卫星导航系统需要在环境段上实现创新发展

2019.11.05 , 浏览次数: 371

 

1.为什么要研究卫星导航系统的环境段?

通常认为,卫星导航系统是由空间段、地面控制段和用户段三部分构成。实际上,系统还应该包括另一个不言自明的部分,这就是环境段,它与导航信号的电波传播密切相关,而且是系统不可分割的部分是越来越重要的部分,是值得独立研究的部分。可以说,只有把环境段考虑到系统的总体组成中,系统才成为完整的系统,只有把环境问题妥善处理,解决好和应对好,系统才成为完善的系统。

 

2.卫星导航系统的环境段包括哪些方面?

卫星导航系统的环境段涉及的空间体非常大,涉及的内容范围非常宽。由于卫星导航的应用涉及海、陆、空、天各个方面,所以从地面、海上开始,到近地空间、地外空间,乃至深空。在这样巨大的空间内,包括不同的电波传输介质,自然和人为的电磁干扰,以及地形地物和植被的影响。其中涉及大气(电离层和对流层)条件、电磁环境、多径效应,以及多种多样的应用环境与条件,它们会影响到系统工作、定位精度、完好性、可用性、连续性和可靠性等一系列关键指标。环境段不仅影响到定位、导航和授时的精度,而且也会影响到用户接收机的正常工作,甚至导致信号中断。尤其是茂密的森林内、城市峡谷中,甚至各种各样室内应用,都有电波传播环境条件的限制。

 

3.环境段有什么挑战性的难题?

当前,或者说是今后很长一段时间内。卫星导航的主要问题是其脆弱性,而脆弱性的实质是环境问题。所以卫星导航面临的挑战性问题大多数来自环境段。天基PNT的脆弱性问题突出,迫切需要解决恶劣和特殊环境条件下的系统运行和应用的技术与方法,以及在这些环境条件下和所有环境条件下的精确模型化技术(包括PNT能力的模型和多系统集成运作的模型)、确保完好性的高精度定位技术、即时报警技术,和连续提供空间地理信息的技术,以及高度空间的定位和测向解决方案。这些难题和空白有待认真破解。通过强化环境监测与模型化、事件判断与处理、危机管理与应对,从而缓解脆弱性威胁,提高系统和应用的可靠性、安全性。当前挑战性的课题是,加强在恶劣电磁环境、异常大气环境、严酷物理环境、地外空间环境、导航战环境条件下的可用性与可生存性,以及服务的确保程度。

 

4.什么叫做大气效应?

卫星导航系统中电波传播的大气效应,包括中性大气与电离层两种特性极不相同的媒质的影响。中性大气效应主要是密度大和气象变化过程复杂的对流层效应。在晴空条件下,有折射(射线弯曲)、时延、反射(多径)多普勒频移效应以及气体分子的吸收哀减和湍流散射(闪烁)。在坏天气情况下,还有雨雪、冰晶、尘埃等吸收与散射所导致的衰减,以及降雨和冰晶的去极化效应。一般当频率高于10GHz.对流层的影响是主要的,特别是仰角小于5的时候,影响严重。电离层效应主要是折射弯曲,群时延,相位超前,多普勒频移与法拉第极化旋转以及闪烁效应。特别是它具有频率色散效应。当频率低于10GHz时,电离层的影响是主要的。在1~10GHz之间,特别是对于低仰角,对流层与电离层两者的效应都有重要影响。大气传播效应引起的信号衰减和畸变,使信号质量变坏。对流层与电离层的影响机制和特性有较大差异。

 

5.近地空间环境的重要性为什么日益突出?

对于所有的卫星导航系统,近地空间环境是其无法离开的存在环境和信号传输的客观世界。所以,从完整性而言,通常卫星导航系统严格地说应包括空间星座段、运行控制段、环境增强段和用户设备段。原先,环境增强段往往是隐含在内,双频和多频体制很大程度上是为环境而设的。环境增强实际上涉及非常浩大的工程,广域增强系统WAAS、 EGNOS、MSAS)、局域增强系统(LAAS)、差分GPS网络( NDGPS)、连续运行参照站网(CORS)、国际GNSS服务(GS)等均属其范畴。环境增强实质上是解决近地空间大气环境信息系统(AS),与GS一样,是个基础技术。大气环境(简称环境段)与卫星导航系统其他组成部分(空间段、运控段和用户段)是密不可分的。环境段与其他三部分相比,属于系统的“软件”,是充分发挥系统硬件的整体作用,达到预期性能指标的重要基础,直接关系到卫星导航应用和服务的效能与结果。随着技术的进步和应用的广泛深入,要求定位精度越来越高,要求系统可靠性越来越严,环境段的问题日益突出,已经是它从后台走向前台的时候了。

 

6.电离层是什么?对流层是什么?多径效应又是什么?

