衛(wèi)星導航增強中的電離層擾動影響研究
——基于系統(tǒng)可靠性工程的視角

劉鈍，李銳

(1.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107；2.北京航空航天大學,北京 100083)

0 引言

導航應用的特殊性對無線電導航系統(tǒng)提出多種要求，包括系統(tǒng)精度、可用性、可靠性、完好性、覆蓋范圍，系統(tǒng)容量等[1].全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)的出現(xiàn)不僅促進了無線電導航系統(tǒng)的發(fā)展，更重要的是，GNSS 的廣泛應用與深入發(fā)展使得對導航系統(tǒng)的性能要求有了新的解釋和內容.隨著上世紀90年代以廣域增強系統(tǒng)(WAAS)和局域增強系統(tǒng)(LAAS)為代表的GNSS 增強系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展，精度、完好性、連續(xù)性和可用性已成為GNSS 增強系統(tǒng)，乃至GNSS 自身發(fā)展的重要技術要求[1-4].隨著GNSS 增強系統(tǒng)性能要求的發(fā)展，相應的增強系統(tǒng)設計開發(fā)技術也不斷被提出并持續(xù)完善和發(fā)展.

電離層環(huán)境是影響GNSS 及其增強系統(tǒng)的重要空間環(huán)境因素[3-5].在多種無線電系統(tǒng)應用中，電離層環(huán)境影響主要是以折射誤差的形式出現(xiàn)，系統(tǒng)中的相關應用技術主要是電離層折射誤差修正.隨著應用的發(fā)展，一些系統(tǒng)(如SAR 成像、電子對抗等)對電離層環(huán)境研究提出了新的要求，但沒有哪個系統(tǒng)像GNSS 一樣對電離層環(huán)境影響及應對技術提出多方面的甚至是全新的要求.單純地站在折射誤差修正角度考慮問題，已遠遠不能滿足GNSS 及其增強系統(tǒng)應用的要求.必須要根據(jù)GNSS 應用的需求，深入分析GNSS 增強系統(tǒng)或技術實現(xiàn)的內在要求，結合電離層環(huán)境技術特點，建立針對性的GNSS 增強系統(tǒng)電離層影響應對實現(xiàn)技術.

建立GNSS 及其增強系統(tǒng)中的電離層影響應對技術對我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)的發(fā)展具有重要意義.一是因為中國區(qū)域電離層環(huán)境與北美及歐洲地區(qū)電離層環(huán)境迥異，尤其是在嚴重影響GNSS 增強系統(tǒng)的不同電離層擾動環(huán)境因素上，很難有相應的成熟技術直接使用；二是國外GNSS 增強系統(tǒng)現(xiàn)有技術標準是否適合中國區(qū)域電離層環(huán)境特征，也需要進一步分析驗證，必要時需提出針對性改進措施和建議.此外，BDS 具有自身應用特點，中國區(qū)域BDS 增強系統(tǒng)的建設和應用要求建立適合中國區(qū)域特征的電離層環(huán)境影響應對實現(xiàn)技術.

GNSS 增強系統(tǒng)的發(fā)展，尤其是系統(tǒng)完好性技術實現(xiàn)對電離層環(huán)境影響應對技術提出新的要求.建立模型對電離層誤差進行修正的方法已不能滿足系統(tǒng)完好性實現(xiàn)的要求，必須考慮根據(jù)系統(tǒng)完好性的實現(xiàn)需求建立相應的電離層影響研究方法.考慮到系統(tǒng)完好性研究方法借鑒系統(tǒng)可靠性工程研究方法，因此，本文結合系統(tǒng)可靠性工程中一些主要概念、方法，對GNSS 完好性相關的電離層環(huán)境影響研究方法進行分析，指出現(xiàn)有技術在中國區(qū)域增強系統(tǒng)或技術實現(xiàn)中存在的不適用性，希望能為GNSS 電離層環(huán)境應用技術研究提供一種新的視角.

需要說明的是，隨著技術不斷發(fā)展和逐漸成熟，高精度定位也正在成為一種新的GNSS 性能“增強”服務應用.高精度定位中，強調對各種誤差源的有效消除(如對于電離層誤差可采用雙頻測量有效消除)，提高定位的精度性能，因此側重于面向定位應用.而系統(tǒng)建設中關注的GNSS 增強，強調的是在滿足用戶定位精度要求下，如何保證系統(tǒng)性能的可靠性實現(xiàn)，更側重導航應用.因此，本文提出的利用系統(tǒng)可靠性工程觀點研究電離層環(huán)境影響，更側重于后一種概念上的GNSS 增強系統(tǒng)或技術實現(xiàn).

1 衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)需求

衛(wèi)星導航應用涉及生命安全，因此要求GNSS 必須提供連續(xù)的高品質服務.衛(wèi)星導航系統(tǒng)用于航行引導時，對系統(tǒng)的要求主要集中體現(xiàn)在以下四個方面[1-3]：

1)精度，是指系統(tǒng)測量或估計的位置、時間等導航信息與真實值之間的重合度，為一個隨機變量，只能用統(tǒng)計值來表達[1].對GNSS 一般用于水平定位精度、垂直定位精度和時間精度給出.

2)完好性，是用于對導航系統(tǒng)所提供信息的正確度進行可信程度度量的一種指標，其中包含當系統(tǒng)不應當用于導航時系統(tǒng)向用戶發(fā)出及時報警的能力.它由三部分構成：①報警門限.不同的航行操作有不同的精度要求和不同的報警門限，當實際定位誤差超過了這個門限時系統(tǒng)便要經(jīng)由用戶設備發(fā)出報警;②報警時間.指從出現(xiàn)報警條件到報警消息到達用戶設備的時間，這其中包括系統(tǒng)檢測出報警條件的時間;③危險誤導信息(HMI)概率.HMI 指沒有發(fā)出完好性報警而實際上誤差超過了報警門限的情況，不同的飛行操作對HMI 有不同要求[1].

