电离层对民航卫星导航应用影响分析

（1.中国民航局空中交通管理局，北京100022；2.民航数据通信有限责任公司，北京 100022）

朱国辉1，石 砳1，朱衍波2

电离层对民航卫星导航应用影响分析

（1.中国民航局空中交通管理局，北京100022；2.民航数据通信有限责任公司，北京 100022）

朱国辉1，石 砳1，朱衍波2

对于应用卫星导航的民用航空运行而言，电离层是一种最为复杂的导航误差影响因素。由于电离层存在模型复杂、异常扰动和闪烁、电离层风暴的特性，尤其在太阳活动期间，可对民航导航带来致命性的影响，影响航空正常运行。国际上针对消除电离层误差提出了单一模型、相对定位以及广域增强等方法，目前国际民航组织也在开展电离层数据收集和构建区域电离层模型的工作。针对电离层形成的原因与特性、消除电离层手段、电离层对民用航空导航的影响以及相应的解决措施，提出了民用航空消除电离层误差的方法和设想。

卫星导航；电离层风暴；电离层闪烁；Kloubuchar；局域增强系统

电离层，位于距地面60～1 000 km左右高度的部分大气层，其内部分子处于电离状态，含有大量的自由电子和离子。电离层是对无线电波影响最严重的大气层区域，是民用航空卫星导航最严重、最棘手的误差源之一。从20世纪80年代末开始，主要西方国家的有关行政机构、学校、公司和研究单位，如美国联邦航空局技术中心、MITRE公司、斯坦福大学、美国霍尼韦尔公司等，就对卫星导航电离层相关问题进行了广泛的研究和探索。

美国2000年在检验WAAS数据的过程中首次发现了电离层异常的情况，并提出这种电离层异常超出了GBAS系统误差包络的范围，经过漫长的观测和研究，Stanford大学提出了采用放大完好性因子并进行卫星几何构型筛除的算法，即首先通过收集电离层数据建立电离层威胁模型，假设GBAS设备的安装地点一直处于最差的电离层条件下，并根据此假设将几何位置不好的卫星过滤掉，从而减轻电离层延迟带来的威胁。2009年，美国霍尼韦尔公司依据该算法生产的GBAS SLS4000型系统通过了美国联邦航空局的系统设计许可，并在多个国家进行了部署[1]。

随着中国民航PBN实施的推进，GPS在民航的应用日益广泛，国际民航组织逐步重视电离层的影响，并开始收集相应数据，构建电离层应用模型，本文着重讨论电离层对民航卫星导航的影响及相应的解决手段。

1 电离层形成与特性

大气层在太阳辐射的光致电离和其他形体高能粒子的碰撞电离作用下，中性的高空大气将形成电子、正离子、中性分子及原子等组成的等离子体，其内部电子处于电离状态，使无线电波的传播方向、速度、相位、振幅及偏振状态发生变化。由于不同高空区域气体成分种类、密度不同，不同时期太阳辐射不完全一致等原因，电离层存在着结构分层、时空变化、异常扰动与闪烁、存在地区电离层风暴等特性。

1.1 分层特性

电离层随高度分布不均匀，从60 km向上，电子浓度先是随高度增加而增大，到某高度时达到极大值，之后又随高度增加而减少，一般根据该特性将电离层分为D层、E层、F层[2]。

1.2 时空变化特性

电离层的形成主要是太阳辐射和地球大气层的相互作用，电离层状态随昼夜、季节以及太阳活动期等产生周期性变化。在正常的太阳活动控制下电离层的昼夜、季节、年周期时间和经度、纬度、高度空间变化的统计特征呈平静电离层特性。但太阳黑子数爆发将引起电子浓度发生急剧变化，形成电离层扰动。

1.3 异常扰动和闪烁

电离层闪烁是指导航卫星信号穿越电离层时，电离层的结构不均匀会引起信号强度和相位的快速随机起伏变化，中国地处中低纬度地区，电离层闪烁尤为明显。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，严重时会导致接收机跟踪信号的失锁。

1.4 电离层风暴

由于太阳爆发的强磁暴导致全球范围或部分地区电离层的剧烈变化，称为电离层风暴，电离层风暴将导致电离层时空相关性降低，用户难于消除电离层对导航定位的影响，在2003年10月28日太阳活动期间，部分地区电子浓度总含量超过120，将严重影响航空运行。如图1所示。

2 消除电离层误差的手段

GPS卫星运行在轨道高度20 000 km的太空，航空器接收GPS卫星信号必然要穿越整个电离层区域，由于GPS信号在电离层区域内的传播路径长，电离层产生的误差在几米到几十米的范围内，最大误差可达150 m。

