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1、第34卷 第4期2009年4月武 汉 大 学 学 报 ?信息 科 学 版Geomatics and InformationScience of Wuhan UniversityVol. 34 No. 4Apr.2009收稿日期:2009201220。文章编号:167128860 (2009) 0420444205文献标志码:A局部电离层异常对局域增强系统的影响及其监测方法牛 飞1 ,2韩春好2张义生1(1 信息工程大学测绘学院,郑州市陇海中路66号,450052)( 2北京市5136信箱,100094)摘 要:传统的局域增强系统认为影响用户和基准站伪距的观测误差是基本相同的,因而可通过伪距差分
2、技术将这部分误差消除,但为发生电离层风暴时,叠加在基准站和用户伪距上的电离层延迟误差将会不同,因此会影响定位结果。本文利用CCDMA算法和DSCMA算法对电离层异常进行探测,并对伪距差分技术进行改进 。仿真结果显示,这种方法可有效减小局部电离层异常对CA T飞行阶段的威胁。关键词:卫星导航;局域增强;电离层异常;完好性中图法分类号: P228. 421局部电离层风暴模型的构建局部电离层风暴是一个较为复杂的变化过程,但在较小的区域内可以将其简单化、 模型化,用图 1 来表示 ,这种模型可以有效地反映最坏情况假设并得出有用的结论。图1电离层异常模型Fig. 1Model of Ionosphere
3、Anolamy如图 1 所示 ,可把局部电离层风暴看作是等电子密度的梯形区域,伪距域上的误差项之一(电离层延迟)可以近似地理解为穿透这个梯形区域的距离 。该电离层异常模型主要由三个参数组成 :电离层风暴向前推进的速度,电离层风暴梯度 ,电离层风暴的宽度(从电离层开始发生变化到电离层趋于稳定的距离) 。其中 ,电离层风暴梯度和宽度是其静态属性,而电离层风暴推进速度是其动态属性,由此 ,还可推出电离层风暴所产生的最大延迟Dmax。此外,飞机的飞行方向和速度也将直接影响到电离层风暴 1。2局部电离层异常监测方法2.1 时间域电离层异常监测时间域电离层异常是指用户在视线方向上电离层延迟随时间发生较快、
4、 较大变化,使得伪距差分改正数的修正频度无法跟上电离层的变化速度 。针对对这种时间域电离层异常,本文提供了两种监测方法 CCDMA 算法 (code carrier di2vergence monitor agorit hm ,码载偏离度探测法)和 DSCMA 算法 (double smoothing code monitoragorit hm ,双平滑伪距法) 。2. 1. 1 CCDMA 算法CCDMA 算法是通过在飞机上安装机载设备来探测局部电离层异常。该设备用于监测码载偏离度 (伪码和相位偏差的历元差),见式 (1) 的变化 ,并将其与限值比较从而判断是否有电离层异名师资料总结 - -
5、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 第34卷第4期牛 飞等:局部电离层异常对局域增强系统的影响及其监测方法常的发生 ,被探测出有异常的伪距观测量将不用于定位解算 。瞬间的码载偏离度通常比较小,往往被湮没在噪声当中,例如 ,电离层风暴强度为200 mm/ km ,飞机的飞行速度为70 m/ s ,则瞬间的码载偏离度为14 mm/ s。因此 ,需要采用滤波器来探测湮没在噪声中的电离层异常:dzj=j-(/2 )j-j- 1-(/2 ) j-
6、 1(1)CCDMA 算法采用两种滤波器,其一是 :Dj= (1-k) Dj- 1+ k? dzj(2)式中 ,k为权因子,它等于采样间隔/200 s;i为i时刻伪距观测量;i为i时刻载波相位观测量;为载波相位的波长。第二种滤波器是:Zj= (1-k) Zj- 1+ k? dzj(3)Dj= (1-k) Dj -1+ k?Zj(4)式中, k为权因子,它等于采样间隔/100 s。上述两种滤波器是两种典型的低通滤波器,通过该滤波器可以将输入滤波器数据中的高频噪声滤除 ,输出低频的电离层风暴所引起的码载偏离度变化量 。当有电离层异常发生时,该滤波器将会探测到并发出警告。2. 1. 2 DSCMA
7、算法DSCMA 算法是由机载设备和地面设备共同组合的监测方法,这种算法使用两种不同时间间隔对伪距进行平滑,如图 2 所示。 第一种时间间隔取100 s,与目前地基增强系统平滑时间一致;第二种平滑时间间隔较短一些。如何选取主要从两方面考虑 ,平滑时间既不能太长,要使滤波器对码载偏离比足够敏感,又不能太短,要保证一定的平滑伪距精度。 综合考虑,本文对第二种平滑时间间隔取30 s。图2DSCMA算法流程图Fig. 2FlowChart of DSCMAAlgorithmDSCMA算法相位平滑伪距滤波公式为:1( t)=1(t) + (1-1) 1( t -T1) + /2( t) -( t -T1)