3)連續(xù)性，指系統(tǒng)在將要執(zhí)行的航行操作持續(xù)期間內完成其功能而不發(fā)生意外中斷的能力.GNSS的連續(xù)性要求實際取代了原來無線電導航系統(tǒng)中的可靠性要求，即系統(tǒng)在給定使用條件下在規(guī)定時間內以規(guī)定性能完成其功能的概率，實際標志為系統(tǒng)發(fā)生故障的頻度[1].

4)可用性，對于GNSS 而言，是指在系統(tǒng)正常運行情況下同時滿足精度、完好性和連續(xù)性要求的概率[1].

GNSS 增強系統(tǒng)的完好性要求具有重要地位，是GNSS 應用中極其重要和復雜的要求.早期的GPS并不能滿足上述性能要求，尤其是完好性要求，因此提出了GPS 增強系統(tǒng)概念.主要包括天基增強系統(tǒng)(SBAS)和地基增強系統(tǒng)(GBAS)，前者如美國的WAAS、歐洲的EGNOS，后者如美國的LAAS[1-2,6].此外，還有接收機自主完好性監(jiān)測技術(RAIM)[2-3,7]，不同技術適用于具有不同要求的航空飛行階段.Galileo系統(tǒng)首次提出在全球導航系統(tǒng)中實現(xiàn)完好性技術.美國在其GPS 發(fā)展演化結構研究中，進一步提出RRAIM(Relative RAIM)和ARAIM(Advanced RAIM)的概念[8-9].目前，ARAIM 技術被認為是未來GNSS 實現(xiàn)完好性的重要技術.

GNSS 完好性設計實現(xiàn)技術處于不斷發(fā)展演變中，目前尚未有專門的權威著作系統(tǒng)論述完好性設計與實現(xiàn)技術.對于GNSS 完好性，普遍的做法是采用可靠性系統(tǒng)工程方法開展研究[10-14].系統(tǒng)可靠性工程的目標是系統(tǒng)可靠性的實現(xiàn)，關注的是影響系統(tǒng)可靠性實現(xiàn)的各種故障因素[15-16].與此相對應，GNSS 增強系統(tǒng)的完好性是指系統(tǒng)性能的高可信度(即高度可靠地)實現(xiàn)，影響系統(tǒng)完好性的因素是各種誤差源.系統(tǒng)完好性實現(xiàn)中，要對影響系統(tǒng)性能的各種誤差因素進行有效、準確補償修正，并在誤差導致的“修正”信息不能滿足系統(tǒng)要求時及時對誤差因素進行識別和報警.因此，可以將系統(tǒng)可靠性工程的研究方法用于指導GNSS 完好性研究.具體到增強系統(tǒng)中的電離層影響分析研究，則需要明確有哪些因素可以引起電離層誤差，可以采用什么措施進行誤差補償，如何對誤差修正信息的可信度進行評估，如果存在不能修正的電離層誤差因素應如何進行檢測報警等.

可靠性工程中，要對影響系統(tǒng)可靠性的故障因素進行故障模式分析(FMEA)，并對故障模式進行識別和預測[15-16].相應地，可將故障模式分析、故障識別與預測的概念、原理或方法用于GNSS 完好性相關的電離層影響研究，包括系統(tǒng)完好性實現(xiàn)中的電離層影響分析，對電離層誤差補償信息的可信度評估，對嚴重影響系統(tǒng)完好性性能實現(xiàn)的電離層影響因素的檢測和識別等.

國內外一些學者認為，電離層主要影響GNSS 連續(xù)性，如電離層閃爍可以造成用戶接收機跟蹤GNSS信號中斷，由此造成的系統(tǒng)服務中斷屬于系統(tǒng)連續(xù)性影響范疇[17-18].其實從系統(tǒng)完好性定義可以看出，完好性強調的是系統(tǒng)提供服務信息的可靠性.在電離層閃爍、電離層暴等擾動影響下，系統(tǒng)播發(fā)的電離層差分修正信息并不能保證其在用戶端的可信度.在電離層閃爍影響下，RAIM 并不能夠實現(xiàn)預期的故障檢測和識別功能，ARAIM 在閃爍影響下也存在類似情況.從這個意義而言，電離層影響的是系統(tǒng)完好性.盡管電離層擾動(如閃爍)可以造成信號中斷，影響系統(tǒng)服務的連續(xù)性，但其實在閃爍引起信號中斷之前，系統(tǒng)提供的服務已不能滿足完好性應用要求.因此，對電離層擾動的影響，更應該從系統(tǒng)完好性角度進行考慮.

2 影響系統(tǒng)完好性的電離層環(huán)境因素

可靠性工程中將不能完成預定功能的事件或狀態(tài)稱為故障[15].對于GNSS 增強系統(tǒng)而言，影響系統(tǒng)性能實現(xiàn)的電離層環(huán)境變化才是要考慮的“故障”因素.從電離層形態(tài)上分析，影響GNSS 增強系統(tǒng)的電離層環(huán)境因素包括電離層異?，F(xiàn)象(如赤道電離異常)及電離層擾動變化.

2.1 低緯地區(qū)赤道電離異常影響

電離層中重復出現(xiàn)的規(guī)律性變化稱為背景電離層變化[19].背景電離層引起用戶偽距測量中的延遲誤差.對于單頻系統(tǒng)而言，GNSS 增強系統(tǒng)采用差分技術對延遲誤差進行修正[20-21].在新的發(fā)展中，GNSS采用雙頻測量方法對電離層延遲誤差進行消除.

