低纬电离层闪烁对GPS观测值及其导航定位的影响

时间：2024-09-03

肖琴琴

(1. 湖南城市学院市政与测绘工程学院，湖南益阳 413000；2. 湖南城市学院规划建筑设计研究院湖南省城乡生态规划与修复工程技术研究中心/湖南省博士后流动站协作研发中心，湖南益阳 413000)

电离层闪烁是指无线电信号穿过电离层不规则体结构时，其振幅、相位和偏振方向发生快速随机变化的现象[1-2]﹒电离层闪烁主要发生在低纬地区和极区[3-4]﹒磁赤道南北纬20°地带电离层闪烁发生最为剧烈，且主要发生在夜间﹒该地区闪烁具有明显的日变化、季节性变化及随太阳活动周期的变化特性﹒电离层闪烁对GPS 等卫星导航定位系统的正常运营具有重要影响﹒一般而言，弱电离层闪烁可导致全球导航卫星系统(GNSS)信号噪声增大，降低观测数据的质量；强电离层闪烁可导致GNSS 卫星信号失锁，严重影响GNSS 导航定位的性能[5]﹒

过去数十年，国内外学者对电离层闪烁展开了较多的研究﹒其主要研究内容包括：1)电离层闪烁对全球定位系统(GPS)卫星L1、L2 和L5 信号质量的影响[5-6]；2)GPS 载波周跳的发生与电离层闪烁强度之间的联系，包括如何正确地探测与修复由电离层闪烁引起的周跳[4-5,7]；3)强电离层层闪烁期间，GPS 卫星信号失锁的发生率以及不同类型GPS 接收机的性能[8-9]；4)电离层闪烁对GPS 定位精度的影响，包括对GPS 码观测值单点定位，码与相位的精密单点定位，码与相位的相对定位等[10-12]；5)削弱电离层闪烁对GPS 定位的影响研究等[13]﹒

由上述可知，有关GPS 电离层闪烁领域的研究，大多数由国外机构或学者开展﹒国内对电离层闪烁也开展了研究，但主要集中于电离层闪烁的物理机制研究﹒基于此，本文拟通过低纬地区电离层闪烁监测站的电离层闪烁数据和观测数据，来分析电离层闪烁发生的特点和其对GPS 观测值和导航定位的影响﹒

1 数据与方法

1.1 数据获取

本文选取中国低纬地区海南三亚测站(18.34°N，109.62°E)2012-08-01~31 的电离层闪烁数据和GPS 观测数据进行实验﹒该站装配了电离层闪烁接收机，可以跟踪GPS 的双频信号，并且，该接收机可以输出采样间隔为1 Hz 的载波相位、伪距及载噪比(C/N0)﹒为了获取振幅闪烁指数(S4)和相位闪烁指数(σΦ)，测站接收机也记录了采样间隔为50 Hz 的相位、同相制和四相制的数据[14]﹒本文利用美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体研制的TEQC 软件，从采样率1 s 的观测数据中提取30 s 的数据做实验﹒

1.2 电离层闪烁指数

当前衡量电离层闪烁强度的指数主要有振幅闪烁指数S4和相位闪烁指数σΦ﹒它们的计算公式分别为[14]

1.3 GPS 单点定位模型

当用GPS 单频码观测值进行单点定位时，其观测方程可表示为[15]

GPS 单频用户常采用Klobuchar 模型对电离层延迟误差进行修正﹒鉴于该模型是一种经验模型，并且在电离层活跃的低纬地区，Klobuchar模型的性能会有所降低[16]，因此本文直接采用双频码观测值消电离层组合进行单点定位试算，则观测方程为

其中， PIF为双频消电离层组合伪距观测值；其它符号与公式(3)相同﹒ PIF数学表达式为

其中，P1和P2分别为GPS C1 和P2 码观测值；f1和f2分别为GPS L1 和L2 的载波频率﹒

2 数据处理与结果分析

为了尽可能多地减弱多路径效应的影响，本文在分析S4和C/N0时，只考虑卫星高度角大于30°的数据﹒除此以外，其它实验以10°作为截止卫星高度角﹒需要说明的是，本实验所涉及的时间均指当地时间(LT)﹒

