电离层闪烁对ＧＮＳＳ的影响
徐彬 ，刘 钝
（１．海军频谱管理办公室，北京１００８４６，２．中国电波传播研究所，山东青岛２６６１０７）
摘 要：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。电离层闪烁可造成 ＧＮＳＳ载噪比降低，测量误差增大，载波周跳次数增多，电离层修正精度降低，定位用精度因子
变大等影响。中国南方区域是全球电离层闪烁多发区之一，电离层闪烁影响的时空范围和程 度较大，是我国卫星导航应用应关注的问题。针对电离层闪烁影响，提出了我国卫星导航系统
应用中可行的针对性减缓措施。 关键词：电离层闪烁；全珠导航卫星系统；性能；精度
中图分类号：Ｐ２２８．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—９２６８（２０ｌ１）０３—０００５－０５
Ｏ 概 述
卫星信号穿越电离层时，电离层中存在的不均 匀体结构会引起信号强度和相位的快速随机起伏
变化，这种现象称为电离层闪烁。对于卫星导航系 统而言，电离层闪烁将引起地面接收机接收到的信
号出现误码和信号畸变，影响信号的测量精度，闪
烁强烈时会导致接收机跟踪信号的失锁，严重影响
系统的导航、定位和授时功能。对于卫星通信系统 而言，电离层闪烁可以引起通信链路的中断，同时，
由于通信网络在很大程度上依赖卫星导航系统实
现网络内的时间同步，电离层闪烁对卫星导航系统 的影响也将形成对通信系统的潜在影响。
电离层闪烁效应在低纬的赤道异常区最为强
烈，我国南方区域正处于磁赤道异常区的北峰区
域，是全球范围内电离层闪烁出现最频繁、影响最 严重的地区之一。因此，开展电离层闪烁研究对我
国卫星导航、通信系统的建设都具有重要意义。重
点对电离层闪烁对卫星导航系统的影响进行分析，
并进一步强调电离层闪烁对我国低纬区域影响的 严重性，最后提出我国卫星导航系统建设中建议采
取的针对性减缓措施。
ｌ 电离层闪烁对卫星导航系统影响
与电离层造成的信号延迟、电离层暴引起的电
离层电子含量梯度变化等影响效应不同，电离层闪
收稿日期：２０１ｌ—Ｏ５一ｌＯ 联系人：刘钝Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｕｎ．１＠ｌ６３．ｃｏｒｎ ２０１１．３／全球定位系统 烁的影响更为复杂。这种复杂性一方面表现在电
离层闪烁造成卫星信号的衰减，影响接收机接收信 号的强度，因此将引起测量精度降低、空中可视卫
星数减少等一系列影响，并最终影响用户定位精
度；另一方面，造成闪烁的电离层不均匀体将引起 电离层局域性的密度梯度变化，这种变化难以用电
离层修正模型进行补偿，造成用户定位精度降低。
下面将按接收机测量定位的实现流程，对电离层闪 烁的各种影响方式进行分析。
１．１ 电离层闪烁对接收信号强度的影响 电离层闪烁将引起穿越其中的无线电信号的 快速起伏，表现在卫星导航接收机接收的信号上，
使信号载噪比快速抖动、信噪比下降，甚至卫星信 号的中断。图１给出了闪烁期间，卫星信号的典型
变化。
∞ 基 棼 坦 信燎比变化（ＰＲＮ８）一海Ｄ ２００３－】０—１４
・ ５ ・