差分技術實現(xiàn)的前提是電離層球殼模型假設，即電離層垂直延遲隨空間變化可以看作是一個平滑球面，這意味著電離層延遲在空間上高度相關，因此，可以通過差分技術對電離層延遲進行消除[20-21].

差分技術可以有效地消除電離層延遲隨空間的平坦變化，因此，對于中緯地區(qū)平靜電離層環(huán)境而言，背景電離層不是影響增強系統(tǒng)的“故障”因素.在低緯地區(qū)存在赤道電離異常(EIA)現(xiàn)象，EIA 使得電離層延遲在磁低緯地區(qū)呈“駝峰”狀變化，這種電離層延遲沿緯度的變化可以造成電離層延遲梯度變化，破壞了電離層球殼模型假設，影響差分技術的實現(xiàn)，因此是GNSS 單頻增強系統(tǒng)中應考慮的“故障”因素[22].

采用雙頻測量可以有效消除電離層延遲影響，且不受電離層延遲空間相關性的影響.因此，在GNSS雙頻增強系統(tǒng)實現(xiàn)中，EIA 不再是影響系統(tǒng)完好性的“故障”因素.

2.2 電離層暴影響

太陽耀斑爆發(fā)噴射的等離子體云到達地球后與地磁場作用引起地磁暴，伴隨著磁暴在全球范圍內電離層都顯示出一些劇烈變化，統(tǒng)稱為電離層暴[19].

電離層暴的影響包括兩個方面：一是暴期間電子密度增大引起電離層延遲誤差增大；二是暴可以降低電離層延遲空間相關性，引起陡峭的電離層延遲梯度變化[23].由于影響GNSS 增強系統(tǒng)差分技術實現(xiàn)的原因是電離層延遲梯度而不是延遲自身，因此電離層暴引起的延遲空間梯度變化是GNSS 單頻系統(tǒng)完好性實現(xiàn)中需關注的“故障”因素.采用雙頻測量可以有效消除電離層暴引起的延遲，因此電離層暴不是影響GNSS 雙頻增強系統(tǒng)的“故障”因素.

2.3 電離層閃爍影響

電離層中存在的小尺度不均勻體對穿越其中的衛(wèi)星信號造成折射、衍射傳播效應，使得接收的衛(wèi)星信號表現(xiàn)出快速的幅度起伏和相位抖動，這種現(xiàn)象稱為電離層閃爍[24-25].

電離層閃爍對GNSS 增強系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在兩個方面：一是閃爍引起接收到的衛(wèi)星信號出現(xiàn)幅度衰落和相位抖動，造成偽距測量誤差增大、載波出現(xiàn)頻繁周跳和失鎖，嚴重時可引起接收機環(huán)路失鎖；二是造成閃爍的電子密度不均勻體同樣會引起衛(wèi)星信號的電離層延遲誤差，小尺度電子密度不均勻體也意味著其造成的電離層延遲是空間不相關的，因此會對差分修正技術產(chǎn)生影響[26].

可以看出，閃爍會對增強系統(tǒng)用戶測量產(chǎn)生誤差影響，對系統(tǒng)提供的差分修正信息產(chǎn)生影響，因此是影響增強系統(tǒng)的“故障”因素.由于閃爍對GNSS 工作的整個L 頻段具有影響，且難以通過雙頻測量加以消除，因此是GNSS 單頻和雙頻增強系統(tǒng)中主要的電離層環(huán)境相關“故障”因素.

現(xiàn)有GNSS 增強系統(tǒng)文獻中，對所有電離層延遲的“異常”變化都稱為電離層擾動影響[27].這在中緯電離層區(qū)域可行，但在低緯地區(qū)并不恰當.因為引起電離層延遲異常變化的還有低緯地區(qū)的EIA 現(xiàn)象，同時電離層“異?！弊兓?如閃爍)引起的系統(tǒng)影響效應也并不全部體現(xiàn)為延遲影響.本文在不影響理解情況下仍將不同電離層異常變化稱為電離層擾動影響.

3 電離層擾動影響的故障模式分析

電離層擾動影響故障模式分析，即針對嚴重影響GNSS 增強系統(tǒng)和技術的不同電離層擾動現(xiàn)象，分析其影響機制、影響結果，及系統(tǒng)可采用的措施.

3.1 電離層暴影響的故障模式分析

3.1.1 SBAS 電離層暴影響故障模式分析

電離層暴對SBAS 的影響源于暴引起的陡峭電離層空間梯度變化，尤其是在急始的強暴開始期間，劇烈的電離層電子密度變化引起的延遲梯度變化.

單頻SBAS 采用網(wǎng)格模型對電離層延遲誤差進行差分修正，并實現(xiàn)相應的完好性功能[28-29].電離層網(wǎng)格模型實現(xiàn)中，首先進行網(wǎng)格點電離層擾動檢測，只有通過擾動檢測的網(wǎng)格點才會進一步估計網(wǎng)格點參數(shù)(電離層垂直延遲(GIVD)和電離層垂直誤差(GIVE))，沒有通過擾動檢測的網(wǎng)格點將GIVE 值置為不可用狀態(tài).

GIVE 實際為SBAS 對所發(fā)布電離層修正信息的一種可信度度量.GIVE 計算中除了考慮網(wǎng)格模型由于自身不適用性引起的誤差外，還會進一步利用電離層威脅模型考慮暴引起的延遲梯度變化.電離層威脅模型是增強系統(tǒng)用于描述電離層誤差對系統(tǒng)完好性威脅影響的定量分析模型[27,30-31].考慮電離層威脅模型后，如得到的GIVE 超過閾值，則GIVE 也將被置為不可用狀態(tài).