电离层主要是指位于离地50~1000km的由电离气体组成的大气。导航卫星发布的电离层模型只能消除其70ns时延的一半,剩下的非模化残差有时可以高达10m。电离层的复杂性是由于它存在区域效应和时变效应,在极区、赤道地区和中纬度地区存在不同的变化特征。

更为复杂的是电离层的时变效应,它是随着昼夜晨昏、日出日落、四季节气,还随着太阳活动周期、太阳地磁活动而变化。因为电离层真正的产生源是来自于太阳的多种多样的辐射源。

对流层是大气层的较低部分,通常是指离地高度从地面起至83km左右,随着气候变化它会在温度、气压和湿度上有所变化。复杂的对流层时延模型可以用来估算或测量这些参数。良好的对流层模型化技术,可以消除大部分的对流层折射误差效应。

多径是由于接收机附近各种各样物体表面的反射信号引起的,它们可能对来自卫星的直射信号造成干扰。多径效应成因往往难以检测有的时候则是难以避免的。它是目前无线电传播效应中最为令人头疼的难题之一。

 

7.卫星导航系统的电磁环境指的是什么?导航卫星信号干扰来源主要有哪些?

电磁波环境包括自然的和人为的,人为的又分为无意与故意干扰。自然的电磁环境包括日地环境和大气环境造成的电磁波和电磁干扰效应,如太阳和地磁活动造成的影响,造成的地磁与电离层干扰和电离层爆引起的电离层异常、不均匀性、闪烁效应和梯度倾斜等,还有大气雷暴引起的电磁效应等。人为的电磁干扰则是更加丰富和复杂,不胜枚竿。各种各样的无线电系统工作和大量的机电设备的启动运行,都可能在卫星导航系统工作所在的L频段造成明显干扰。当然,最为重要的是,人为的故意干扰。这是最需要认真加以对付和防范的。

 

8.解决大气环境影响的主要对策是什么?

解决环境段的问题应该从三个方面着手:一是从卫星导航系统设计着手,增强系统性能改进和提高的各种各样的举措,实现四大组成部分(空间星座段、环境增强段、运行控制段、用户设备段)一体化设计针对环境增强段问题,采取积极的措施,保障精度、可用性、完好性、连续性和可靠性指标要求,尤其是抗干扰能力和具有完好性保证的高精度性能:二是要加强对卫星信号及其干扰源的监测和跟踪,及时地发现可能的故障、原因、来源,确定相应的对策,采取积极的防范措施和及时的处理办法;三是应该充分利用多样化的系统互补融合,除了积极推进GNSS多个系统的兼容和互操作外,还要将天基导航与地基导航、传统导航与新兴导航、无线电导航与惯性导航,以及多种多样的导航手段和资源实现系统集成化整合,从根本上解决天基导航系统的脆弱性,真正做到任何时候、任何地方实现全空间、全天候的定位、导航和授时(PNT)。

 

9.电离层是怎样形成的?电离层与对流层主要特征是什么?

地球高层大气的分子和原子在太阳紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离,产生自由电子和正、负离子,形成等离子体区域即电离层电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化,主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件,主要取决于电子生成率和电子消失率。电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离,在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时,单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合,使电子和离子的数目减少;带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。从离地面约50千米开始一直伸展到约1000千米高度的地球高层大气空域,其中存在相当多的自由电子和离子,能使无线电波改变传播速度,发生折射、反射和散射,产生极化的旋转并受到不同程度的吸收。大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外,太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当重要的作用。太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子,它在大气中穿透越深,强度(产生电离的能力)越弱,而大气密度逐渐增加于是,在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分,如分子氧、原子氧和分子氮等,在空间的分布是不均匀的。它们为不同波段的辐射所电离,形成各自的极值区,从而导致电离层的层状结构。在电离作用产生自由电子的同时,电子和正离子之间碰撞复合,以及电子附着在中性分子和原子上,会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵,以及气体本身的扩散等因素,引起自由电子的迁移。电离层内任一点上的电子密度,决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域,三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。在55千米高度以下的区域中,大气相对稠密碰撞频繁,自由电子消失很快,气体保持不导电性质。在电离层顶部及其以上区域,大气异常稀薄,电离的迁移运动主要受地球磁场的控制称为磁层。