图1 为测站2012-08-01(年积日DOY 214)~ 31(DOY 244)每天电离层闪烁事件数统计﹒从图1 的上图可以看出，发生电离层闪烁数大于100的年积日分别是第220 d(243 个)、223 d(529 个)、239 d(473)、243 d(165)和244 d(692)；从图1 的下图可以发现，电离层闪烁强烈的程度与太阳黑子数有关联，特别是DOY 241~244 这4 d，但整体上并不是线性相关﹒

图1 2012-08-01~31 每天电离层闪烁事件

图2 不同卫星的电离层闪烁指标S4 时间序列

图2 为DOY 241~244 这4 d 所有卫星的振幅闪烁指标S4的时间序列﹒从图2 看出，DOY 241当天除了在20∶27 LT 时PRN 26 的S4为0.22，其余所有的S4均小于0.2，而另外3 d 都能明显观测到S4大于0.2，并且随着天数的增加，电离层闪烁的强度逐渐增强﹒经统计得到，发生在DOY 241，242，243 和244 各天的电离层闪烁事件个数分别为1，30，165 和692，而受电离层闪烁影响的卫星个数分别为1，2，5 和10﹒图2 中，电离层闪烁主要发生在20∶00(日落后)~4∶00(午夜后)，这4 d 对应20∶00~4∶00 发生的电离层闪烁事件数分别是1，28，165 和691﹒因在低纬度区域，日落后的电离层E 层电子与分子性离子的复合速度远远大于F 层电子与原子性离子的复合速度，从而引起电子密度剖面的不规则变化﹒这种随机而快速的不均匀变化直接导致了电离层闪烁的发生[3]﹒

图3 不同GPS 卫星L1 观测值上的C/N0 时间序列

图4 不同GPS 卫星L2 观测值上的C/N0 时间序列

图5 PRN5 和PRN15 卫星L2 观测值上的 C/N0 时间序列

图3 与图4 分别给出了DOY 241~244 这4 d 的GPS 卫星L1 和L2 观测值的C/N0随地方时的变化﹒图中不同的颜色代表不同的卫星﹒从图3和图4 中可以看出，在仅发生1 个与28 个电离层闪烁事件的DOY 241 与242，绝大多数卫星L1与L2 的C/N0随时间平滑地变化﹒相比于这2 d，电离层闪烁剧烈的DOY 243 和244 的部分卫星的C/N0时间序列图波动得非常剧烈，呈现出离散无序的分布﹒当卫星的信号穿过电离层不规则体时其信号强度受到影响，从而C/N0表现出快速抖动的变化﹒图5 进一步对比了无电离层闪烁和受电离层闪烁影响的卫星C/N0时间序列，其中PRN 5为不受电离层闪烁影响的卫星，而PRN 15 是受电离层闪烁影响的卫星﹒可以发现，受电离层闪烁影响的PRN 15 信号强度衰减非常明显，最大值可达20 dB-Hz﹒综合图2~图5 可以发现，活跃的电离层闪烁可以导致GPS 观测值中的载噪比值降低，即信号的衰减，最大值可达20 dB-Hz(1 Hz 带宽的信噪比)；相比GPS L1 观测值，电离层闪烁对GPS L2 观测值信号衰减的程度更大﹒

图6 不同GPS 卫星的ΔC1P2 时间序列

图6 给出了DOY 241~244 各天不同卫星的 ΔC1P2 随时间的变化﹒ΔC1P2=Δ(C1-P2)，Δ 表示历元间的差分，ΔC1P2 可作为判定电离层闪烁对卫星观测值精度的影响指标[5]﹒从图6 中可以发现，在DOY 241 与242 的20∶00~4∶00 LT 时间段内，ΔC1P2 在-0.5~0.5 m 之间波动，幅度非常小；而在电离层闪烁活跃的DOY 243 和244 这2 d，20∶00~23∶00 LT 和0∶40~2∶00 LT，ΔC1P2表现出剧烈波动，其最大值达2.4 m﹒经统计，在DOY 241~244 各天的20∶00~4∶00 LT 时间段，ΔC1P2＞ 0.5 m 的个数分别为5，9，53 和75 个；ΔC1P2＞ 1 m 的个数分别为0，1，18 和15 个﹒从图6 可以看出，活跃的电离层闪烁环境可以导致GPS 观测值噪声增大，精度降低﹒