文獻[23]對中國區(qū)域電離層網(wǎng)格模型進行了分析，結果表明，電離層延遲空間梯度變化是影響SBAS 完好性實現(xiàn)的主要因素.低緯EIA 現(xiàn)象同樣可以引起較大的電離層延遲梯度變化，造成網(wǎng)格模型不適用性，并使電離層威脅模型估計增大，使得計算的GIVE 估值增大，增加了GIVE 超限而不可用的風險.文獻[32]中進一步指出，網(wǎng)格模型擾動檢測結果與電離層延遲平均梯度變化具有一致性.因此，低緯EIA現(xiàn)象造成電離層延遲平均梯度增大，使得網(wǎng)格模型的擾動檢測更容易被觸發(fā)而使SBAS 處于不可用狀態(tài).尤其是在太陽活動高年電離層活躍情況下，盡管沒有電離層暴發(fā)生，但低緯EIA 現(xiàn)象仍可以觸發(fā)網(wǎng)格模型的擾動檢測.這種“誤警”實際由電離層網(wǎng)格模型自身設計造成，而并不是一種電離層擾動變化影響.

3.1.2 GBAS 電離層暴影響故障模式分析

單頻GBAS 實現(xiàn)中同樣采用差分技術進行電離層延遲誤差修正，因此電離層對GBAS 影響與SBAS類似，但由于GBAS 的完好性要求高于SBAS，因此其系統(tǒng)實現(xiàn)技術更為嚴格.

GBAS 中同樣進行電離層擾動檢測，并采用電離層威脅模型計算完好性門限.以LAAS為例，LAAS中建立有威脅模型，在完好性門限計算中考慮電離層延遲梯度的影響.在平靜情況下，LAAS 認為電離層延遲梯度變化為2～5 mm/km；在電離層暴影響下，電離層延遲梯度變化可達數(shù)百mm/km(如北美地區(qū)檢測到316 mm/km 的延遲梯度變化)[33-34].由于LAAS覆蓋局域范圍，因此對電離層暴的檢測存在時效性不足問題.目前尚未見到關于LAAS 中電離層暴檢測識別方法的具體實現(xiàn)措施，相關文獻中提出利用WAAS的信息進行輔助分析，或者在LAAS 覆蓋區(qū)域內建立專用電離層暴監(jiān)測基線[34].

文獻[35]中對中國南方地區(qū)EIA 影響下的電離層延遲梯度進行了分析，結果表明，在電離層暴和低緯EIA 現(xiàn)象的聯(lián)合影響下，從電離層異常峰值區(qū)域(廣州)至電離層異常北坡坡底(上海)的大范圍內，普遍存在15 mm/km 的電離層延遲梯度變化.暴期間曾檢測到240 mm/km 的電離層延遲梯度.電離層閃爍同樣會引起電離層延遲梯度變化，文獻[36]中的工作表明，閃爍可以引起196 mm/km 的電離層延遲梯度變化.

上述結果表明，中國區(qū)域電離層擾動影響下的延遲梯度變化特征與北美區(qū)域不同，LAAS 中僅需考慮暴引起的梯度變化.中國區(qū)域GBAS 中需分別針對電離層暴和電離層閃爍兩種現(xiàn)象考慮建立電離層威脅模型.同時，對電離層暴和電離層閃爍也需建立不同的識別方法.

3.2 電離層閃爍影響的故障模式分析

3.2.1 電離層閃爍影響形式與機理

電離層閃爍通過衍射或折射效應對GNSS 信號傳播產(chǎn)生影響，因此閃爍對GNSS 信號測量影響表現(xiàn)在多個方面[26].

1)電離層閃爍對GNSS 信號載噪比的影響

閃爍引起穿越其中的衛(wèi)星導航信號強度出現(xiàn)快速起伏，表現(xiàn)在接收機接收信號上為信號載噪比的快速起伏變化、接收信號出現(xiàn)深度衰落.在中等強度閃爍(閃爍指數(shù)S4為0.3～0.6)影響下，信號強度下降幅度可達6～15 dB.強閃爍可以使信號幅度衰落超過接收機靈敏度范圍，造成衛(wèi)星信號跟蹤的中斷[17-18,26].

2)電離層閃爍對偽距測量精度的影響

閃爍引起的GNSS 信號載噪比降低會造成接收機偽距測量精度降低，文獻[37]中通過對GPS/BDS閃爍期間的跟蹤測量數(shù)據(jù)分析表明，受閃爍影響的各顆衛(wèi)星偽距測量精度均有下降，嚴重情況下出現(xiàn)對信號的失鎖，沒有相應衛(wèi)星的偽距測量輸出.

3)電離層閃爍對載波測量的影響

閃爍造成接收信號載波相位快速起伏變化，載波周跳發(fā)生次數(shù)也大幅增加.通過對2001年電離層閃爍期間我國南方區(qū)域GPS 觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，發(fā)生電離層閃爍時，GPS 接收機的周跳現(xiàn)象在1 h內最多可以達到約230 次，遠大于電離層平靜時的次數(shù)(1 h 內最多不超過15 次)[26].

4)電離層閃爍對延遲測量的影響

閃爍發(fā)生期間，如果參考站與用戶接收的GNSS信號穿越閃爍影響在不同區(qū)域，則電離層電子密度不均勻體引起的電離層延遲變化將對差分技術產(chǎn)生影響.閃爍相關的不均勻體可造成電離層延遲在數(shù)千米基線距離上產(chǎn)生米級偏差[38].

5)電離層閃爍對GNSS 可見星的影響

強閃爍可造成衛(wèi)星信號失鎖，引起可見衛(wèi)星數(shù)降低，進而影響定位用的精度衰減因子(DOP)[17,26,37].

