電離層對民航衛(wèi)星導航應用影響分析

（1.中國民航局空中交通管理局，北京100022；2.民航數據通信有限責任公司，北京 100022）

朱國輝1，石 砳1，朱衍波2

電離層對民航衛(wèi)星導航應用影響分析

（1.中國民航局空中交通管理局，北京100022；2.民航數據通信有限責任公司，北京 100022）

朱國輝1，石 砳1，朱衍波2

對于應用衛(wèi)星導航的民用航空運行而言，電離層是一種最為復雜的導航誤差影響因素。由于電離層存在模型復雜、異常擾動和閃爍、電離層風暴的特性，尤其在太陽活動期間，可對民航導航帶來致命性的影響，影響航空正常運行。國際上針對消除電離層誤差提出了單一模型、相對定位以及廣域增強等方法，目前國際民航組織也在開展電離層數據收集和構建區(qū)域電離層模型的工作。針對電離層形成的原因與特性、消除電離層手段、電離層對民用航空導航的影響以及相應的解決措施，提出了民用航空消除電離層誤差的方法和設想。

衛(wèi)星導航；電離層風暴；電離層閃爍；Kloubuchar；局域增強系統(tǒng)

電離層，位于距地面60～1 000 km左右高度的部分大氣層，其內部分子處于電離狀態(tài)，含有大量的自由電子和離子。電離層是對無線電波影響最嚴重的大氣層區(qū)域，是民用航空衛(wèi)星導航最嚴重、最棘手的誤差源之一。從20世紀80年代末開始，主要西方國家的有關行政機構、學校、公司和研究單位，如美國聯(lián)邦航空局技術中心、MITRE公司、斯坦福大學、美國霍尼韋爾公司等，就對衛(wèi)星導航電離層相關問題進行了廣泛的研究和探索。

美國2000年在檢驗WAAS數據的過程中首次發(fā)現了電離層異常的情況，并提出這種電離層異常超出了GBAS系統(tǒng)誤差包絡的范圍，經過漫長的觀測和研究，Stanford大學提出了采用放大完好性因子并進行衛(wèi)星幾何構型篩除的算法，即首先通過收集電離層數據建立電離層威脅模型，假設GBAS設備的安裝地點一直處于最差的電離層條件下，并根據此假設將幾何位置不好的衛(wèi)星過濾掉，從而減輕電離層延遲帶來的威脅。2009年，美國霍尼韋爾公司依據該算法生產的GBAS SLS4000型系統(tǒng)通過了美國聯(lián)邦航空局的系統(tǒng)設計許可，并在多個國家進行了部署[1]。

隨著中國民航PBN實施的推進，GPS在民航的應用日益廣泛，國際民航組織逐步重視電離層的影響，并開始收集相應數據，構建電離層應用模型，本文著重討論電離層對民航衛(wèi)星導航的影響及相應的解決手段。

1 電離層形成與特性

大氣層在太陽輻射的光致電離和其他形體高能粒子的碰撞電離作用下，中性的高空大氣將形成電子、正離子、中性分子及原子等組成的等離子體，其內部電子處于電離狀態(tài)，使無線電波的傳播方向、速度、相位、振幅及偏振狀態(tài)發(fā)生變化。由于不同高空區(qū)域氣體成分種類、密度不同，不同時期太陽輻射不完全一致等原因，電離層存在著結構分層、時空變化、異常擾動與閃爍、存在地區(qū)電離層風暴等特性。

1.1 分層特性

電離層隨高度分布不均勻，從60 km向上，電子濃度先是隨高度增加而增大，到某高度時達到極大值，之后又隨高度增加而減少，一般根據該特性將電離層分為D層、E層、F層[2]。

1.2 時空變化特性

電離層的形成主要是太陽輻射和地球大氣層的相互作用，電離層狀態(tài)隨晝夜、季節(jié)以及太陽活動期等產生周期性變化。在正常的太陽活動控制下電離層的晝夜、季節(jié)、年周期時間和經度、緯度、高度空間變化的統(tǒng)計特征呈平靜電離層特性。但太陽黑子數爆發(fā)將引起電子濃度發(fā)生急劇變化，形成電離層擾動。