图1 2003年10月电离层风暴期间电子浓度总含量Fig.1 Ionosphere storm TEC in Oct.2003

一般来讲，电离层延迟修正方法的选择决定于用户类型及作业方式，一般分为绝对修正方法和相对修正方法两类。在绝对定位中，双频GPS用户消除电离层距离延迟的最佳途径是直接利用其双频观测值计算电离层距离延迟。单频GPS用户不能自行修正电离层影响，通常借助数学模型机型改正电离层延迟引起的距离误差，但现有模型的修正精度均不高。相对定位中，可利用电离层的空间时间相关性消除电离层误差。

2.1 单频电离层模型

单频GPS用户不能自行修正电离层影响，一般利用电离层模型修正电离层延迟引起的距离误差，通常采用Kloubuchar模型。Kloubuchar模型需要输入由GPS导航电文广播的8个参数，将参数带入电离层试验模型，计算相应的电离层影响的伪距误差后定位。Kloubuchar模型为全球统计模型，一般情况下可以消除55%左右的电离层延迟误差[3]。

2.2 双频电离层模型

双频电离层改正：由于电离层的延迟和频率的平方成反比，可以通过接受双频信号，线性组合求差后消除电离层误差。但GPS L2频率为1 227.60 MHz，不在民用航空无线电频率保护范围内，民用航空不能利用双频改正来消除电离层误差。

2.3 广域增强系统电离层模型

广域增强系统中一般采用电离层网格模型对用户定位中的电离层误差进行修正。数据处理中心利用监测站测量的电离层穿刺点处电离层延迟估计电离层网格点处的电离层垂直延迟，及相应的误差门限信息值，并播发至用户。用户利用播发的值内插出用户至卫星视线路径上的电离层延迟及相应的误差估计，并用于定位修正和相应的完好性计算。

电子密度最大的区域在离地面300～400 km处，故取350 km处作为一个假想球面，假定所有电子集中于该层面。以美国的广域增强系统为例，在参考面上，经度线和纬度线按5°的间隔把参考面分割成一定数量的网格，网格的节点作为广域增强系统发布电离层延迟误差的依附点，如图2所示[1]。

图2 美国广域增强系统电离层格网点Fig.2 FAA WAAS ionosphere gird

广域增强系统监测站采用双频P码接收机实时计算出其可视范围内GPS卫星的电离层延迟值，同时计算出GPS卫星在电离层参考面上穿透点的经纬度，主控站根据各监测站的数据计算出电离层参考面上每个网格节点的垂直入射方向的电离层延迟值，并按一定格式生成电文由同步通信卫星转发给区域内广大用户。用户通过计算其可视GPS卫星在电离层参考面上的经纬度并对照接收到的网格节点电离层延迟数据，依据距离加权算法计算GPS卫星的电离层延迟值[4]。

2.4 GBAS系统电离层模型

对GBAS系统而言，除了电离层异常以外的所有完好性威胁都可以在测距域通过监视来避免。大型电离层空间梯度会造成较大的差分误差并导致完好性失效。对于目前的单频GBAS而言，仅仅通过在距离域监控来减小电离层梯度的威胁非常困难，因为电离层空间梯度的完全探测无法保证。处理电离层威胁的一个方法是一致假设最差的电离层条件一致存在着，并且基于此假设来放大广播的完好性参数，这种方法被称为卫星几何构型筛选或者完好性因子放大算法。

为了减小最差距离误差并提高可用性，GBAS系统额外添加一个GPS站，叫做电离层监视器。电离层监视器是设计用来检测异常的电离层延迟梯度，一般安装在远离GBAS参考接收机安装的那个跑道端，电离层监测器处的穿透点相对于地面站受电离层异常的影响会更早。飞机到达估计点之前，如果电离层监测器和地面站之间的载波相位测量值的差值超过最小可检测到的误差，那么就可以检测到这组特定的威胁参数，可以有效地避免电离层风暴对GBAS的影响，如图3所示。

图3 局域增强系统电离层风暴模型Fig.3 GBAS ionosphere storm model

3 电离层对于民用航空导航的影响

由于航空导航无线电保护频率的限制，现阶段民航卫星导航用户只能使用GPS L1 1 575.42MHz信号，分为非增强型GPS用户和增强型GPS用户。

对于非增强型单频GPS用户而言，空间天气会导致信号容易丧失完整性和准确性；对使用增强型单频GPS用户而言，空间天气会使信号丧失可用性。在极端事件期间，用户会无法使用GPS信号，如太阳爆发会带来射电干扰，电离层闪烁会导致GPS接收机无法捕获部分乃至全部卫星信号。增强型GPS用户不太容易受到轻微和中度电离层扰动的影响，但仍会受到闪烁、太阳射电爆发和大的电离层扰动的影响[5-6]。

随着中国民航PBN应用的逐步推广，GPS卫星导航已可应用于航路、终端区、进近、着陆等不同的阶段，国际民航组织对于各个阶段卫星导航的性能提出了具体的需求，如表1所示。

表1 国际民航组织卫星导航精度需求Tab.1 ICAO GNSS accuracy requirement

根据国际民航组织卫星导航精度要求，针对航路和终端区导航运行，电离层对于民航影响不大；而对用于着陆和对接中的高精度型导航需求而言，要求十分严格，电离层则会产生致命的影响，尤其是在太阳活动频繁时期。