3.2.2 GNSS 增強中的閃爍影響故障模式分析

電離層閃爍的上述影響進一步表現(xiàn)在對GNSS增強系統(tǒng)或技術的影響上，包括：

1)GNSS 信號強度、偽距測量誤差，甚至信息的中斷將影響增強系統(tǒng)地面站數(shù)據(jù)處理流程實現(xiàn).增強系統(tǒng)利用載波相位測量對碼偽距測量進行平滑，降低碼偽距測量中的噪聲.閃爍引起的載波周跳或中斷會影響對偽距測量的平滑能力.同時，由于閃爍影響下GNSS 碼偽距測量誤差增大，也增加了載波周跳檢測的困難[26,39].

2)造成閃爍的小尺度電離層電子密度不均勻體同樣會引起信號路徑延遲，并且這種延遲在較短的距離上也會不相關，由此造成差分技術不能對電離層延遲誤差進行有效消除，相反會引進一個電離層延遲偏差，對系統(tǒng)完好性造成影響[38].

3)RAIM 功能的實現(xiàn)對空間可見星有要求，閃爍造成可見衛(wèi)星數(shù)降低，直接影響RAIM 進行故障檢測和識別功能的實現(xiàn).閃爍造成偽距測量誤差增大，會造成RAIM 能夠檢測出故障存在但不能對故障進行識別等多種RAIM 失效問題[40].

4)閃爍會對GNSS 工作的整個L 頻段產(chǎn)生影響，且不同頻率上的閃爍影響不具有相關性，因此不能通過雙頻測量方法加以消除.閃爍影響的這種特征使其成為未來雙頻體制下系統(tǒng)完好性實現(xiàn)(如ARAIM)的最重要空間環(huán)境影響因素.

5)對SBAS 而言，監(jiān)測站與用戶的距離可達數(shù)百千米，監(jiān)測站和用戶很少會受到同樣的電離層閃爍影響，因此監(jiān)測站難以實現(xiàn)對用戶端閃爍影響的監(jiān)測，用戶端必須具有自身的閃爍監(jiān)測識別能力.對于GBAS 而言，監(jiān)測站和用戶距離較近，會同時受到同樣的閃爍影響，因此GBAS 中應考慮對閃爍進行監(jiān)測和識別，并進行完好性信息發(fā)布.

6)盡管SBAS和GBAS 監(jiān)測站可以從信號測量、偽距測量及信息層面進行數(shù)據(jù)質量控制和處理，實現(xiàn)對閃爍事件的識別，但對于RAIM 用戶而言，缺乏必要的數(shù)據(jù)處理資源和冗余觀測數(shù)據(jù)，因此RAIM會面臨嚴重的閃爍影響.

7)新的增強技術ARAIM 中，為衛(wèi)星空間信號的完好性進行風險指標分配(10-5)，其默認前提是衛(wèi)星發(fā)射信號的完好性風險與用戶接收信號的完好性風險是一樣的，也即信號在空間傳播過程中不受任何影響[41].這種假設在電離層閃爍影響情況下是不成立的，信號在傳播過程中會由于閃爍的影響而使得在接收機端的完好性風險與衛(wèi)星端的完好性風險不一樣.

由此可以看出，閃爍是影響GNSS 增強系統(tǒng)完好性的重要因素，但現(xiàn)有及未來發(fā)展的增強系統(tǒng)技術并未有足夠的考慮.

4 GNSS 增強中電離層擾動影響檢測與識別

GNSS 增強系統(tǒng)中認為電離層影響主要為延遲誤差，所以對電離層擾動的檢測主要通過對測量殘差進行檢測而實現(xiàn).基于殘差的檢測可對電離層引起的偽距測量誤差異常變化進行實時檢測，但檢測的有效性在覆蓋低緯地區(qū)的增強系統(tǒng)中存在不適用性.

4.1 電離層暴影響的檢測和識別

SBAS 在電離層網(wǎng)格模型實現(xiàn)中設計有電離層擾動檢測功能，當檢測到存在電離層擾動時，將網(wǎng)格點或系統(tǒng)置為不可用狀態(tài).SBAS 電離層擾動檢測包括網(wǎng)格點擾動檢測和全系統(tǒng)擾動檢測[21,29].

網(wǎng)格模型中首先進行網(wǎng)格點電離層擾動檢測，只有通過擾動檢測的網(wǎng)格點才會進一步進行網(wǎng)格點參數(shù)估計.網(wǎng)格點擾動檢測的目的是確認SBAS 獲得的電離層延遲測量在網(wǎng)格點附近是否滿足網(wǎng)格模型實現(xiàn)條件，即是否滿足球殼模型假設以利用平面擬合方法進行網(wǎng)格點電離層延遲估計.因此，網(wǎng)格點擾動檢測采用卡方檢測或改進的卡方檢測實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方法中利用網(wǎng)格點電離層延遲平面擬合殘差作為統(tǒng)計量進行擾動檢測[27,29].

在電離層網(wǎng)格點擾動檢測基礎上，SBAS 進一步進行全系統(tǒng)電離層擾動檢測[29].WAAS 研究中發(fā)現(xiàn)，強電離層暴期間會在局域范圍存在陡峭的電離層延遲變化不能被系統(tǒng)監(jiān)測站有效監(jiān)測到，因此設置全系統(tǒng)擾動檢測，當全系統(tǒng)都受電離層暴影響時，意味著有強電離層暴發(fā)生，局域性電離層延遲陡峭梯度變化發(fā)生概率增大，對系統(tǒng)完好性實現(xiàn)的風險性也增大[42].此時系統(tǒng)將所有網(wǎng)格點延遲誤差估計GIVE 置為最大值(45 m)，即整個系統(tǒng)處于不可用狀態(tài).