1.3 異常擾動和閃爍

電離層閃爍是指導航衛(wèi)星信號穿越電離層時，電離層的結構不均勻會引起信號強度和相位的快速隨機起伏變化，中國地處中低緯度地區(qū)，電離層閃爍尤為明顯。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。

1.4 電離層風暴

由于太陽爆發(fā)的強磁暴導致全球范圍或部分地區(qū)電離層的劇烈變化，稱為電離層風暴，電離層風暴將導致電離層時空相關性降低，用戶難于消除電離層對導航定位的影響，在2003年10月28日太陽活動期間，部分地區(qū)電子濃度總含量超過120，將嚴重影響航空運行。如圖1所示。

2 消除電離層誤差的手段

GPS衛(wèi)星運行在軌道高度20 000 km的太空，航空器接收GPS衛(wèi)星信號必然要穿越整個電離層區(qū)域，由于GPS信號在電離層區(qū)域內的傳播路徑長，電離層產生的誤差在幾米到幾十米的范圍內，最大誤差可達150 m。

圖1 2003年10月電離層風暴期間電子濃度總含量Fig.1 Ionosphere storm TEC in Oct.2003

一般來講，電離層延遲修正方法的選擇決定于用戶類型及作業(yè)方式，一般分為絕對修正方法和相對修正方法兩類。在絕對定位中，雙頻GPS用戶消除電離層距離延遲的最佳途徑是直接利用其雙頻觀測值計算電離層距離延遲。單頻GPS用戶不能自行修正電離層影響，通常借助數學模型機型改正電離層延遲引起的距離誤差，但現有模型的修正精度均不高。相對定位中，可利用電離層的空間時間相關性消除電離層誤差。

2.1 單頻電離層模型

單頻GPS用戶不能自行修正電離層影響，一般利用電離層模型修正電離層延遲引起的距離誤差，通常采用Kloubuchar模型。Kloubuchar模型需要輸入由GPS導航電文廣播的8個參數，將參數帶入電離層試驗模型，計算相應的電離層影響的偽距誤差后定位。Kloubuchar模型為全球統(tǒng)計模型，一般情況下可以消除55%左右的電離層延遲誤差[3]。

2.2 雙頻電離層模型

雙頻電離層改正：由于電離層的延遲和頻率的平方成反比，可以通過接受雙頻信號，線性組合求差后消除電離層誤差。但GPS L2頻率為1 227.60 MHz，不在民用航空無線電頻率保護范圍內，民用航空不能利用雙頻改正來消除電離層誤差。

2.3 廣域增強系統(tǒng)電離層模型

廣域增強系統(tǒng)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(jiān)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，及相應的誤差門限信息值，并播發(fā)至用戶。用戶利用播發(fā)的值內插出用戶至衛(wèi)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。

電子密度最大的區(qū)域在離地面300～400 km處，故取350 km處作為一個假想球面，假定所有電子集中于該層面。以美國的廣域增強系統(tǒng)為例，在參考面上，經度線和緯度線按5°的間隔把參考面分割成一定數量的網格，網格的節(jié)點作為廣域增強系統(tǒng)發(fā)布電離層延遲誤差的依附點，如圖2所示[1]。

圖2 美國廣域增強系統(tǒng)電離層格網點Fig.2 FAA WAAS ionosphere gird

廣域增強系統(tǒng)監(jiān)測站采用雙頻P碼接收機實時計算出其可視范圍內GPS衛(wèi)星的電離層延遲值，同時計算出GPS衛(wèi)星在電離層參考面上穿透點的經緯度，主控站根據各監(jiān)測站的數據計算出電離層參考面上每個網格節(jié)點的垂直入射方向的電離層延遲值，并按一定格式生成電文由同步通信衛(wèi)星轉發(fā)給區(qū)域內廣大用戶。用戶通過計算其可視GPS衛(wèi)星在電離層參考面上的經緯度并對照接收到的網格節(jié)點電離層延遲數據，依據距離加權算法計算GPS衛(wèi)星的電離層延遲值[4]。