2003年3月26日太阳风暴爆发期间，美国马萨诸塞州以及北部地区的许多GPS接收机无法跟踪在轨卫星信号，同年11月20日电离层风暴期间，美国北部地区用户即使能接收到导航信号，但导航定位精度误差增大了约25 m。2006年12月6日太阳风暴期间，地球向日面内的很多单频GPS接收机功能丧失，时间持续数分钟。

4 民用航空导航消除电离层影响的解决方案

鉴于民用航空目前只能使用接收GPS L1信号的单频非增强型和增强型接收机的情况，为尽可能消除电离层误差，减少电离层风暴期间对民用航空导航的影响，可以采用构建地区电离层模型、建立电离层风暴监测和预报网络、构建备份的导航网络、开展GPS卫星L5频段在民航的应用研究等方式解决电离层对民用航空的影响。

1）构建区域电离层模型 国际民航组织亚太地区于2011年5月召开亚太地区电离层数据收集、分析研讨会，要求亚太地区各国相互合作，开展电离层数据收集和分析工作，准备建立适用于民用航空导航的亚太地区电离层模型。

2）建立电离层风暴监测和预报网络 由于电离层风暴、异常同太阳活动密切相关，为解决由于电离层风暴、等离子体泡、电离层闪烁等各种对于民用航空导航不利影响的问题，有必要利用现有资源和设施建立电离层实时观测网络，同时同国家气象局等部门密切合作，从影响电离层异常的太阳异常活动角度适时对电离层风暴等异常情况进行预报。

3）构建备份的导航网络 为避免由于电离层风暴导致的卫星导航失效影响民用航空运行事件的发生，在中国民航全面推动基于GNSS的PBN运行的实施过程中，保持具备VOR/DME、DME/DME、仪表着陆系统的多种导航方式，可作为卫星导航失效情况下的备份手段。

4）利用将来的GPS卫星新频率 根据卫星导航的现代化发展进程，从GPS的IIF批次卫星开始，在航空保护频段使用一种新的L5民用GPS信号。L5信号和L1信号并行使用可以使GPS接收机估算并去除电离层误差。新的信号和编码抵御因闪烁或太阳射电爆发导致的信号衰落的能力增强。

5 结语

随着中国民航PBN实施的推进，卫星导航将最终成为民用航空导航的主用导航手段，但中国地处中低纬度地区，具有明显的区域电离层环境特性，电离层赤道异常、电离层风暴等都可引起电离层电子密度的梯度变化，影响电离层的时空相关性，影响民用航空导航的精度和完好性，电离层闪烁还会引起接收机跟踪信号强度的降低，引起接收机测量误差增大，闪烁严重时可引起接收机失锁，影响定位精度因子，因此，中国民航在应用卫星导航系统时有必要针对中国区域的电离层环境特性开展系统、深入的研究，消除电离层对民用航空导航的影响。

[1]美国联邦航空局GPS网站.[2012-05-06].http://gps.faa.gov.

[2]袁运斌.基于GPS的电离层监测及延迟改正理论与方法的研究[D].北京:中国科学院测量与地球物理研究所,2002.

[3] KLOBUCHAR J A.Ionospheric time delay algorithm for single-frequency GPS user[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1987，23（3）：325-331.

[4]VAN DIERENDONK A J，ENGE P.The wide area augmentation system signal specification[J].Proceeding of ION GPS，1994，1：985-994. [5]王 刚，魏子卿.网格电离层延迟网模型的建立方法与试算结果[J].测绘通报，2000，4（9）：59-63.

[6]王永澄，黄建宇，周其焕.GPS广域增强系统的电离层延迟网格校正法[J].通信学报，1998，19（12）：38-41.

（责任编辑：杨媛媛）

Analysis of ionosphere impact to GNSS civil aviation application

ZHU Guo-hui1，SHI Le1，ZHU Yan-bo2
（1.Air Traffic Management Bureau，CAAC，Beijing 100022，China；2.Aviation Data Communication Corporation，Beijing 100191，China）

The ionosphere is the most complex factor of GNSS error of the civil aviation operation.As the character of complex model，disturbance，scintillation and storm，the ionosphere will bring serious effect to civil aviation especially at the solar cycles.Now there are the methods of model，relative positioning，and ICAO also start the work of collecting ionosphere data and creating regional ionosphere model.This paper is mainly focus on the ionosphere character，the effect of civil aviation，and bring forward the way to eliminate the ionosphere effect.

satellite navigation；ionosphere storm；ionosphere scintillation；Kloubuchar；WAAS

V249.3

A

1674－5590（2013）01－0001－04

2012-05-04；

2012-08-10

国家科技支撑计划项目（2011BAH24B02）；国家自然科学基金项目（61079016）

朱国辉（1981—），男，河北廊坊人，工程师，硕士，研究方向为民航空管卫星导航应用.