SBAS 中的全系統(tǒng)電離層暴擾動檢測方法來源于電離層研究中的暴檢測方法.全系統(tǒng)電離層擾動檢測針對系統(tǒng)覆蓋范圍內的每個電離層網(wǎng)格點進行擾動檢測，檢測量為，其中， χ2為網(wǎng)格點電離層延遲平面擬合殘差，為完好性風險為10-3時對應的卡方分布值.當所有網(wǎng)格點的擾動檢測值T連續(xù)大于預定門限值Tmax1，且持續(xù)時間超過預定長度Tseg1時，判斷整個系統(tǒng)受到強電離層暴影響，全系統(tǒng)內的電離層網(wǎng)格延遲誤差GIVE 置為最大值，SBAS 處于不可用狀態(tài).當擾動檢測值T連續(xù)小于預定門限值Tmax2，且持續(xù)時間超過預定長度Tseg2時，判斷整個系統(tǒng)恢復至平靜電離層環(huán)境情況，系統(tǒng)內的電離層網(wǎng)格延遲誤差GIVE 按正常估計方法進行計算[23,27,29].

電離層暴同樣是嚴重影響GBAS 性能的重要因素，對于GBAS 而言，電離層擾動檢測需求更為迫切，只有檢測到電離層擾動影響的存在，才能啟動電離層威脅模型進行完好性門限計算.但在GBAS 相關研究中，尚未見到關于電離層暴檢測的介紹.文獻[34]中僅提到在LAAS 附近建立較長基線以提高對電離層暴擾動檢測的能力.

4.2 電離層閃爍影響的檢測與識別

SBAS和GBAS 監(jiān)測站中設計有完善的GNSS信號處理流程，可以從信號質量、測量質量和數(shù)據(jù)質量方面，利用冗余測量對GNSS 信號進行監(jiān)測[39].因此，閃爍引起的信號起伏衰落、相位抖動、電離層延遲變化均會在系統(tǒng)監(jiān)測站檢測到.

由于缺乏數(shù)據(jù)處理資源及冗余觀測信息，用戶端難以利用監(jiān)測站專用數(shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)對閃爍影響的檢測.閃爍會引起偽距測量誤差，利用RAIM 方法可在一定程度上進行用戶端的電離層閃爍影響檢測和識別.

RAIM 中對故障的檢測通過對統(tǒng)計量T進行檢測實現(xiàn)[2-3,43]

式中：FSSE為偽距殘差平方和；n為觀測的衛(wèi)星數(shù).檢驗的門限值TD為

式中：σ為偽距噪聲方差；門限值t由給定的系統(tǒng)誤警率PFA計算得到.比較檢測量T和門限值TD，如T＞TD，則系統(tǒng)存在故障，反之則無故障.

RAIM中對故障星的識別通過對統(tǒng)計量di進行檢測實現(xiàn)

式中：Sii為映射矩陣S的元素；Ri為第i顆星的偽距殘差值.給定漏檢率PMD，可計算得到檢測門限TE.

4.3 電離層擾動檢測識別的適用性分析

由于GNSS 增強系統(tǒng)由美國最早提出并實現(xiàn)(WAAS/LAAS)，其系統(tǒng)實現(xiàn)已成為一種標準而被廣泛采用.但WAAS和LAAS 主要針對北美中緯電離層環(huán)境實現(xiàn)，系統(tǒng)受到的擾動影響主要是電離層暴，系統(tǒng)設計中對赤道電離異常與電離層暴的區(qū)分、電離層閃爍影響均沒有考慮.這樣造成WAAS和LAAS系統(tǒng)技術在應用到低緯區(qū)域(甚至包括極區(qū))時存在不適用性.

4.3.1 低緯地區(qū)暴擾動檢測和識別的不適用性

GNSS 增強系統(tǒng)采用的電離層網(wǎng)格模型基于球殼模型假設實現(xiàn)，其本質是網(wǎng)格點周圍區(qū)域范圍內電離層延遲的平面擬合.因此，任何破壞這個假設的電離層異常變化均會引起網(wǎng)格點擾動檢測超限.對于中緯電離層環(huán)境而言，破壞平面假設的主要因素是電離層暴，而對于低緯電離層環(huán)境，破壞平面假設的因素包括赤道電離異常和電離層暴.因此，在電離層活躍時期以及電離層暴情況下，低緯地區(qū)電離層網(wǎng)格模型會出現(xiàn)網(wǎng)格點電離層擾動檢測被頻繁觸發(fā)的情況.

圖1 給出了太陽活動高年(2013年)電離層活躍時期(3月)中午時分(LT 14:02:00)，中國區(qū)域電離層網(wǎng)格模型的GIVE 分布.當天Dst指數(shù)平均值為9，表明沒有電離層暴發(fā)生.圖2 給出了太陽活動較強時期(2014年2月)夜間時分(LT 22:02:00)中國區(qū)域電離層網(wǎng)格模型的GIVE 分布.當天Dst指數(shù)平均值為–63，存在電離層暴影響.

圖1 中國區(qū)域電離層網(wǎng)格模型GIVE 分布

圖2 中國區(qū)域電離層網(wǎng)格模型GIVE 分布

由圖1 可知，在電離層活躍情況下的低緯地區(qū)，即使沒有電離層暴影響，由于赤道電離異常的存在，也會使得網(wǎng)格點擾動檢測超限，從而在中國南方地區(qū)形成一個帶狀的網(wǎng)格點不可用區(qū)域.根據(jù)圖2 可知在電離層暴發(fā)生時，電離層網(wǎng)格點會在一個更大范圍內處于不可用狀態(tài).造成這種情況的原因在于中國南方地區(qū)存在的赤道電離異?，F(xiàn)象同樣會破壞電離層網(wǎng)格模型實現(xiàn)中所依賴的平面球殼模型假設.