8、 ) (5)2(t)=2(t)+(1-2)2(t -T2)+ /2(t)-(t -T2) )(6)d a, i( t)=1( t) -2( t)(7)由图2 可以看出,DSCMA 算法能在伪距域探测由于电离层风暴所导致的异常并将其排除。这种探测可在伪距差分之前进行,也可在伪距差分之后进行 。因此 ,DSCMA算法在伪距域的监测可独立进行而不需要地面站的支持,这一点与CCDMA算法有些类似。2.2 空间域电离层异常监测空间域电离层异常是指在局域增强服务区内 ,用户和基准站在卫星视线方向上的电离层延迟存在较大差别,如模型 1 所述 ,用户和基准站之间电离层区域分布不均匀且存在一个较大梯度。本文提出
9、了一种DRSMA 算法 (double referencestation monitor agorit hm ,双基准站电离层异常监测法 ) 。如图 3 所示 ,在机场局域增强区域内飞机着陆跑道方向布设两个基准站A和B,若两基准站间距足够小(10 km ) ,可认为两基准站都在电离层风暴区内,则基准站A和基准站B的伪距差分改正数可表示为: A , i( t)=A , i( t) -0A ,i(t)(8)A , i( t)=0A , i(t) + A ,ieph+ A , iclk+ A , iion+ A , itrop+A , imulpath+A ,i(9) B , i( t)=B , i
10、( t) -0B ,i( t)(10)B , i(t)=0B ,i( t) + B ,ieph+B ,iclk+ B ,iion+ B , itrop+B ,imulpath+B , i(11)式中,A , i(t)和B , i( t)为伪距观测值,0A , i(t)和0B , i( t)为 距 离 计 算 值, A ,ieph、 A , iclk、 A , iion、 A ,itrop、 A , imulpath、A, i分别为基准站A对卫星i观测的星历误差 、 星钟误差 、 电离层误差 、 对流层误差 、 多路径误差和观测噪声。首先通过对伪距进行载波相位平滑处理有效消除多路径误差和观测噪声
11、,并认为两基准站对同一颗卫星伪距观测的星历误差、星钟误差 、 对流层误差相同。将两基准站的伪距差分改正数再次作差,可得到两基准站卫星视线上的电离层延迟差别: AB ,iion(t)= A , i( t) - B ,i( t)(12)则电离层风暴梯度k可表示为:k = AB , iion( t)Obi( t)?Z(13)式中,Obi(t)为t时刻卫星i的倾斜因子;Z为两544名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 武 汉
12、大 学 学 报 ?信息 科 学 版2009年4月个基准站A和B之间的距离 。图3DRSMA算法示意图Fig. 3Sketch Map of DRSMAAlgorithm若电离层风暴梯度k大于限值,则说明两基准站之间存在空间域电离层异常。2.3 伪距差分改进算法当发生局部电离层异常时,用户与基准站之间的伪距差分改正不再是空间域和时间域强相关 。本文提出由基准站提供伪距差分改正数和电离层风暴梯度,并与用户自身探测电离层异常相结合的方法:icorr(t)=iu(t)+ i(t0)+ k?z?Obi(t)+tt0 iont(14) ion=Md/2 t(15)式中,icorr(t)为t时刻用户端修正后
13、的伪距值;iu( t)为t时刻用户端修正前的伪距观测值; i( t0)为t0时刻基准站发播的伪距改正数;z为用户到基准站之间的距离; ion为电离层风暴闪烁强度; Md为码载偏离度滤波输出值;t为采样点时间间隔;当用户探测到电离层异常时,计算出电离层风暴闪烁强度 ion,参 见式(15) ,并按照式(14)对用户伪距进行修正,然后再进行定位解算。2.4 电离层异常监测流程对局部电离层风暴的监测采用地面设备监测和机载设备监测相结合的方法,地面设备主要监测空间域电离层异常,机载设备主要监测时间域电离层异常,具体流程如图4 所示 。3计算与分析3.1 数据源仿真本文对上述两种电离层异常监测算法进行模
14、拟仿真分析,仿真数据源是设定时间段内用户所图4电离层异常监测流程图Fig. 4Flow Chart of IonosphereAnomalyMonitoring接收到的伪距和载波相位观测量。对伪距和载波相位观测值的仿真就是在卫星和用户真实距离上加入各种误差源,通常认为这些误差是统计独立的 ,且 U RE (等效用户距离误差) 可近似为零均值高斯分布,主要包括: 空间飞行器部分的卫星星历误差 、 卫星星钟误差与设备延迟误差; 信号传播途径的电离层信号传播延迟、 对流层信号传播延迟和多路径效应; 用户部分的用户接收机测量误差和通道偏差。根据数理统计理论,可以近似地认为卫星钟差 、 卫星星历误差、
15、电离层延迟误差和对流层误差服从一阶马尔可夫过程,接收机噪声误差和设备延迟误差服从正态过程,多路经误差服从独立随机过程 ,令 U RE 的均方差为5. 0 m。对电离 层异 常 的 仿 真 是 在 整 个 观 测 时 段4 0006 000 s 中加入一个推进速度v= 200 m/s ,梯度k= 40 mm/ km ,宽度w= 25 km 的电离层风暴模型 。3.2 局部电离层异常监测算例CCDMA 算法对电离层异常的探测是通过计算码载偏离度来实现的,如果码载偏离度为零则说明电离层平稳,如码载偏离度不为零则说明有电离层波动,见式 (1) 。通过计算得到的码载偏离度往往是被湮没在噪声当中的,如图