电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等基本参数来表示。

对流层一般指高度为2万千米以下的大气层。由于离地面较近,大气密度远大于电离层中的密度。而且大气的状态随地面的气候变化而变化,所以对流层折射比电离层折射更为复杂。由于对流层不属于弥散性介质,即电磁波在其中的传播速度与频率无关,所以对流层延迟无法通过卫星导航系统发射的双频信号加以消除。

对流层延迟取决于信号传播路径上的压力、温度和相对湿度的变化,因此,对流层延迟随时间、地点、季节等因素而变化。对流层延迟还与卫星信号穿越对流层的路径长度有关,即对流层延迟与接收机至卫星的观测仰角有关,对流层延迟随接收机观测仰角的变化。通常对流层延迟在天顶方向(仰角为90°)约为2米,随仰角的减小,对流层延迟逐渐增大,在低仰角时(20°)可以达到20多米。同时考虑到对流层延迟变化的复杂性,因此,对流层延迟是影响高精度定位的重要因素。

 

10.如何消除、缓解和改正GNSS测量中主要由环境段形成的误差?

GNSS运控段通过GNSS监测站网络测量并计算卫星星历和星钟参数值,利用它们可以确定卫星状态(位置和速度)和卫星时钟相关参数(钟差、频偏和漂移率)。这些参数的当前值通过卡尔曼滤波器获得,并通过预报模型产生参数上传给卫星,形成导航电文广播给用户在估算当前参数值和预报未来的参数值时均会产生误差。预测误差与数据龄期成正比,数据龄期是从最近一次数据上传时间开始计算的。由此可见,上传给卫星的数据越频繁,模型估算、预报星历和时钟的参数越精确,运控段产生的误差会越小。

卫星信号在大气中传播时,主要有电离层和对流层造成的传播效应。电离层主要分布在距离地面50~1000千米高度区域,该区域的大气因为太阳辐射的原因,其分子和原子产生电离作用,成为自由电子和离子。所以,电离层的状态主要取决于太阳活动程度。电离层不同高度上的电子密度分布存在差异,分为若干层,自下而上分别称为D、E、F1和F2层,F2层为电子密度最大的区域,通常位于距地面段高度为250~400千米区间内。电离层的物理特性呈现昼夜变化、季节变化、纬度区域变化和太阳黑子周期变化,以及多种多样的太阳和地磁活动相关的异常变化与时空变化。在电离层中,GPS的无线电信号传播速度与信号传播路径上的自由电子数量(沿着路径的柱体内自由电子的总数,称为总电子含量,柱体的底面积为1平方米)有直接的关系。电离层对于GPS信号的影响主要为:使得信号的相速度加快,群速度变慢,造成电离层附加的时延,时延量与总电子含量成正比,显然与穿过电离层的路径长度(卫星的观测仰角)密切相关。在所有的非人为误差因素中,电离层是最大的误差来源,达到数米甚至数十米。电离层误差的消除和改正通常采用电离层模型改正方法,在导航电文中广播电离层改正模型,至少能够消除50%以上的误差,当然还可以利用更为精确的模型或者星基增强系统广播的电离层改正值。最好的办法是利用双频接收机,运用电离层效应与信号频率的平方成反比的原理,通过双频测量的组合差分加以抵消。

对流层是从地面至10多千米高度区间的中性大气,主要由干气部分或水汽部分组成,GPS信号通过它时也会发生折射,造成对流层时延。递常消除或者改正对流层误差的主要办法是利用对流层模型,能够达到较高的精度(改正后的残差为厘米量级)。当然,实时估算水汽造成的湿时延,并且达到很高的精度,目前还具有挑战性

在高精度定位测量中,还需要考虑到信号强度、码结构和接收机与天线设计的一系列误差。其中主要应该考虑接收机噪声和多径效应两种误差。影响信号码和载波相位测量的随机测量噪声称为接收机噪声,它包括天线接收到的与GNSS信号无关的射频信号;天线、前置放大器、馈线和接收机等产生的嗓声、多径噪声和信号变换量化噪声。接收机噪声引起的测量误差随着信号强度降低而增加,尤其是在信噪比较低的情况下,更为明显。多径效应是指信号通过两个或者两个以上的路径到达接收机天线的现象。它对于信号码和载波相位测量均有影响。伪距测量中的多径误差一般在1~5米范围内,载波相位测量中相应的误差要小两个数量级,为1~5厘米。避免多径效应的主要方法是将观测天线安置在开阔区域,以免出现反射波现象。当然也可以通过天线设计来减少多径影响。