2.4 GBAS系統(tǒng)電離層模型

對GBAS系統(tǒng)而言，除了電離層異常以外的所有完好性威脅都可以在測距域通過監(jiān)視來避免。大型電離層空間梯度會造成較大的差分誤差并導致完好性失效。對于目前的單頻GBAS而言，僅僅通過在距離域監(jiān)控來減小電離層梯度的威脅非常困難，因為電離層空間梯度的完全探測無法保證。處理電離層威脅的一個方法是一致假設最差的電離層條件一致存在著，并且基于此假設來放大廣播的完好性參數，這種方法被稱為衛(wèi)星幾何構型篩選或者完好性因子放大算法。

為了減小最差距離誤差并提高可用性，GBAS系統(tǒng)額外添加一個GPS站，叫做電離層監(jiān)視器。電離層監(jiān)視器是設計用來檢測異常的電離層延遲梯度，一般安裝在遠離GBAS參考接收機安裝的那個跑道端，電離層監(jiān)測器處的穿透點相對于地面站受電離層異常的影響會更早。飛機到達估計點之前，如果電離層監(jiān)測器和地面站之間的載波相位測量值的差值超過最小可檢測到的誤差，那么就可以檢測到這組特定的威脅參數，可以有效地避免電離層風暴對GBAS的影響，如圖3所示。

圖3 局域增強系統(tǒng)電離層風暴模型Fig.3 GBAS ionosphere storm model

3 電離層對于民用航空導航的影響

由于航空導航無線電保護頻率的限制，現階段民航衛(wèi)星導航用戶只能使用GPS L1 1 575.42MHz信號，分為非增強型GPS用戶和增強型GPS用戶。

對于非增強型單頻GPS用戶而言，空間天氣會導致信號容易喪失完整性和準確性；對使用增強型單頻GPS用戶而言，空間天氣會使信號喪失可用性。在極端事件期間，用戶會無法使用GPS信號，如太陽爆發(fā)會帶來射電干擾，電離層閃爍會導致GPS接收機無法捕獲部分乃至全部衛(wèi)星信號。增強型GPS用戶不太容易受到輕微和中度電離層擾動的影響，但仍會受到閃爍、太陽射電爆發(fā)和大的電離層擾動的影響[5-6]。

隨著中國民航PBN應用的逐步推廣，GPS衛(wèi)星導航已可應用于航路、終端區(qū)、進近、著陸等不同的階段，國際民航組織對于各個階段衛(wèi)星導航的性能提出了具體的需求，如表1所示。

表1 國際民航組織衛(wèi)星導航精度需求Tab.1 ICAO GNSS accuracy requirement

根據國際民航組織衛(wèi)星導航精度要求，針對航路和終端區(qū)導航運行，電離層對于民航影響不大；而對用于著陸和對接中的高精度型導航需求而言，要求十分嚴格，電離層則會產生致命的影響，尤其是在太陽活動頻繁時期。

2003年3月26日太陽風暴爆發(fā)期間，美國馬薩諸塞州以及北部地區(qū)的許多GPS接收機無法跟蹤在軌衛(wèi)星信號，同年11月20日電離層風暴期間，美國北部地區(qū)用戶即使能接收到導航信號，但導航定位精度誤差增大了約25 m。2006年12月6日太陽風暴期間，地球向日面內的很多單頻GPS接收機功能喪失，時間持續(xù)數分鐘。

4 民用航空導航消除電離層影響的解決方案

鑒于民用航空目前只能使用接收GPS L1信號的單頻非增強型和增強型接收機的情況，為盡可能消除電離層誤差，減少電離層風暴期間對民用航空導航的影響，可以采用構建地區(qū)電離層模型、建立電離層風暴監(jiān)測和預報網絡、構建備份的導航網絡、開展GPS衛(wèi)星L5頻段在民航的應用研究等方式解決電離層對民用航空的影響。

