪声方差；门限值t由给定的系统误警率PFA计算得到.比较检测量T和门限值TD，如T＞TD，则系统存在故障，反之则无故障.

RAIM中对故障星的识别通过对统计量di进行检测实现

式中：Sii为映射矩阵S的元素；Ri为第i颗星的伪距残差值.给定漏检率PMD，可计算得到检测门限TE.

4.3 电离层扰动检测识别的适用性分析

由于GNSS 增强系统由美国最早提出并实现(WAAS/LAAS)，其系统实现已成为一种标准而被广泛采用.但WAAS和LAAS 主要针对北美中纬电离层环境实现，系统受到的扰动影响主要是电离层暴，系统设计中对赤道电离异常与电离层暴的区分、电离层闪烁影响均没有考虑.这样造成WAAS和LAAS系统技术在应用到低纬区域(甚至包括极区)时存在不适用性.

4.3.1 低纬地区暴扰动检测和识别的不适用性

GNSS 增强系统采用的电离层网格模型基于球壳模型假设实现，其本质是网格点周围区域范围内电离层延迟的平面拟合.因此，任何破坏这个假设的电离层异常变化均会引起网格点扰动检测超限.对于中纬电离层环境而言，破坏平面假设的主要因素是电离层暴，而对于低纬电离层环境，破坏平面假设的因素包括赤道电离异常和电离层暴.因此，在电离层活跃时期以及电离层暴情况下，低纬地区电离层网格模型会出现网格点电离层扰动检测被频繁触发的情况.

图1 给出了太阳活动高年(2013年)电离层活跃时期(3月)中午时分(LT 14:02:00)，中国区域电离层网格模型的GIVE 分布.当天Dst指数平均值为9，表明没有电离层暴发生.图2 给出了太阳活动较强时期(2014年2月)夜间时分(LT 22:02:00)中国区域电离层网格模型的GIVE 分布.当天Dst指数平均值为–63，存在电离层暴影响.

图1 中国区域电离层网格模型GIVE 分布

图2 中国区域电离层网格模型GIVE 分布

由图1 可知，在电离层活跃情况下的低纬地区，即使没有电离层暴影响，由于赤道电离异常的存在，也会使得网格点扰动检测超限，从而在中国南方地区形成一个带状的网格点不可用区域.根据图2 可知在电离层暴发生时，电离层网格点会在一个更大范围内处于不可用状态.造成这种情况的原因在于中国南方地区存在的赤道电离异常现象同样会破坏电离层网格模型实现中所依赖的平面球壳模型假设.

赤道电离异常对电离层网格模型的影响一般从本地10 时开始逐渐出现，在中午达到最大并可持续至傍晚.因此，按着WAAS 中全系统电离层暴扰动检测规则，中国南方地区在太阳活动高年电离层活跃时期SBAS 应标识为系统不可用状态.由于赤道电离异常是低纬电离层存在的一种规律性变化现象，也就意味着SBAS 在低纬地区会存在经常性的不可用问题.

造成上述问题的根源在于现有SBAS 中的电离层暴扰动检测规则.实际分析表明，对于赤道电离异常影响，如果放松对电离层暴扰动的检测要求，则可以在适当增大系统电离层网格模型误差估计基础上，提高网格模型的可用性[22].

4.3.2 电离层闪烁影响检测和识别的不适用性

GNSS 增强系统或技术实现中并没有针对电离层闪烁影响的检测和识别措施.电离层闪烁对接收机信号质量和测量质量产生影响，因此在监测站可以通过对信号质量和测量质量的检测，发现存在的闪烁影响，但监测站并不能识别出是否是闪烁影响.同时，由于闪烁是局域性现象且存在漂移变化，监测站和用户不会同时受到同样的闪烁影响，因此即使监测站检测到闪烁影响，在没有闪烁预测能力情况下，也无法将扰动信息发送给用户使用.因此，GNSS 增强系统后继发展中应加强用户端的闪烁影响检测识别能力.