赤道電離異常對電離層網(wǎng)格模型的影響一般從本地10 時開始逐漸出現(xiàn)，在中午達到最大并可持續(xù)至傍晚.因此，按著WAAS 中全系統(tǒng)電離層暴擾動檢測規(guī)則，中國南方地區(qū)在太陽活動高年電離層活躍時期SBAS 應標識為系統(tǒng)不可用狀態(tài).由于赤道電離異常是低緯電離層存在的一種規(guī)律性變化現(xiàn)象，也就意味著SBAS 在低緯地區(qū)會存在經(jīng)常性的不可用問題.

造成上述問題的根源在于現(xiàn)有SBAS 中的電離層暴擾動檢測規(guī)則.實際分析表明，對于赤道電離異常影響，如果放松對電離層暴擾動的檢測要求，則可以在適當增大系統(tǒng)電離層網(wǎng)格模型誤差估計基礎上，提高網(wǎng)格模型的可用性[22].

4.3.2 電離層閃爍影響檢測和識別的不適用性

GNSS 增強系統(tǒng)或技術實現(xiàn)中并沒有針對電離層閃爍影響的檢測和識別措施.電離層閃爍對接收機信號質量和測量質量產(chǎn)生影響，因此在監(jiān)測站可以通過對信號質量和測量質量的檢測，發(fā)現(xiàn)存在的閃爍影響，但監(jiān)測站并不能識別出是否是閃爍影響.同時，由于閃爍是局域性現(xiàn)象且存在漂移變化，監(jiān)測站和用戶不會同時受到同樣的閃爍影響，因此即使監(jiān)測站檢測到閃爍影響，在沒有閃爍預測能力情況下，也無法將擾動信息發(fā)送給用戶使用.因此，GNSS 增強系統(tǒng)后繼發(fā)展中應加強用戶端的閃爍影響檢測識別能力.

對用戶而言，可利用RAIM 進行故障檢測和識別.RAIM 技術基于偽距測量殘差分析實現(xiàn)，并利用冗余觀測對存在故障的衛(wèi)星進行檢測和識別.在單一GNSS 情況下，假設存在單顆星故障，2 顆衛(wèi)星同時發(fā)生故障的概率很小，僅在多GNSS 情況下考慮[2-3,43].

強電離層閃爍會對用戶可見區(qū)域內多顆衛(wèi)星產(chǎn)生影響，同時引起多顆衛(wèi)星偽距測量誤差增大，或信號跟蹤失鎖.這超出了RAIM 實現(xiàn)的假設前提，因此RAIM 技術在強電離層閃爍影響情況下會出現(xiàn)不可用或不適用情況[40].

圖3～4 給出了RAIM 在閃爍影響下部分性能失效的示例.該示例利用iGMAS 昆明站KUNM(102°E,25°N)2014年3月5日(年積日64 天)的BDS 觀測數(shù)據(jù)分析獲得[40].

圖3 RAIM 故障檢測量T(藍色)和門限值TD(紅色)

由圖3 可知，在UT 13:04:27、UT 13:05:00、UT 13:05:03、UT 15:21:47 時刻，RAIM 檢測量T(藍線)超過檢測門限值TD(紅線)，表明RAIM 可檢測到故障.由圖4 可知在上述時刻，每顆星的RAIM 故障識別檢測統(tǒng)計量di受閃爍影響雖然均有不同程度異常起伏變化，但均未超過檢測門限TE，因此RAIM 不能對這些疑似故障星進行有效識別.由此可以看出，電離層閃爍影響可造成衛(wèi)星信號偽距測量誤差增大，相應地可造成總的偽距殘差增大，并造成RAIM 檢測量超限，檢測到存在“故障”.盡管每顆受閃爍影響的衛(wèi)星偽距誤差增大，但并不足以使得各顆衛(wèi)星的偽距故障檢測統(tǒng)計量超過檢測門限，因此檢測不出故障星.

圖4 RAIM 故障識別檢測量di(藍色)和檢測門限TE(紅色)

文獻[40]給出了RAIM 不可用的其他情形，包括由于某一顆或幾顆星存在較大偽距誤差而導致RAIM 不能識別發(fā)生故障的衛(wèi)星，以及強閃爍影響造成定位可用衛(wèi)星數(shù)少于6 顆或定位用DOP 不能滿足RAIM 使用要求等情況.

可以看出，閃爍對GNSS 復雜影響，并不能夠通過RAIM 技術進行完全檢測和識別.需要說明的是，上述分析僅針對偽距測量進行，如果進一步考慮閃爍造成的載波相位測量失鎖和周跳，情況將更為復雜，RAIM 會因為不能獲得連續(xù)的載波觀測而難以進行濾波，進而影響后繼的RAIM 或ARAIM 方法實現(xiàn)[41,44].

5 GNSS 增強中其他電離層影響相關問題

利用系統(tǒng)可靠性工程方法進行分析時，需要建立不同故障因素的可靠性模型，給出對故障特征的定量描述，以進行故障樹分析、可靠性指標分配、可靠性驗證試驗等工作.將電離層擾動作為影響GNSS 增強系統(tǒng)的故障因素進行分析時，同樣需對電離層擾動的影響特征進行適合系統(tǒng)要求的定量分析.

1)擾動發(fā)生的先驗概率

將電離層擾動作為影響GNSS 增強系統(tǒng)的故障因素進行分析時，需要確定電離層擾動事件發(fā)生的先驗概率，以進一步支撐故障模式分析、故障指標分配等工作.

電離層隨太陽活動變化具有周期性變化規(guī)律(11 a)，并且隨太陽活動高年和低年的變化，不同電離層擾動現(xiàn)象的發(fā)生頻度也不同.因此，如何對電離層擾動事件的先驗概率進行統(tǒng)計是需要研究的問題.

