中國區域電離層特性對衛星導航系統的影響

劉 鈍 甄衛民

（中國電波傳播研究所，山東 青島 266107）

引 言

衛星導航信號穿越電離層到達地面，不可避免地受到電離層環境的影響，電離層應用技術開發是衛星導航系統建設中的一項重要工作。

精度、完好性、連續性和可用性是衛星導航系統的基本性能要求。對電離層應用技術，“精度”要求就是提供高精度的電離層修正功能?！巴旰眯浴笔请S著衛星導航系統應用發展而提出的一項重要性能要求，“是對可以加之于導航系統所提供的信息正確度信任程度的一種度量，其中包含當系統不應用于導航時向用戶發出及時報警的能力”［1］。根據完好性定義，衛星導航系統中的電離層修正技術應進一步實現兩個功能:

1）建立合適的誤差門限，以判定電離層修正誤差是否超限，以此實現電離層修正量的正確度評估和及時報警能力。

2）電離層修正一般針對平靜電離層狀態實現，而在電離層擾動情況下難以實現精確修正功能，因此，應實現電離層擾動的有效檢測，實現及時報警能力。

國外在衛星導航系統相關的電離層應用技術研究上開展有廣泛的工作。斯坦福大學早在1996年就提出電離層網絡模型，并用于全球定位系統（GPS）廣域增強系統（WAAS）的實現［15］。隨后，國外研究的重點就集中在電離層相關的完好性實現技術上，這些工作主要包括電離層有效誤差門限的研究及建立［8-11］，電離層擾動的有效檢測、監測技術等方面［11-13，16］。

與美國和歐洲等區域主要覆蓋中緯地區不同，中國區域覆蓋中低緯地區，電離層環境具有明顯的區域性特征，如低緯區域存在赤道異常、是電離層閃爍高發區等。因此，中國區域電離層環境特性對衛星導航系統的影響更為復雜，一些電離層影響也更為強烈，相應的衛星導航系統電離層應用技術實現也更為復雜。

國內已有許多學者就中國區域電離層特性對衛星導航系統的影響進行分析研究。其中王一舉對監測站分布稀疏情況下的電離層網絡模型實現進行了研究［3］，袁運斌提出了“站際分區法”等思路，以解決電離層網絡模型實現中觀測量的選擇問題，進而提高模型的精度［4］。但這些工作對于我國衛星導航系統中的電離層技術應用仍是不夠的，主要表現在國內目前已有工作主要圍繞基于電離層網絡模型實現的修正技術開展，而在電離層相關的系統完好性實現技術方面，工作開展較少，目前僅有有限文章涉及。

本文通過就中國區域電離層環境特性對衛星導航系統，尤其是區域增強系統的影響分析，表明我國獨特的電離層環境對衛星導航系統的完好性實現具有嚴重影響，已有的技術實現（如WAAS系統中的完好性實現技術），必須針對中國區域的環境特性進行改進和完善，形成適合我國環境特性和我國自主衛星導航系統特點的電離層應用技術。

1.衛星導航系統及其增強系統

早期的GPS實現中，主要考慮背景電離層（或平靜電離層）延遲對系統的影響，其方法一般是建立合適的全球單頻電離層修正模型進行修正。

隨著衛星導航應用的發展和用戶應用要求的提高，出現了各種區域增強系統和局域增強系統。各種增強系統通過在局域／區域內布設合理的地面監測站／網絡對空間衛星進行監測，對區域測量數據進行處理分析，獲得各種修正信息，并通過特定的通信鏈路向用戶發布以實現用戶定位精度提高和完好性服務等功能。

典型的衛星區域增強系統有美國的廣域增強系統（WAAS），歐洲的歐洲同步衛星導航覆蓋系統（EGNOS），日本的多功能衛星增強系統（MSAS）等，以及規劃中的中國區域增強系統，印度的GPS／GEO增強導航系統（GAGAN），加勒比及南美測試系統（CSTB）等。其中，WAAS、EGNOS、MSAS的主要服務區一般為中緯地區。與這些區域增強系統不同，中國區域的增強系統其主要服務區覆蓋中低緯地區（圖1）。因此，中國區域的增強系統實現將面臨更多的區域環境特性，尤其是電離層環境特性的影響。

圖1 各區域增強系統的覆蓋范圍

2.中國區域電離層環境特性

對衛星導航系統及其區域增強系統具有較大影響的中國區域電離層環境特性主要包括三個方面:

