电离层闪烁对导航接收机性能的影响

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1、2014年6月中国空间科学技术第3期ChineseSpaceScienceandTechnology电离层闪烁对导航接收机性能的影响刘思慧1’2(1国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙410073)(2北京跟踪与通信技术研究所，北京100094)摘要为定量分析电离层闪烁对接收机环路的影响，利用信号在电离层闪烁影响下的等效传输信道模型，通过数值仿真对比分析了电离层闪烁对接收信号幅度、载波相位、码相位、载噪比和I／Q支路跟踪值的性能影响。结果表明：电离层闪烁会使接收载噪比出现深度的快速衰落，严重时会出现高达5dB的突降，从而显著地影响用户的定位性能；

2、在相同的电离层闪烁强度下，较小的环路带宽会发生较弱的载波相位周跳。关键词电离层闪烁；载噪比；载波相位；去相关；接收机；导航DOI：10．3780／j．issn．1000-758X．2014．03．0121引言在卫星导航系统中，无线电导航信号在空间传输过程中会受到电离层的影响，包括：电离层电子密度引起的电离层延迟，电离层中电子密度不规则体引起的电离层闪烁。其中，电离层闪烁效应是影响卫星导航定位性能的重要因素，在低纬赤道地区的影响最为强烈，我国南方部分区域处于磁赤道异常区的北峰区域，也是全球范围内电离层闪烁最频繁、影响最大的地区之一。从接收机角度，电离层

3、闪烁会使信噪比下降、影响环路跟踪精度，严重时会引起信号中断、环路失锁；从定位解算角度，会使伪距精度降低，影响载波周跳检测和电离层延迟的修正精度；从系统服务性能角度，会影响连续性和可用性u。3j。文献Eli分析了电离层闪烁对南美地区WAAS系统的影响，文献f4]研究了欧洲地区GNSS系统受电离层闪烁的影响。这两项研究分别给出了强电离层闪烁下这两个系统可用性的变化情况，但缺乏对接收机影响的分析。而国内研究人员也针对中国区域电离层闪烁对GPS系统的精度影响进行了仿真分析[3]，给出了定性的分析结论，但更多集中在监测预报、区域特性统计研究等方面[5书j。因此

4、，目前的研究大多从系统服务性能(如可用性、连续性等)角度分析电离层闪烁的影响。本文将从接收机角度定量分析电离层闪烁对接收机环路的影响，包括对信号衰落和载噪比、载波相位、伪距测量等。2电离层闪烁的仿真模型2．1电离层闪烁模型为描述电离层闪烁信道的变化，应分析闪烁信号的振幅分布特性，在此基础上建立闪烁模型。通常采用幅度闪烁指数S；表征电离层闪烁的强度‘6

5、，闪烁指数定义为国家自然科学基金(41304024)，高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金(201162)资助项目收稿日期：2014-04一04。收修改稿日期：2014-06—0680中国空间科学技

6、术2014年6月S。一以可可F币玎可严可话酊(1)式中S。表征了信号功率变化的归一化方差；S表示信号强度，即接收信号的幅度；E[·]为1min的统计平均。无闪烁现象发生时，S。接近于0；强闪烁现象发生时，S。>0．5；在极少数情况下，S。>1。2．2仿真模型电离层闪烁的仿真可以由三种方法实现：理论方法、实测数据、基于统计模型的仿真。其中，理论方法是从描述电离层闪烁影响下的信号传播方程求解人手进行仿真，一般采用相位屏的方法实现。利用实测数据仿真是指通过对实测的电离层闪烁影响下的卫星原始数据(信号强度)进行滤波处理，形成闪烁影响下的接收卫星信号序列并用于

7、接收机测试。基于统计模型的方法是指利用闪烁影响下信号幅度或强度的变化规律，生成闪烁影响下的卫星信号序列。本文考虑采用基于统计模型的仿真方法。将电离层闪烁对导航信号的影响，等效成信号通过一个Nakagami一竹衰落信道。Nakagami一超分布所适合的衰落信道具有如下特征：传播路径既包含一个较强的视线传播量，又存在随机成分的多径‘7

8、。首先，根据文献[7]建立Nakagami一竹衰落信道模型，其信道响应函数为2(￡)一z(￡)+e(￡)(2)式中z(￡)为直接分量，是一个复常数；e(￡)为时变的多径分量。具有统计意义的静态闪烁序列可以很好地评估电离层闪

9、烁对跟踪环路的影响。利用一个零均值的白噪声过程驱动模型，让它经过一个二阶低通滤波器，该滤波器采用如下形式的的幅度响应函数：H(厂)l一1／~／1+(f／f。)4(3)式中f。一∥(√虿兀“1；p一1．24；r0为去相关时间。经过滤波器后的信号记为毒(￡)，它的方差为口；一f。N。，由Nakagami一"分布的特征可以得到直接分量为三(￡)一瓜(4)式中K一~／1一s；／(1一门习)。直接分量z(t)加上导(t)，再进行归一化处理便可以得到电离层闪烁序列。在仿真过程中，首先根据模型设置不同的闪烁强度和去相关时间，生成不同强度的电离层闪烁序列。进而将电离

10、层闪烁序列的影响加入正常的导航信号中，生成模拟经过电离层闪烁后的导航信号。最后通过软件接收机对信号进行跟踪和