衛星導航系統需要在環境段上實現創新發展

2019.11.05 , 瀏覽次數: 5861

 

1.為什么要研究衛星導航系統的環境段?

通常認為,衛星導航系統是由空間段、地面控制段和用戶段三部分構成。實際上,系統還應該包括另一個不言自明的部分,這就是環境段,它與導航信號的電波傳播密切相關,而且是系統不可分割的部分是越來越重要的部分,是值得獨立研究的部分??梢哉f,只有把環境段考慮到系統的總體組成中,系統才成為完整的系統,只有把環境問題妥善處理,解決好和應對好,系統才成為完善的系統。

 

2.衛星導航系統的環境段包括哪些方面?

衛星導航系統的環境段涉及的空間體非常大,涉及的內容范圍非常寬。由于衛星導航的應用涉及海、陸、空、天各個方面,所以從地面、海上開始,到近地空間、地外空間,乃至深空。在這樣巨大的空間內,包括不同的電波傳輸介質,自然和人為的電磁干擾,以及地形地物和植被的影響。其中涉及大氣(電離層和對流層)條件、電磁環境、多徑效應,以及多種多樣的應用環境與條件,它們會影響到系統工作、定位精度、完好性、可用性、連續性和可靠性等一系列關鍵指標。環境段不僅影響到定位、導航和授時的精度,而且也會影響到用戶接收機的正常工作,甚至導致信號中斷。尤其是茂密的森林內、城市峽谷中,甚至各種各樣室內應用,都有電波傳播環境條件的限制。

 

3.環境段有什么挑戰性的難題?

當前,或者說是今后很長一段時間內。衛星導航的主要問題是其脆弱性,而脆弱性的實質是環境問題。所以衛星導航面臨的挑戰性問題大多數來自環境段。天基PNT的脆弱性問題突出,迫切需要解決惡劣和特殊環境條件下的系統運行和應用的技術與方法,以及在這些環境條件下和所有環境條件下的精確模型化技術(包括PNT能力的模型和多系統集成運作的模型)、確保完好性的高精度定位技術、即時報警技術,和連續提供空間地理信息的技術,以及高度空間的定位和測向解決方案。這些難題和空白有待認真破解。通過強化環境監測與模型化、事件判斷與處理、危機管理與應對,從而緩解脆弱性威脅,提高系統和應用的可靠性、安全性。當前挑戰性的課題是,加強在惡劣電磁環境、異常大氣環境、嚴酷物理環境、地外空間環境、導航戰環境條件下的可用性與可生存性,以及服務的確保程度。

 

4.什么叫做大氣效應?

衛星導航系統中電波傳播的大氣效應,包括中性大氣與電離層兩種特性極不相同的媒質的影響。中性大氣效應主要是密度大和氣象變化過程復雜的對流層效應。在晴空條件下,有折射(射線彎曲)、時延、反射(多徑)多普勒頻移效應以及氣體分子的吸收哀減和湍流散射(閃爍)。在壞天氣情況下,還有雨雪、冰晶、塵埃等吸收與散射所導致的衰減,以及降雨和冰晶的去極化效應。一般當頻率高于10GHz.對流層的影響是主要的,特別是仰角小于5的時候,影響嚴重。電離層效應主要是折射彎曲,群時延,相位超前,多普勒頻移與法拉第極化旋轉以及閃爍效應。特別是它具有頻率色散效應。當頻率低于10GHz時,電離層的影響是主要的。在1~10GHz之間,特別是對于低仰角,對流層與電離層兩者的效應都有重要影響。大氣傳播效應引起的信號衰減和畸變,使信號質量變壞。對流層與電離層的影響機制和特性有較大差異。

 

5.近地空間環境的重要性為什么日益突出?

對于所有的衛星導航系統,近地空間環境是其無法離開的存在環境和信號傳輸的客觀世界。所以,從完整性而言,通常衛星導航系統嚴格地說應包括空間星座段、運行控制段、環境增強段和用戶設備段。原先,環境增強段往往是隱含在內,雙頻和多頻體制很大程度上是為環境而設的。環境增強實際上涉及非常浩大的工程,廣域增強系統WAAS、 EGNOS、MSAS)、局域增強系統(LAAS)、差分GPS網絡( NDGPS)、連續運行參照站網(CORS)、國際GNSS服務(GS)等均屬其范疇。環境增強實質上是解決近地空間大氣環境信息系統(AS),與GS一樣,是個基礎技術。大氣環境(簡稱環境段)與衛星導航系統其他組成部分(空間段、運控段和用戶段)是密不可分的。環境段與其他三部分相比,屬于系統的“軟件”,是充分發揮系統硬件的整體作用,達到預期性能指標的重要基礎,直接關系到衛星導航應用和服務的效能與結果。隨著技術的進步和應用的廣泛深入,要求定位精度越來越高,要求系統可靠性越來越嚴,環境段的問題日益突出,已經是它從后臺走向前臺的時候了。

 

6.電離層是什么?對流層是什么?多徑效應又是什么?