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（ｂ） 图１ 电离层闪烁引起的卫星信号幅度的衰落 及卫星的仰角变化（海口，２００３年ｌ０月ｌ４日）
从图中可以看出，电离层闪烁使得接收的卫星 信号信噪比下降，从典型的信号强度５Ｏ ｄＢ／Ｈｚ下
降到４Ｏ ｄＢ／Ｈｚ甚至更低，信号衰落幅度可达ｌ３～ ２０ ｄＢ，严重情况下还可以发生卫星信号跟踪的中
断。尤其从ＰＲＮ ８号卫星的影响可以看出，电离
层闪烁造成的信号中断持续时间较长，达５分钟左 右；信号受闪烁影响期间，卫星仰角较高，表明该卫
星信号受到强电离层闪烁影响。 １．２ 电离层闪烁对测量精度的影响
ＧＮＳＳ接收机伪距测量精度与卫星信号的载 噪比密切相关，随载噪比的降低和闪烁影响的增
大，接收机环路跟踪误差增大。无电离层闪烁时，
ＧＮＳＳ接收机接收的信号载噪比一般为４５～５Ｏ ｄＢ／Ｈｚ，对于高精度测量接收机而言，码伪距测量
精度可优于２０ ｃｍ．强闪烁情况下，接收机接收的 卫星信号载噪比将下降到３Ｏ～３５ ｄＢ／Ｈｚ．由文献
［６］的仿真结果可知，此时接收机的伪距测量精度 将降至米级。当信号的载噪比进一步降低时，接收
机一般处于失锁的临界状态，其输出的伪距具有很
大的不确定性。闪烁期间实际测量数据的分析也 表明，此时单频用户定位误差可以达到几百米甚至 上千米的量级，定位结果已不可信 ］。
文献［５］中闪烁期间的实测数据分析表明，存
在电离层闪烁情况下，ＧＰＳ接收机码伪距的测量
精度普遍较低，并且，强烈的电离层闪烁造成了卫
星信号中断。
１．３ 电离层闪烁对载波周跳的影响 电离层闪烁造成的ＧＮＳＳ接收机载噪比降低，
同样将影响接收机的载波测量。卫星信号载噪比的
・ ・ 降低将影响载波环路的测量精度。闪烁期间，载波
周跳的发生次数也大幅增加。通过对２００１年电离
层闪烁期间我国南方区域ＧＰＳ观测数据的统计分
析表明，发生电离层闪烁时，ＧＰＳ接收机的周跳现象 在一小时内最多可以达到２３０次左右，远大于电离
层平静时的次数（一小时内最多不超过ｌ 次） 。
１．４ 电离层闪烁对电离层延迟修正的影响
无电离层闪烁情况下，卫星升起时，随仰角变 化，卫星信号穿越电离层的距离变短，电离层延迟
逐渐减小；卫星降落时，电离层延迟变化趋势正好
相反。因此，在平静电离层情况下，卫星的倾斜电 离层延迟应为一条光滑的曲线。
与电离层闪烁相关的电离层不均匀体可造成 局域电离层电子密度增强，卫星信号经过上述区域
时，倾斜电离层延迟将不再遵循上述变化规律。增
强的电子密度使得电离层倾斜延迟随卫星仰角的
升高，没有减小反而增大，这样就使得电离层模型
不能准确描述由于电离层不均匀体造成的电离层 倾斜延迟变化，从而影响了硬件延迟估计精度，并
进一步影响电离层网格模型的实现精度［５ 。
１．５电离层闪烁对ＤＯＰ的影响
电离层闪烁可以造成卫星跟踪中断，从而影响
用户定位中可用的卫星数及卫星的空间分布。尤
其是对于较低仰角的卫星，由于其载噪比较低，因 此更容易受到电离层闪烁的影响。而上述卫星跟
踪的中断，往往引起较大的ＤＯＰ突变 ］，严重影响
接收机的定位精度。
１．６ 电离层闪烁对用户定位性能的影响
电离层闪烁对卫星导航系统定位性能的上述
影响之间是互相影响的，这些影响效应一起造成了
用户最终定位精度的降低。图２给出了闪烁期间，
１０００
５００
Ｏ
＿５００ 删 １０００
．１５００ 定位误差随时间的变化（海口２００３—１０－１４ ｉ １一一ｘｌ＿～Ｚ ｌ
１１ ５ １２ １２ ５ １３ １３ ５ １４ １４ ５ 时间（ＵＴ Ｊ
图２一般导航定位实现中。用户东北天坐标 相对于参考点的偏差
ＧＮＳＳ Ｗｏｒｌｄ ｏｆ Ｃｈｉ
ｎａ／２０１１．３ 单频用户的定位结果。可以看出，用户的位置发生
巨大的位置跳变。进一步的分析表明，电离层闪烁 造成多颗的卫星失锁，引起用户可用卫星数的快速
变化（图３），在这些时间段内，用户定位结果发生
大的位置跳变。
衽 ⅢＩ｝Ｉ ＰＩ 墨 坦 侧 Ｈ’ 旺 Ｉ
图３ ＱＩＯＮ站定位中可用的卫星数
２ 电离层闪烁对我国卫星导航系统
影响的严重性
图４给出了世界范围内电离层闪烁影响区域
的分布，浅黑色表示电离层闪烁高发区域，深黑色 表示电离层闪烁不发生。可以看出，我国低纬地区
是世界范围内的电离层闪烁高发区之一。
图４世界范围内电离层闪烁发生频率的分布
电离层闪烁严重影响我国的卫星导航系统建
设与应用。图５给出了我国２００３年观测的部分电 离层闪烁结果 ］，图中给出的是一个星期（２００３年
ｌ０月６日一２００３年１Ｏ月１２日），海口观测到的电 离层闪烁指数Ｓ４变化。可以看出，在一个星期内，
有６天发生了电离层闪烁，并且多为强电离层闪 烁。由于文中的部分结果及文献［－３－］中的结果主要
利用上述时间段及邻近时间段的数据分析获得，因
此可知，上述时间范围内，电离层闪烁严重影响了 卫星导航系统的性能。 随着２０１２年太阳活动高年的到来，电离层闪
烁又将进入一个高发期。图６利用电离层闪烁预 报模型给出的２Ｏ１２年３月１９日我国南方区域电
２０１１．３／全球定位系统 离层闪烁影响区域分布的预测。可以看出，我国南
方较大区域将可能受到电离层闪烁的影响，其中， 三亚、海口、湛江、广州、厦门等地受电离层闪烁影
响的可能性最大。
时闰ｔ ２００３—１Ｏ一０６ ００，Ｏ０…一２０３３—１Ｏ一１２ Ｏ０：Ｏ０ 数据类型ｌ■座
图５电离层闪烁出现情况（海口２００３／１０／０６－－１０／１２）
￥４７０ ６发生概率预报区域分布图（２０１２—０３—１９ ２１：Ｏ０） ２Ｏ１２年ｏ３月１９Ｂ２１１￣（１５７５ＩＩＨＺ） …
图６电离层闪烁影响区域分布的预报
３我国应采用的针对措施
电离层闪烁将影响整个Ｌ频段，使用该频段 的卫星导航系统（包括ＢｅｉＤｏｕ、ＧＰＳ、ＧＡＬＩＬＥＯ、
ＧＬＯＮＡＳＳ等）都将受到电离层闪烁影响。因此，
电离层闪烁研究对我国卫星导航系统建设具有重 要意义。针对电离层闪烁影响，可采取的应对措施
主要包括： １）ＧＮＳＳ接收机的设计与改进
在ＧＮＳＳ接收机设计开发中，针对电离层闪
烁的影响，从环路设计、信号跟踪及重捕算法实现 等方法，考虑对接收机进行改进。目前，欧洲的
Ｓｅｐｔｅｎｔｒｉｏ公司正在和巴西（位于南美电离层闪烁
高发区）有关单位开展ＣＩＧＡＬＡ项目的合作研究，
其目的是寻求ＧＮＳＳ接收机中有效的电离层闪烁
减缓方法，以满足该区域ＧＮＳＳ用户应用需求嘲。
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７ 。