16、5 所示 ,统计其均方差为4. 15 m ,从图 5 中检测不到电离层异常 ,因此 ,需要对仿真时段观测数据进行滤波。CCDMA 算法采用第一和第二两种滤波器对观测时段内的码载偏离度进行滤波。图 6 是采用第一种滤波器对加电离层异常的码载偏离度滤波输出结果 ,参见式 (2) ,其均方差为0. 029 m。从滤波结果可以看出,观测噪声被大大消除了。从图 6 中可以看出,在 4 0006 000 s观测时段有异常起伏,但不是很明显。图7是采用第二滤波器对加电离层异常的码载偏离度的滤波输出结果 。从图 7 中可以看出,在 4 000 6 000 s 观测时段有明显异常起伏,统计异常时段(4 0006
17、44名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 第34卷第4期牛 飞等:局部电离层异常对局域增强系统的影响及其监测方法图5CCDMA算法输出图Fig. 5Map ofCCDMAAlgorithm图6CCDMA算法第一滤波器输出图Fig. 6Map of Filter1Exportof CCDMAAlgorithm图7CCDMA算法第二滤波器输出图Fig. 7Map of Filter2Exp2ort of CCDMAAlgo
18、rithm图8DSCMAF3滤波器输出图Fig. 8Map of Filter3Exp2ort of DSCMAAlgtithm6 000 s) 的码载偏离度均值为0. 016 1 m。DSCMA 算法采用两个不同时间间隔(分别为 100 s 和 30 s) 对伪距进行相位平滑( F3 滤波器),然后再作差,参见式(5)式(7),称之为双平滑伪距差。图 8 是采用F4 滤波器对4 0006 000 s时段内加电离层异常的仿真数据进行双平滑伪距作差处理。从图8 中可明显看出,在4 0006 000 s 时段有明显上升波形,在 6 000 s后又逐渐回归到零均值。DRSMA 算法监测两基准站之间的
19、伪距修正差 。图 9 为正常电离层情况下使用F1 滤波器的两基准站之间的伪距修正差,图10为电离层异常情况下使用F1 滤波器的两基准站之间的伪距修正差 ,在 4 0006 000 s时段两基准站间存在一图9电离层正常时DRSMA算法第一滤波器输出图Fig. 9NormalState ofFilter1Exportof DRSMAAlgorithm图10电离层异常时DRSMA算法第一滤波器输出图Fig. 10AnomalyState ofFilter1Exportof DRSMAAlgorithm均值为 0. 4 m 的电离层延迟差。当电离层风暴发生时,使用传统的局域增强伪距差分算法计算定位解垂
20、直坐标计算值与理论值之差 ,统计其均方差为1. 83 m ,可以发现垂直方向定位结果存在- 2. 1 m 的偏差 ,如图 11 所示 。使用改进后的算法计算定位解垂直坐标计算值与理论值之差,统计其均方差为1. 78 m ,计算值与理论值偏差为0. 07 m ,如图 12 所示 。使用改进伪距差分算法无论是外符合精度还是内符合精度都有所提高,尤其是外符合精度,说明系统误差明显减少 。图11改进差分算法前垂直定位误差Fig. 11Error of VerticalPosition BeforeModifingAlgrithm图12改进差分算法垂直定位误差Fig. 12Error of Vertic
21、alPositionAfterModifingAlgrithm3.3 局部电离层异常监测算法比较分析对于时间域电离层异常,通过统计3 种滤波器输出的均方差ion_time,可以计算3 种滤波器所能探测到的电离层异常极限值Tion_time。若通过滤波器输出的数值大于Tion_time,需发出告警,说明当前有电离层波动现象发生:Tion_time=5ion_time统计未加电离层异常仿真观测时段的3 种滤波器输出均方差,见表 1。由表 1 可以看出,F2滤波器对电离层异常最敏感,可以探测到电离层异常为 0. 0058 m/ s 的波动, F3 滤波器次之,F1滤波器效果最差。表13种滤波器探测到
22、的异常限值Tab. 1Table of n Three Filtersion_time/ mTion_time/ m可探测到的电离层异常 ion/ (m?s- 1)滤波器F10. 014 70. 073 5Td2= 0. 037滤波器F20. 002 30. 011 5Td2= 0. 005 8滤波器F30. 9144. 57Td2(T1-T2)= 0. 028当电离层没有发生扰动时,由 TEC 梯度导致的垂直电离层延迟差一般在10 km 间隔距离上处于 0. 020. 05 m 的范围内 。当空间域电离层744名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -
23、- - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 武 汉 大 学 学 报 ?信息 科 学 版2009年4月异常时 (两基准站相距 T= 10 km ) ,由计算结果可得 ,使用 F1 滤波器的DRSMA算法输出的噪声为 ion_space= 0. 047 m ,则 DRSMA算法可检测到的限值为Tion_space:Tion_space=5ion_spaceT=0.023 5 m/ km则当 TEC 梯度导致的垂直电离层延迟差大于0. 023 5 m/ km 时 ,DRSMA 算法可以检测到。4结 语1) 局部