由于電離層環(huán)境測量手段的局限性，可用于GNSS電離層擾動環(huán)境影響分析的數(shù)據(jù)有限，如國際GNSS服務(IGS)數(shù)據(jù)也只有不到3 個太陽活動周期的GNSS觀測數(shù)據(jù).目前普遍的一種做法是利用日地空間環(huán)境數(shù)據(jù)進行電離層擾動事件發(fā)生頻度的近似和統(tǒng)計分析[5,45].

2)電離層威脅模型[30-31,33-34,36,46-48]

電離層威脅模型是GNSS 增強系統(tǒng)中用于描述電離層延遲梯度變化對系統(tǒng)完好性風險影響的定量描述模型.目前在星基增強系統(tǒng)(SBAS)中采用的電離層威脅模型包括“泡”狀和“墻”狀兩種模型，在地基增強系統(tǒng)(GBAS)中采用的電離層威脅模型包括“梯形”模型和“楔狀”模型.

SBAS 中的“泡”狀和“墻”狀模型是針對不同電離層延遲梯度產(chǎn)生機制而設計的模型[46-48].“泡”狀模型描述本地產(chǎn)生的電離層延遲梯度變化，如太陽爆發(fā)引起的低緯地區(qū)電離層暴造成的電離層電子密度增大.“墻”狀模型描述由于“漂移”(如暴由高緯向中低緯地區(qū)的發(fā)展)造成的電離層延遲梯度變化.GBAS 中的“梯形”模型主要針對電離層暴造成的單側電離層延遲梯度變化，而“楔狀”模型針對閃爍相關的不均勻體造成的雙側電離層延遲梯度變化[33-34,36].

可以看出，不同威脅模型針對的電離層擾動現(xiàn)象不同，同時電離層擾動現(xiàn)象還具有顯著的區(qū)域特征.因此，在電離層威脅模型建立中應考慮對電離層擾動現(xiàn)象進行識別，根據(jù)其變化特征選擇相應的威脅模型進行建模實現(xiàn).

3)擾動影響下的誤差特征分析

GNSS 增強系統(tǒng)中完好性檢測門限的實現(xiàn)一般基于誤差的正態(tài)分布假設，或者采用門限限定方法(Over-bound)建立相應的正態(tài)分布對誤差進行限定[49-51].

電離層異常變化對GNSS 測量的影響往往使得電離層延遲不符合這樣的假設，如赤道電離異常影響下電離層網(wǎng)格模型存在系統(tǒng)性偏差[52].因此，針對不同擾動影響進行電離層延遲誤差變化特征分析，建立相應的誤差分析描述函數(shù)、相應的誤差有效限定方法、測試方法，都是GNSS 增強系統(tǒng)中電離層擾動研究需要進一步考慮的問題.

已有工作主要從電離層環(huán)境研究角度出發(fā)，很少從增強系統(tǒng)應用角度出發(fā).對電離層擾動事件的分析主要針對長期趨勢規(guī)律統(tǒng)計、典型事件分析等方面開展工作，缺乏對電離層擾動影響特征、誤差分布規(guī)律等方面的確定性描述.從分析方法和分析結果的針對性而言，已有電離層環(huán)境研究方法都不足以支持GNSS 增強系統(tǒng)研究工作.GNSS 增強系統(tǒng)電離層應用技術研究需要從系統(tǒng)應用角度出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)設計、建設和應用需求，進行針對性建模和分析工作.

6 結論

電離層擾動對GNSS 增強系統(tǒng)影響具有復雜性，存在多種電離層擾動現(xiàn)象從多個方面對增強系統(tǒng)產(chǎn)生影響.GNSS 增強系統(tǒng)實現(xiàn)具有特殊要求，現(xiàn)有電離層研究方法不能適應GNSS 增強系統(tǒng)設計實現(xiàn)和應用要求.為此，提出利用可靠性工程方法開展增強系統(tǒng)電離層擾動環(huán)境影響研究.

對不同電離層環(huán)境影響因素進行了“故障模式分析”.結果表明，電離層擾動是影響系統(tǒng)完好性的重要空間環(huán)境影響因素.對于單頻增強系統(tǒng)而言，電離層延遲梯度是造成系統(tǒng)完好性風險的根本原因；赤道電離異常和電離層暴均可以引起延遲梯度變化，是中國區(qū)域增強系統(tǒng)完好性實現(xiàn)中要考慮的風險因素.電離層閃爍對信號質量、測量結果產(chǎn)生影響，不能通過雙頻測量加以消除，是影響GNSS 增強的重要空間環(huán)境因素.

分析了GNSS 增強系統(tǒng)中的電離層擾動影響檢測方法，指出赤道電離異常和電離層暴一樣可引起延遲梯度變化，同樣可以造成擾動檢測超限；閃爍影響的復雜性難以通過RAIM 方法進行檢測和識別.現(xiàn)有電離層擾動檢測方法難以滿足GNSS 增強系統(tǒng)在低緯地區(qū)對電離層擾動的分析、檢測和識別.

電離層擾動影響隨太陽活動不僅具有周期變化規(guī)律，而且具有顯著的區(qū)域性特征.現(xiàn)有GNSS 增強系統(tǒng)中的電離層擾動分析方法主要基于中緯電離層環(huán)境設計，缺乏對低緯地區(qū)電離層擾動環(huán)境影響分析的針對性.我國跨越中低緯地區(qū)，區(qū)域GNSS 增強系統(tǒng)建設需對電離層擾動開展針對性研究，建立相應的增強系統(tǒng)應對實現(xiàn)技術.

本文借助系統(tǒng)可靠性工程中研究方法，提出GNSS 增強系統(tǒng)中電離層擾動影響研究的思路和建議，進一步的工作仍待后繼深入研究.