1）低緯地區的赤道異常影響

F層電子密度峰值隨地磁緯度變化，白天在磁赤道上空出現極小值，而在磁赤道南北兩邊15°～20°的地方出現兩個極大值的現象通常稱為赤道異常［2］。赤道異常造成較大的電子密度及較大的電子密度梯度變化，其直接影響是電離層空間相關性的降低，因此，是影響各種差分系統的重要因素。我國南方地區位于赤道異常區（圖2見211頁），區域增強系統實現中，必須要考慮赤道異常的影響。

2）電離層暴的影響

源于太陽爆發的強磁暴使地球空間環境發生擾動，伴隨強磁暴的發生，全球范圍內的電離層都會出現劇烈變化，即電離層暴［2］。電離層暴的發展變化機制較為復雜，其發展通常經歷不同的相，不同相期間，電子密度和總電子含量增大或減小。同時，不同緯度區域電離層暴的發展變化過程也不盡相同。電離層暴將引起電離層時空相關性的降低，由于赤道異常也會引起電離層時空相關性的降低，因此對于中國區域增強系統而言，電離層暴的影響更為復雜。

3）電離層閃爍的影響

導航衛星信號穿越電離層時，電離層中存在的不均勻體結構會引起信號強度和相位的快速隨機起伏變化，這種現象稱為電離層閃爍［2］。電離層閃爍將引起地面接收機接收到的信號出現誤碼和信號畸變，影響信號的測量精度，嚴重時會導致接收機跟蹤信號的失鎖。我國低緯地區是世界范圍內的電離層閃爍高發區之一（圖3（見211頁）），電離層閃爍研究對我國衛星導航系統建設具有重要意義。尤其是電離層閃爍影響整個L頻段，而不是單個頻點，更凸現出電離層閃爍研究的重要性。

3.中國區域電離層特性對衛星導航系統的影響

3.1 赤道異常對衛星區域增強系統的影響

區域增強系統中一般采用電離層網格模型對用戶定位中的電離層誤差進行修正。數據處理中心利用監測站測量的電離層穿刺點處電離層延遲估計電離層網格點處的電離層垂直延遲（GIVD），及相應的誤差門限信息（GIVE）值，并播發至用戶。用戶利用播發的GIVD和GIVE值內插出用戶至衛星視線路徑上的電離層延遲及相應的誤差估計，并用于定位修正和相應的完好性計算。與電離層相關的系統完好性實現中，采用卡方檢測方法，對估計的電離層網格模型與實測數據的符合性進行檢測，并根據檢測結果設置播發信息中的標志位，以提示用戶電離層修正及其精度估計是否可用。

電離層空間相關性變化將影響電離層延遲提取的精度，并進一步影響通過簡單線性內插方法獲得的電離層延遲修正的精度。在系統完好性實現中，通過提高電離層誤差門限的方法有效限定電離層延遲殘差估計中的不確定性，并基于這個新的門限建立系統的完好性估計。電離層相關性的變化直接影響電離層延遲殘差的分布特性，進而影響有效電離層誤差門限的建立［5］。同時，由于電離層相關性的變化使得電離層延遲殘差不再符合正態分布，卡方檢測也就失去作用［15］。

圖5是利用文獻［8］-［10］中方法對中國低緯區域GPS數據進行電離層相關性研究的結果［5］。圖中分別統計電離層延遲差ΔIv在不同概率條件下（68%，95%，99%，99.9%），經歸一化后獲得的方差隨穿刺點距離的變化。當ΔIv的變化符合正態變化規律時，上述四條曲線應是重合的（見圖4美國數據處理的結果）。從圖5可見，對于中國低緯區域，不同概率下的電離層延遲差值的門限經過歸一化后，各σ值不重合，表明電離層延遲的差值不符合正態分布特性。這個結論也與美國噴氣推進實驗室（JPL）和斯坦福大學對南美電離層異常區域數據進行分析獲得的結論類似［11］。中國區域電離層延遲的這種特性表明，必須考慮中國區域電離層的相關特性，建立合理的誤差門限，對電離層相關性造成的電離層延遲殘差進行有效限定，而不是簡單地認為電離層延遲殘差符合標準的正態分布，利用通用的方法進行限定。

3.2 電離層暴對區域增強系統的影響

電離層暴對中國區域增強系統的影響較為復雜。一方面，我國地跨中低緯地區，電離層暴具有不同的形態變化；另一方面，電離層暴影響更大程度上在于暴時電離層電子密度梯度的較大變化破壞了電離層的時空相關性，而中國低緯地區赤道異常的主要影響也在于赤道異常引起的電子密度梯度變化。因此，電離層暴的影響和赤道異常的影響“糾纏”在一起，在區域增強系統中難以區分。

文獻［13］中給出了利用電離層空間梯度變化實現的一種電離層擾動檢測方法。該方法通過對平靜時和暴時北美區域電離層延遲梯度變化的統計（表1），認為該變化量符合對數正態分布，并利用平均梯度變化為統計量，通過對數正態分布的均值（μ）和方差（σ），實現了一種電離層擾動的序貫檢測方法［13］。表2和表3中，給出了利用該方法獲取的中國區域的統計分析結果。其中，表2為電離層平靜時期，國內不同區域的統計結果，表3為電離層暴時（2003年10月29日-2003年11月1日），TWTF站的統計結果?？梢钥闯?，與北美區域相比，中國區域存在以下特點:

1）從表2可以看出:中緯地區（BJFS）具有較小的μ，而位于異常區“駝峰”頂及南北兩側的區域（TWTF，QION，甚至包括異常區北坡底部的 WUHN）具有較大的μ，但在靠近磁赤道地區（PIMO），μ反而減小。盡管中緯地區和赤道異常區的μ具有較大差異，但在更低緯度（如我國南海區域，和PIMO在同一緯度上），μ則介于中緯地區和赤道異常區μ值的中間，就難以確定一個μ值的檢測區間以實現對暴的檢測。

2）從表3可以看出，盡管電離層暴的開始階段及結束階段，具有較大的μ，但在暴期間，μ較小。對于異常區（TWTF），電離層平靜時期的μ值（如表2中的-2.1216）和電離層暴期間的μ值（-2.5638）相近，難以確定一個合理的μ值檢測區間以實現對暴的檢測。異常區（如TWTF）在電離層平靜時期和電離層暴期間具有相近的值，這種現象表明，電離層異常的影響在一定程度上類似暴的影響。這個結論也與美國JPL和斯坦福大學對南美電離層異常區域數據進行分析獲得的結論類似［11］。

表1 北美區域數據獲得的電離層空間梯度變化統計量

表2 中國區域數據獲得的電離層空間梯度變化統計量（電離層平靜時期2003年10月14日）

表3 中國區域數據獲得的電離層空間梯度變化統計量（TWTF站，電離層暴時期）

3.3 電離層閃爍對衛星導航系統的影響

電離層閃爍對衛星導航系統的影響也較為復雜，其原因在于電離層閃爍影響表現在多個方面，并且各方面影響相互交叉在一起。

首先，電離層閃爍造成接收機跟蹤信號強度的降低（圖6），進而引起接收機測量誤差增大。電離層閃爍嚴重時可以造成接收機跟蹤衛星的失鎖，使用戶定位精度因子增大，上述影響造成用戶定位精度降低，嚴重時，可引起用戶定位結果發生巨大跳變，嚴重影響用戶的定位性能（圖7，圖8）［6-7］。

其次，與電離層閃爍相關的電離層不均勻體將造成電離層電子含量存在巨大的局域性梯度變化，影響差分定位的精度。圖9和圖10分別給出了無電離層閃爍（2003年10月13日）和有電離層閃爍（2003年10月14日）兩種情況下，QION站測量的GPS PRN 28號衛星路徑上的電離層延遲［6-7］?？梢钥闯觯瑹o電離層閃爍，衛星升起時，隨仰角變化，衛星信號穿越電離層的距離變短，電離層延遲逐漸減?。恍l星降落時，電離層延遲變化趨勢正好相反。因此，在平靜電離層情況下，衛星的傾斜電離層延遲為一條光滑的曲線。而存在閃爍時，電離層不均勻體存在造成電離層在局域電子密度的增大，使得電離層傾斜延遲隨衛星仰角的升高，沒有減小而出現增大，與這種電子密度增大相關的是局域存在陡峭的電子密度梯度變化。這種現象一方面影響電離層TEC的精確提取，進而影響系統電離層修正模型的實現，另一方面對局域性差分系統，如LAAS具有較大影響，嚴重時可使用戶失去完好性功能［14］。

4.結 論

中國區域具有明顯的區域電離層環境特性，是影響衛星導航系統及其增強系統實現的重要因素。

中國區域電離層環境對衛星導航系統的影響是多方面的，電離層赤道異常、電離層暴、電離層閃爍都可以引起電離層電子密度的梯度變化，影響電離層的時空相關性，進而影響利用相關性實現的差分系統修正精度或系統完好性功能實現。電離層閃爍還會引起接收機跟蹤信號強度的降低，引起接收機測量誤差增大，閃爍嚴重時可引起接收機失鎖，影響定位精度因子，上述影響最終共同影響用戶的定位精度。