从前面的分析可看出，电离层闪烁可以引起卫星信号的衰减，最大衰减值可达20 dB-Hz，而当信号衰减至一定程度时，会导致卫星载波观测值周跳的发生﹒图7 给出了2012-08-01~31 每天发生的周跳数统计，并且给出了2 种不同程度电离层闪烁环境下(即0.2＜S4≤0.5 和S4＞0.5)的周跳数统计﹒本文周跳探测的方法采用文献[17]提出的组合MWWL+TECR方法﹒从图7可明显地看出，周跳发生个数与电离层闪烁事件数存在着明显的强相关性﹒从图7 还可知，虽然强电离层闪烁事件(S4＞0.5) 数远少于弱电离层闪烁事件(0.2＜S4≤0.5)数，但其导致的周跳数远大于相应的弱电离层闪烁环境下的周跳数﹒统计表明，每100 个强电离层闪烁事件可导致21 个周跳发生(假设这些周跳都由闪烁引起)；而100 个弱电离层闪烁事件仅导致6 个周跳发生﹒

图7 2012-08-01~31 每天发生的周跳数和电离层闪烁事件数

一般而言，GNSS 导航定位精度与卫星几何分布有较大关联﹒当卫星几何结构越强时，GNSS 导航定位的精度也就越高﹒而在电离层闪烁环境下，卫星信号衰减至一定程度时(＞20 dB-Hz)，可导致卫星信号的失锁，从而破坏原来的卫星几何结构，进一步降低GNSS 导航定位的性能﹒图8~图9 分别给出了DOY 241~244 各天在20∶00~4∶00 时间段内GPS 可用卫星数(SVs)和三维位置精度因子(PDOP)值的统计﹒

图8 不同时间历元下可用卫星数

在图8 中，DOY 241 与242 的SVs 曲线相类似，这表明弱电离层闪烁并没有导致卫星信号失锁﹒相比于DOY 241 和242，DOY 243 与244 的 SVs 曲线有突变情况，特别是在椭圆曲线范围内(21∶00~22∶30)，这说明强电离层闪烁会引起卫星信号的失锁，从而导致可用卫星数减少[9]﹒因可用卫星数减少，DOY 243 与244 的一些历元的卫星空间几何分布发生了剧烈变化，比如在DOY 244 当天的22∶16∶00，PDOP 值达4.9，而在正常情况下，GPS 卫星的PDOP 值一般约为2.5﹒

图9 不同时间历元下PDOP 值

图10 GPS 单点定位的位置误差曲线

图10 为利用DOY 241~244 各天20∶00~4∶00 时间段的双频观测值进行单历元单点定位解算的误差曲线﹒对比DOY 241 与242，可发现DOY 243 和244 的定位误差曲线波动更为剧烈，尤其是高程方向﹒具体地，在 DOY 244 当天的22∶16∶00 LT，U 方向的定位误差由上一个历元的4.973 m 突然波动到-2.305 m，变化值达7.278 m﹒检查观测数据后，发现该历元的可用卫星较上一个历元缺失了PRN 27，PDOP 值也从2.74突然增大为4.94(见图9)﹒通过查看电离层闪烁文件后发现，该历元PRN 27 卫星的S4为0.61，其值远大于电离层闪烁临界值0.2；并且PRN 27在22∶16∶30 又重新被捕捉到，此时其S4为0.48﹒因此可以判定是因为强电离层闪烁的原因导致了PRN 27 卫星信号的失锁，从而影响了GPS 的定位结果﹒表1 为图10 中定位误差的均方根(RMS)统计，从表中可以看出，随着电离层闪烁强度的增加，GPS 双频单点定位的精度整体上是逐渐降低的﹒由于表1 采用多历元统计RMS 结果，电离层闪烁环境下的RMS 值并没有比相应正常电离层环境大很多﹒但是，相比于只发生1个电离层闪烁事件的DOY 241，发生了691 个电离层闪烁事件的DOY 244 的定位精度(RMS 3D)降低了23%﹒

表1 GPS 单点定位位置误差的RMS 统计 m