電離層主要是指位于離地50~1000km的由電離氣體組成的大氣。導航衛星發布的電離層模型只能消除其70ns時延的一半,剩下的非?;瘹埐钣袝r可以高達10m。電離層的復雜性是由于它存在區域效應和時變效應,在極區、赤道地區和中緯度地區存在不同的變化特征。

更為復雜的是電離層的時變效應,它是隨著晝夜晨昏、日出日落、四季節氣,還隨著太陽活動周期、太陽地磁活動而變化。因為電離層真正的產生源是來自于太陽的多種多樣的輻射源。

對流層是大氣層的較低部分,通常是指離地高度從地面起至83km左右,隨著氣候變化它會在溫度、氣壓和濕度上有所變化。復雜的對流層時延模型可以用來估算或測量這些參數。良好的對流層模型化技術,可以消除大部分的對流層折射誤差效應。

多徑是由于接收機附近各種各樣物體表面的反射信號引起的,它們可能對來自衛星的直射信號造成干擾。多徑效應成因往往難以檢測有的時候則是難以避免的。它是目前無線電傳播效應中最為令人頭疼的難題之一。

 

7.衛星導航系統的電磁環境指的是什么?導航衛星信號干擾來源主要有哪些?

電磁波環境包括自然的和人為的,人為的又分為無意與故意干擾。自然的電磁環境包括日地環境和大氣環境造成的電磁波和電磁干擾效應,如太陽和地磁活動造成的影響,造成的地磁與電離層干擾和電離層爆引起的電離層異常、不均勻性、閃爍效應和梯度傾斜等,還有大氣雷暴引起的電磁效應等。人為的電磁干擾則是更加豐富和復雜,不勝枚竿。各種各樣的無線電系統工作和大量的機電設備的啟動運行,都可能在衛星導航系統工作所在的L頻段造成明顯干擾。當然,最為重要的是,人為的故意干擾。這是最需要認真加以對付和防范的。

 

8.解決大氣環境影響的主要對策是什么?

解決環境段的問題應該從三個方面著手:一是從衛星導航系統設計著手,增強系統性能改進和提高的各種各樣的舉措,實現四大組成部分(空間星座段、環境增強段、運行控制段、用戶設備段)一體化設計針對環境增強段問題,采取積極的措施,保障精度、可用性、完好性、連續性和可靠性指標要求,尤其是抗干擾能力和具有完好性保證的高精度性能:二是要加強對衛星信號及其干擾源的監測和跟蹤,及時地發現可能的故障、原因、來源,確定相應的對策,采取積極的防范措施和及時的處理辦法;三是應該充分利用多樣化的系統互補融合,除了積極推進GNSS多個系統的兼容和互操作外,還要將天基導航與地基導航、傳統導航與新興導航、無線電導航與慣性導航,以及多種多樣的導航手段和資源實現系統集成化整合,從根本上解決天基導航系統的脆弱性,真正做到任何時候、任何地方實現全空間、全天候的定位、導航和授時(PNT)。

 

9.電離層是怎樣形成的?電離層與對流層主要特征是什么?

地球高層大氣的分子和原子在太陽紫外線、X射線和高能粒子的作用下電離,產生自由電子和正、負離子,形成等離子體區域即電離層電離層從宏觀上呈現中性。電離層的變化,主要表現為電子密度隨時間的變化。而電子密度達到平衡的條件,主要取決于電子生成率和電子消失率。電子生成率是指中性氣體吸收太陽輻射能發生電離,在單位體積內每秒鐘所產生的電子數。電子消失率是指當不考慮電子的漂移運動時,單位體積內每秒鐘所消失的電子數。帶電粒子通過碰撞等過程又產生復合,使電子和離子的數目減少;帶電粒子的漂移和其他運動也可使電子或離子密度發生變化。從離地面約50千米開始一直伸展到約1000千米高度的地球高層大氣空域,其中存在相當多的自由電子和離子,能使無線電波改變傳播速度,發生折射、反射和散射,產生極化的旋轉并受到不同程度的吸收。大氣的電離主要是太陽輻射中紫外線和X射線所致。此外,太陽高能帶電粒子和銀河宇宙射線也起相當重要的作用。太陽輻射使部分中性分子和原子電離為自由電子和正離子,它在大氣中穿透越深,強度(產生電離的能力)越弱,而大氣密度逐漸增加于是,在某一高度上出現電離的極大值。大氣不同成分,如分子氧、原子氧和分子氮等,在空間的分布是不均勻的。它們為不同波段的輻射所電離,形成各自的極值區,從而導致電離層的層狀結構。在電離作用產生自由電子的同時,電子和正離子之間碰撞復合,以及電子附著在中性分子和原子上,會引起自由電子的消失。大氣各風系的運動、極化電場的存在、外來帶電粒子不時入侵,以及氣體本身的擴散等因素,引起自由電子的遷移。電離層內任一點上的電子密度,決定于上述自由電子的產生、消失和遷移三種效應。在不同區域,三者的相對作用和各自的具體作用方式也大有差異。在55千米高度以下的區域中,大氣相對稠密碰撞頻繁,自由電子消失很快,氣體保持不導電性質。在電離層頂部及其以上區域,大氣異常稀薄,電離的遷移運動主要受地球磁場的控制稱為磁層。