24、电离层异常会使局域差分系统用户和基准站之间的系统误差去相关化,使得系统伪距差分改正数修正精度下降;2) 通过分析CCDMA 算法和DSCMA 算法计算结果 ,得出 CCDMA 算法和 DSCMA 算法中F2 滤波器对时间域电离层异常最灵敏,F3 滤波器次之 ,F1 滤波器效果最差;3) 使用 F1 滤波器的 DRSMA 算法对局部电离层风暴梯度较为敏感,可探测到 0. 023 5 m/ km局部电离层梯度,对监测空间域电离层异常比较有效 ;4) 改进后伪距差分定位算法有效减小用户定位系统偏差,提高了定位精度。参 考 文 献 1L uo M.L AASIonosphereSpatialGradi
25、entThreatModel and Impact of L GF and AirborneMonitoring C.The ION , Portland , 2003 2WalterT.The Effectsof LargeIonosphericGradi2ents on Single Frequency AirborneSmoothingFilterforWAASand L AAS C.The ION , Long Beach ,California, 2004 3RicardoP , AngelC A , AlvaroMG.The Role ofSimulationinGalileo C
26、 .IONGPS/ GNSS 2005 ,CA , 2005 4Beech T W.Integrity: a Key Enabler forLiabilityCriticalApplications C .ION61stAMCam2bridge , MA , 2005 5GrpideB.FutureGNSSConstellationPerform2ances InsideUrbanEnvironments C .ION2GPS2000 Conference , Spain , 20006 刘基余. GPS卫星导航定位原理与方法 M .北京:科学出版社, 2006 7陈金平.卫星导航系统性能要求
27、的概念分析J .测控技术,2005 , 35 (1) :30232第一作者简介:牛飞,工程师,主要从事卫星导航系统完好性监测技术研究。E2mail :niufei009 sina. comThreat of Ionosphere Anomaly forGBAS and Its MonitoringMethodN I U Fei1,2HA N Chunhao2ZH A N G Yisheng1(1Instituteof Surveying and Mapping , InformationEngineering University,66 Middle LonghaiRoad , Zhengzh
28、ou 450052 , China)( 2Beijing5136 P. O. Box , Beijing 100094 , China)Abstract : GBAS is based on the errors that the errors on the pseudoranges observed by userand reference station is similar.Hence , so t he correctionprovidedby reference station isused to revise the pseudorange observed by the user
29、. But when ionosphere anomaly is met ,t he errors between the the station and user is differentand the positioningsolution is effec2ted. This paper provides CCDMAand DSCMAalgorit hms to detect the ionosphere anomaly ,and imp roves the differentialpositioningsolutions of GBAS.The simulation indicate
30、t hat thealgorit hm proposed in t he paper mitigratesthe threat forG BAS and suport s CA T 2 .Key words : satellite navigation ;GBAS ;io nosphere anomaly ;integrityAbout the first author : NIU Fei , engineer , majors in GNSS SBAS and GBAS.E2mail : niufei009 sina. com844名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -