贺 刘，常晓磊，朱丽萍

（1.61773部队，新疆 乌鲁木齐 830014；2.61858部队，陕西 西安 710100）

电离层闪烁对卫星导航系统的影响与监测方法分析

贺 刘1，常晓磊1，朱丽萍2

（1.61773部队，新疆 乌鲁木齐 830014；2.61858部队，陕西 西安 710100）

针对电离层闪烁对卫星定位精度和完好性的影响问题，文章建立电离层闪烁模型，并仿真分析了电离层闪烁对导航接收机在信号接收、定位解算精度的影响，提出了监测方法，对导航减轻电离层闪烁影响具有一定参考作用。

电离层闪烁；闪烁因子；测距精度

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[1]。闪烁带来的主要问题是影响卫星导航测距信号的精度，使之精度严重降低，主要还体现在信号强度下降，易出现失锁，进而导致可见星座的结构不利于定位，从而进一步影响导航系统的完好性。

1 电离层闪烁仿真模型

幅度闪烁是常用的电离层闪烁研究方法。常以幅度闪烁指数S4来体现闪烁强度的大小[2]：

其中S指信号强度，E[·]指1分钟的期望值。S4值一般介于0和1之间，其值越大闪烁强度越高。

2 闪烁影响分析

2.1 接收伪距观测精度

由伪码观测的误差模型[3]：

其中σEph，σMul，σTrop依次为星历、多路径、对流层误差。而σIon为电离层残差，该项误差中包含了电离层闪烁误差。可由电离层倾斜转换因子F表示。

其中RE指地球半径，E为可见卫星仰角，h电离层球壳模型的高度。由此看出，电离层闪烁尤其是强闪烁会影响导航信号伪码观测精度，实际上，对载波相位也具有很大影响。

2.2 定位解算精度

由最小二乘定位解算结果：

其中X定位估计结果，G为导向矢量矩阵，W为加权矩阵。

取DLL环路带宽为1 Hz，假定预检测积分时间为0.02 s。仿真得到S4为0, 0.6, 0.8 3种情况下的接收机码环路跟踪误差。从图1中明显可以知道：在闪烁条件下，信号载噪比降低，接收机跟踪误差受到强烈影响，精度降低明显。

中低纬度地区的电离层闪烁现象较为显著（根据GISM电离层闪烁模型初步分析得到），这里取S4=0.6. 对比有无电离层闪烁时，伪距精度随俯仰角变化的趋势如图2所示。

3 监测方法

3.1 时域的监测方法

GPS接收机基于（Code Division Multiple Access，CDMA）技术以提供精确的距离测量，同时允许多颗卫星的导航信号共用相同的频谱。因此捕获及跟踪GPS信号只需要两个参数：码延迟和频率。由于发生电离层闪烁时信号的能量较正常情况会发生相应的变化，因此通过测量信号的强度，并对其数值进行监测，即可实现电离层闪烁的监测。

3.2 频域的监测方法

传统的信号捕获是通过硬件在时域上进行的，通常采用多路相关处理滑动捕获。若使用软件接收机，可以采用快速傅里叶变换方法来实现。基本流程如下：首先对1 ms的数据（CA码的周期是1 ms）的数据进行傅里叶变换，这样数据由时域变换到频域，可计算电离层闪烁指数S4，以此监测闪烁。

4 结语

在闪烁模型的基础上，本文通过分析电离层闪烁对伪码等原始测量信息影响，分析了闪烁造成用户定位误差增大的原因，提出的监测方法能够减轻电离层闪烁带来的影响。

图1 不同闪烁强度下的跟踪误差仿真

图2 电离层闪烁对不同仰角的伪码误差影响

[1]冯健，刘钝，甄卫民.卫星信号仿真电离层闪烁模型研究[J].全球定位系统，2013（3）：13-15.

[2]DODSON A, MOORE T, AQUINO M H O, et al. Ionospheric scintillation monitoring in northern Europe[C].ION GPS, 2001（9）：2490-2498.

[3]张风国，甄卫民，张洪波.电离层闪烁仿真模型研究[J].电波科学学报，2005（6）：70-76.

Analysis on in fl uence and monitoring method of ionospheric scintillation on satellite navigation system

He Liu1, Chang Xiaolei1, Zhu Liping2
（1.Troops of 61773, Urumqi 830014, China; 2.Troops of 61858, Xi’an 710100, China）

To analyze the problems of ionospheric scintillation effects on satellite positioning accuracy and integrity, this paper builds ionospheric scintillation model and influence of ionospheric scintillation on the signal reception and positioning accuracy of the navigation receiver is simulated and analyzed, then puts forward the monitoring method, which is of certain reference for navigation to reduce the in fl uence of ionospheric scintillation.

ionospheric scintillation; fl icker factor; ranging accuracy

贺刘（1985— ），男，四川眉山。