電離層的主要特性由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度、離子溫度和離子成分等基本參數來表示。

對流層一般指高度為2萬千米以下的大氣層。由于離地面較近,大氣密度遠大于電離層中的密度。而且大氣的狀態隨地面的氣候變化而變化,所以對流層折射比電離層折射更為復雜。由于對流層不屬于彌散性介質,即電磁波在其中的傳播速度與頻率無關,所以對流層延遲無法通過衛星導航系統發射的雙頻信號加以消除。

對流層延遲取決于信號傳播路徑上的壓力、溫度和相對濕度的變化,因此,對流層延遲隨時間、地點、季節等因素而變化。對流層延遲還與衛星信號穿越對流層的路徑長度有關,即對流層延遲與接收機至衛星的觀測仰角有關,對流層延遲隨接收機觀測仰角的變化。通常對流層延遲在天頂方向(仰角為90°)約為2米,隨仰角的減小,對流層延遲逐漸增大,在低仰角時(20°)可以達到20多米。同時考慮到對流層延遲變化的復雜性,因此,對流層延遲是影響高精度定位的重要因素。

 

10.如何消除、緩解和改正GNSS測量中主要由環境段形成的誤差?

GNSS運控段通過GNSS監測站網絡測量并計算衛星星歷和星鐘參數值,利用它們可以確定衛星狀態(位置和速度)和衛星時鐘相關參數(鐘差、頻偏和漂移率)。這些參數的當前值通過卡爾曼濾波器獲得,并通過預報模型產生參數上傳給衛星,形成導航電文廣播給用戶在估算當前參數值和預報未來的參數值時均會產生誤差。預測誤差與數據齡期成正比,數據齡期是從最近一次數據上傳時間開始計算的。由此可見,上傳給衛星的數據越頻繁,模型估算、預報星歷和時鐘的參數越精確,運控段產生的誤差會越小。

衛星信號在大氣中傳播時,主要有電離層和對流層造成的傳播效應。電離層主要分布在距離地面50~1000千米高度區域,該區域的大氣因為太陽輻射的原因,其分子和原子產生電離作用,成為自由電子和離子。所以,電離層的狀態主要取決于太陽活動程度。電離層不同高度上的電子密度分布存在差異,分為若干層,自下而上分別稱為D、E、F1和F2層,F2層為電子密度最大的區域,通常位于距地面段高度為250~400千米區間內。電離層的物理特性呈現晝夜變化、季節變化、緯度區域變化和太陽黑子周期變化,以及多種多樣的太陽和地磁活動相關的異常變化與時空變化。在電離層中,GPS的無線電信號傳播速度與信號傳播路徑上的自由電子數量(沿著路徑的柱體內自由電子的總數,稱為總電子含量,柱體的底面積為1平方米)有直接的關系。電離層對于GPS信號的影響主要為:使得信號的相速度加快,群速度變慢,造成電離層附加的時延,時延量與總電子含量成正比,顯然與穿過電離層的路徑長度(衛星的觀測仰角)密切相關。在所有的非人為誤差因素中,電離層是最大的誤差來源,達到數米甚至數十米。電離層誤差的消除和改正通常采用電離層模型改正方法,在導航電文中廣播電離層改正模型,至少能夠消除50%以上的誤差,當然還可以利用更為精確的模型或者星基增強系統廣播的電離層改正值。最好的辦法是利用雙頻接收機,運用電離層效應與信號頻率的平方成反比的原理,通過雙頻測量的組合差分加以抵消。

對流層是從地面至10多千米高度區間的中性大氣,主要由干氣部分或水汽部分組成,GPS信號通過它時也會發生折射,造成對流層時延。遞常消除或者改正對流層誤差的主要辦法是利用對流層模型,能夠達到較高的精度(改正后的殘差為厘米量級)。當然,實時估算水汽造成的濕時延,并且達到很高的精度,目前還具有挑戰性

在高精度定位測量中,還需要考慮到信號強度、碼結構和接收機與天線設計的一系列誤差。其中主要應該考慮接收機噪聲和多徑效應兩種誤差。影響信號碼和載波相位測量的隨機測量噪聲稱為接收機噪聲,它包括天線接收到的與GNSS信號無關的射頻信號;天線、前置放大器、饋線和接收機等產生的嗓聲、多徑噪聲和信號變換量化噪聲。接收機噪聲引起的測量誤差隨著信號強度降低而增加,尤其是在信噪比較低的情況下,更為明顯。多徑效應是指信號通過兩個或者兩個以上的路徑到達接收機天線的現象。它對于信號碼和載波相位測量均有影響。偽距測量中的多徑誤差一般在1~5米范圍內,載波相位測量中相應的誤差要小兩個數量級,為1~5厘米。避免多徑效應的主要方法是將觀測天線安置在開闊區域,以免出現反射波現象。當然也可以通過天線設計來減少多徑影響。

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