對中國區域，上述多種電離層環境因素的影響往往交織在一起，難以進行區分，如電離層異常和電離層暴都可以造成較大的梯度變化，影響系統差分修正精度和完好性功能實現；閃爍相關的電離層不均勻體在造成衛星信號衰落，影響測量精度的同時，還會造成局域性的電子密度梯度變化，影響定位精度和完好性功能。

因此，衛星導航系統，尤其是中國區域增強系統實現中，必須針對我國區域的電離層環境特性開展系統、深入的研究，在已有的工作基礎上進行改進、完善，設計有針對性的、合理的方法或模型，而不是簡單的套用國外已有的成果。

［1］李 躍，邱致和.導航與定位［M］.2版.北京:國防工業出版社，2008.

［2］熊年祿，唐存琛，李行健，電離層物理概論［M］.武漢:武漢大學出版社，1999.

［3］王一舉，袁 洪，萬衛星，等.改進的 WAAS電離層時延網格修正算法［J］，空間科學學報，2002，22（2）:129-135.WANG Yiju，YUAN Hong，WAN Weixing，et al.An improved GRID-based correction algorithms for the ionospheric delay in WAAS［J］.Chinese Journal of Space Science，2002，22（2）:129-135.（in Chinese）

［4］袁運斌.基于GPS的電離層監測及延遲改正理論與方法的研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2003.YUAN Yunbin.Study on Theories and Methods of Correcting Ionospheric Delay and Monitoring Ionosphere Based on GPS［D］.Beijing:Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2003.（in Chinese）

［5］劉 鈍，馮 健，鄧忠新，等.中國區域電離層相關結構對衛星增強系統的影響［J］.全球定位系統，2009，34（4）:14-19.LIU Dun，FENG Jian，DENG Zhongxin，et al.The effects of ionosphere correlation structure on satellite augmentation system in china［J］.GNSS IN China，2009，34（4）:14-19.（in Chinese）

［6］劉 鈍，馮 健，鄧忠新，等.電離層閃爍情況下的衛星導航系統定位性能分析［J］.全球定位系統，2009，34（6）:1-8.LIU Dun，FENG Jian，DENG Zhongxin，et al.Analysis of ionospheric scintillation effects on GNSS positioning［J］，GNSS IN China，2009，34（6）:1-8.（in Chinese）

［7］劉 鈍，馮 健，鄧忠新，等.電離層閃爍對衛星導航系統定位性能的影響分析［J］.電波科學學報，2010，25（4）:702-710.LIU Dun，FENG Jian，DENG Zhongxin，et al.Study of ionospheric scintillation effects on GNSS positioning performance［J］.Radio Science in China，2010，25（4）:702-710.（in Chinese）

［8］HANSEN A，PETERSON E，WALTER T，et al.Correlation structure of ionospheric estimation and correction for WAAS［C］／／ION NTM 2000，Millan，Italy.Jan.2000:454-463.

［9］HANSEN A，BLANCH J，WALTER T，et al.Ionospheric correlation analysis for WAAS:quiet and stromy［C］／／Proceedings of ION GPS conference，Salt Lake City，UT，September 2000.

［10］HANSEN，A.Tomographic Estimation of the Ionosphere Using Terrestrial GPS Sensors［D］.California:Stanford University，2002.

［11］KOMJATHY，A，SPARKS L，MANNUCCI A J，et al.An assessment of the current WAAS ionospheric correction algorithm in South American region［C］／／Proceedings of ION GPS，Portland，OR，September 2002.

［12］WALTER T，HANSEN A，MANNUCCI T.Robust detection of ionospheric irregularities［C］／／Proceedings of ION GPS，Portland，OR，September 2000.

［13］EL-ARINI M B，LEJEUNE R O.Description of an ionospheric spatial gradient irregularity detector for WAAS［C］／／Proceedings of ION GPS，Portland，OR，September 2000.

［14］SAITO S，YOSHIHARA T，FUJII N.Study of effects of the plasma bubble on GBAS by a three-dimensional ionospheric delay model［C］／／Proceedings of the 22nd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation，Savannah，Georgia，USA.September 22-25，2009:1141-1148.

［15］CHAO Yichung.Real Time Implementation of the Wide Area Augmentation System for the Global Positioning System With an Emphasis on Ionospheric Modeling ［M］.Michigan:NA Publishing Inc.，1997.

［16］CONKER R S，EL-ARINI M B，CHRISTOPHER J，et al.Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS／SBAS availability［C］／／ION Annual Meeting，Fairfax，Va.，USA，June 2000:563-576.