对用户而言，可利用RAIM 进行故障检测和识别.RAIM 技术基于伪距测量残差分析实现，并利用冗余观测对存在故障的卫星进行检测和识别.在单一GNSS 情况下，假设存在单颗星故障，2 颗卫星同时发生故障的概率很小，仅在多GNSS 情况下考虑[2-3,43].

强电离层闪烁会对用户可见区域内多颗卫星产生影响，同时引起多颗卫星伪距测量误差增大，或信号跟踪失锁.这超出了RAIM 实现的假设前提，因此RAIM 技术在强电离层闪烁影响情况下会出现不可用或不适用情况[40].

图3～4 给出了RAIM 在闪烁影响下部分性能失效的示例.该示例利用iGMAS 昆明站KUNM(102°E,25°N)2014年3月5日(年积日64 天)的BDS 观测数据分析获得[40].

图3 RAIM 故障检测量T(蓝色)和门限值TD(红色)

由图3 可知，在UT 13:04:27、UT 13:05:00、UT 13:05:03、UT 15:21:47 时刻，RAIM 检测量T(蓝线)超过检测门限值TD(红线)，表明RAIM 可检测到故障.由图4 可知在上述时刻，每颗星的RAIM 故障识别检测统计量di受闪烁影响虽然均有不同程度异常起伏变化，但均未超过检测门限TE，因此RAIM 不能对这些疑似故障星进行有效识别.由此可以看出，电离层闪烁影响可造成卫星信号伪距测量误差增大，相应地可造成总的伪距残差增大，并造成RAIM 检测量超限，检测到存在“故障”.尽管每颗受闪烁影响的卫星伪距误差增大，但并不足以使得各颗卫星的伪距故障检测统计量超过检测门限，因此检测不出故障星.

图4 RAIM 故障识别检测量di(蓝色)和检测门限TE(红色)

文献[40]给出了RAIM 不可用的其他情形，包括由于某一颗或几颗星存在较大伪距误差而导致RAIM 不能识别发生故障的卫星，以及强闪烁影响造成定位可用卫星数少于6 颗或定位用DOP 不能满足RAIM 使用要求等情况.

可以看出，闪烁对GNSS 复杂影响，并不能够通过RAIM 技术进行完全检测和识别.需要说明的是，上述分析仅针对伪距测量进行，如果进一步考虑闪烁造成的载波相位测量失锁和周跳，情况将更为复杂，RAIM 会因为不能获得连续的载波观测而难以进行滤波，进而影响后继的RAIM 或ARAIM 方法实现[41,44].

5 GNSS 增强中其他电离层影响相关问题

利用系统可靠性工程方法进行分析时，需要建立不同故障因素的可靠性模型，给出对故障特征的定量描述，以进行故障树分析、可靠性指标分配、可靠性验证试验等工作.将电离层扰动作为影响GNSS 增强系统的故障因素进行分析时，同样需对电离层扰动的影响特征进行适合系统要求的定量分析.

1)扰动发生的先验概率

将电离层扰动作为影响GNSS 增强系统的故障因素进行分析时，需要确定电离层扰动事件发生的先验概率，以进一步支撑故障模式分析、故障指标分配等工作.

电离层随太阳活动变化具有周期性变化规律(11 a)，并且随太阳活动高年和低年的变化，不同电离层扰动现象的发生频度也不同.因此，如何对电离层扰动事件的先验概率进行统计是需要研究的问题.

由于电离层环境测量手段的局限性，可用于GNSS电离层扰动环境影响分析的数据有限，如国际GNSS服务(IGS)数据也只有不到3 个太阳活动周期的GNSS观测数据.目前普遍的一种做法是利用日地空间环境数据进行电离层扰动事件发生频度的近似和统计分析[5,45].

2)电离层威胁模型[30-31,33-34,36,46-48]

电离层威胁模型是GNSS 增强系统中用于描述电离层延迟梯度变化对系统完好性风险影响的定量描述模型.目前在星基增强系统(SBAS)中采用的电离层威胁模型包括“泡”状和“墙”状两种模型，在地基增强系统(GBAS)中采用的电离层威胁模型包括“梯形”模型和“楔状”模型.

SBAS 中的“泡”状和“墙”状模型是针对不同电离层延迟梯度产生机制而设计的模型[46-48].“泡”状模型描述本地产生的电离层延迟梯度变化，如太阳爆发引起的低纬地区电离层暴造成的电离层电子密度增大.“墙”状模型描述由于“漂移”(如暴由高纬向中低纬地区的发展)造成的电离层延迟梯度变化.GBAS 中的“梯形”模型主要针对电离层暴造成的单侧电离层延迟梯度变化，而“楔状”模型针对闪烁相关的不均匀体造成的双侧电离层延迟梯度变化[33-34,36].

可以看出，不同威胁模型针对的电离层扰动现象不同，同时电离层扰动现象还具有显著的区域特征.因此，在电离层威胁模型建立中应考虑对电离层扰动现象进行识别，根据其变化特征选择相应的威胁模型进行建模实现.

3)扰动影响下的误差特征分析

GNSS 增强系统中完好性检测门限的实现一般基于误差的正态分布假设，或者采用门限限定方法(Over-bound)建立相应的正态分布对误差进行限定[49-51].

电离层异常变化对GNSS 测量的影响往往使得电离层延迟不符合这样的假设，如赤道电离异常影响下电离层网格模型存在系统性偏差[52].因此，针对不同扰动影响进行电离层延迟误差变化特征分析，建立相应的误差分析描述函数、相应的误差有效限定方法、测试方法，都是GNSS 增强系统中电离层扰动研究需要进一步考虑的问题.

已有工作主要从电离层环境研究角度出发，很少从增强系统应用角度出发.对电离层扰动事件的分析主要针对长期趋势规律统计、典型事件分析等方面开展工作，缺乏对电离层扰动影响特征、误差分布规律等方面的确定性描述.从分析方法和分析结果的针对性而言，已有电离层环境研究方法都不足以支持GNSS 增强系统研究工作.GNSS 增强系统电离层应用技术研究需要从系统应用角度出发，根据系统设计、建设和应用需求，进行针对性建模和分析工作.

6 结论

电离层扰动对GNSS 增强系统影响具有复杂性，存在多种电离层扰动现象从多个方面对增强系统产生影响.GNSS 增强系统实现具有特殊要求，现有电离层研究方法不能适应GNSS 增强系统设计实现和应用要求.为此，提出利用可靠性工程方法开展增强系统电离层扰动环境影响研究.

对不同电离层环境影响因素进行了“故障模式分析”.结果表明，电离层扰动是影响系统完好性的重要空间环境影响因素.对于单频增强系统而言，电离层延迟梯度是造成系统完好性风险的根本原因；赤道电离异常和电离层暴均可以引起延迟梯度变化，是中国区域增强系统完好性实现中要考虑的风险因素.电离层闪烁对信号质量、测量结果产生影响，不能通过双频测量加以消除，是影响GNSS 增强的重要空间环境因素.

分析了GNSS 增强系统中的电离层扰动影响检测方法，指出赤道电离异常和电离层暴一样可引起延迟梯度变化，同样可以造成扰动检测超限；闪烁影响的复杂性难以通过RAIM 方法进行检测和识别.现有电离层扰动检测方法难以满足GNSS 增强系统在低纬地区对电离层扰动的分析、检测和识别.

电离层扰动影响随太阳活动不仅具有周期变化规律，而且具有显著的区域性特征.现有GNSS 增强系统中的电离层扰动分析方法主要基于中纬电离层环境设计，缺乏对低纬地区电离层扰动环境影响分析的针对性.我国跨越中低纬地区，区域GNSS 增强系统建设需对电离层扰动开展针对性研究，建立相应的增强系统应对实现技术.

本文借助系统可靠性工程中研究方法，提出GNSS 增强系统中电离层扰动影响研究的思路和建议，进一步的工作仍待后继深入研究.