1）構建區(qū)域電離層模型 國際民航組織亞太地區(qū)于2011年5月召開亞太地區(qū)電離層數據收集、分析研討會，要求亞太地區(qū)各國相互合作，開展電離層數據收集和分析工作，準備建立適用于民用航空導航的亞太地區(qū)電離層模型。

2）建立電離層風暴監(jiān)測和預報網絡 由于電離層風暴、異常同太陽活動密切相關，為解決由于電離層風暴、等離子體泡、電離層閃爍等各種對于民用航空導航不利影響的問題，有必要利用現有資源和設施建立電離層實時觀測網絡，同時同國家氣象局等部門密切合作，從影響電離層異常的太陽異常活動角度適時對電離層風暴等異常情況進行預報。

3）構建備份的導航網絡 為避免由于電離層風暴導致的衛(wèi)星導航失效影響民用航空運行事件的發(fā)生，在中國民航全面推動基于GNSS的PBN運行的實施過程中，保持具備VOR/DME、DME/DME、儀表著陸系統(tǒng)的多種導航方式，可作為衛(wèi)星導航失效情況下的備份手段。

4）利用將來的GPS衛(wèi)星新頻率 根據衛(wèi)星導航的現代化發(fā)展進程，從GPS的IIF批次衛(wèi)星開始，在航空保護頻段使用一種新的L5民用GPS信號。L5信號和L1信號并行使用可以使GPS接收機估算并去除電離層誤差。新的信號和編碼抵御因閃爍或太陽射電爆發(fā)導致的信號衰落的能力增強。

5 結語

隨著中國民航PBN實施的推進，衛(wèi)星導航將最終成為民用航空導航的主用導航手段，但中國地處中低緯度地區(qū)，具有明顯的區(qū)域電離層環(huán)境特性，電離層赤道異常、電離層風暴等都可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，影響民用航空導航的精度和完好性，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，因此，中國民航在應用衛(wèi)星導航系統(tǒng)時有必要針對中國區(qū)域的電離層環(huán)境特性開展系統(tǒng)、深入的研究，消除電離層對民用航空導航的影響。

[1]美國聯(lián)邦航空局GPS網站.[2012-05-06].http://gps.faa.gov.

[2]袁運斌.基于GPS的電離層監(jiān)測及延遲改正理論與方法的研究[D].北京:中國科學院測量與地球物理研究所,2002.

[3] KLOBUCHAR J A.Ionospheric time delay algorithm for single-frequency GPS user[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1987，23（3）：325-331.

[4]VAN DIERENDONK A J，ENGE P.The wide area augmentation system signal specification[J].Proceeding of ION GPS，1994，1：985-994. [5]王 剛，魏子卿.網格電離層延遲網模型的建立方法與試算結果[J].測繪通報，2000，4（9）：59-63.

[6]王永澄，黃建宇，周其煥.GPS廣域增強系統(tǒng)的電離層延遲網格校正法[J].通信學報，1998，19（12）：38-41.

（責任編輯：楊媛媛）

Analysis of ionosphere impact to GNSS civil aviation application

ZHU Guo-hui1，SHI Le1，ZHU Yan-bo2
（1.Air Traffic Management Bureau，CAAC，Beijing 100022，China；2.Aviation Data Communication Corporation，Beijing 100191，China）

The ionosphere is the most complex factor of GNSS error of the civil aviation operation.As the character of complex model，disturbance，scintillation and storm，the ionosphere will bring serious effect to civil aviation especially at the solar cycles.Now there are the methods of model，relative positioning，and ICAO also start the work of collecting ionosphere data and creating regional ionosphere model.This paper is mainly focus on the ionosphere character，the effect of civil aviation，and bring forward the way to eliminate the ionosphere effect.

satellite navigation；ionosphere storm；ionosphere scintillation；Kloubuchar；WAAS

V249.3

A

1674－5590（2013）01－0001－04

2012-05-04；

2012-08-10

國家科技支撐計劃項目（2011BAH24B02）；國家自然科學基金項目（61079016）

朱國輝（1981—），男，河北廊坊人，工程師，碩士，研究方向為民航空管衛(wèi)星導航應用.