安盼盼,肖志斌,唐小妹,孫廣富

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410073)

電離層閃爍對接收機(jī)的影響

安盼盼,肖志斌,唐小妹,孫廣富

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410073)

導(dǎo)航信號經(jīng)過電子密度不均勻的電離層時(shí),信號的幅度和相位會產(chǎn)生快速隨機(jī)起伏,即為電離層閃爍。電離層閃爍對接收機(jī)信號捕獲跟蹤以及解調(diào)定位都有一定的影響,本文采用理論和仿真的方法分析了電離層閃爍對I,Q支路以及跟蹤環(huán)路的影響。結(jié)果表明:相位閃爍對信號I,Q支路均有影響,幅度閃爍對I支路的影響比較大,在相位閃爍比較強(qiáng)或者幅度閃爍比較強(qiáng)的區(qū)域,信號更難跟蹤處理。弱閃爍時(shí)鎖相環(huán)(PLL)的跟蹤門限約29 dBHz,延遲鎖定環(huán)路(DLL)的跟蹤門限約為20.2 dBHz,強(qiáng)閃爍時(shí)PLL跟蹤門限約為32 dBHz,DLL的跟蹤門限約為22 dBHz。相比而言,載波跟蹤環(huán)路更加脆弱。同時(shí)得到,閃爍越強(qiáng),載波發(fā)生周跳的概率越大,載噪比越高,抗閃爍能力越強(qiáng)。

電離層閃爍;PLL;DLL;跟蹤門限

0 引 言

電離層電子密度的不均勻性可引起電離層介電常數(shù)、折射指數(shù)的隨機(jī)起伏,當(dāng)電波在這樣的隨機(jī)環(huán)境中傳播時(shí),會引起傳播路徑以及傳播時(shí)間的改變,從而使得信號的振幅、相位等發(fā)生快速起伏,即為電離層閃爍。電離層閃爍導(dǎo)致到達(dá)地面的導(dǎo)航信號的幅值衰落,載波相位丟失數(shù)個(gè)整周和載噪比突降,造成接收機(jī)在捕獲跟蹤時(shí)誤碼率增加、載波相位測量值偏差增大。

電離層閃爍對接收機(jī)的影響目前比較多的是采用仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,學(xué)者孫鵬躍等[1]分析出當(dāng)相位閃爍指數(shù)為0.5時(shí),載波環(huán)路的鑒相誤差可達(dá)到15°,處于失鎖臨界狀態(tài)。學(xué)者Skone在文獻(xiàn)[2]中分析了ATAN鑒別器,經(jīng)典Costas模擬鑒別器,面向判決的Costas鑒別器,Q/I鑒別器的跟蹤效果,其中閃爍情況下,Q/I鑒別器效果最差,比較好的是ATAN鑒別器。學(xué)者劉思慧[3-5]利用電離層閃爍模型,對接收機(jī)性能進(jìn)行對比分析。當(dāng)閃爍強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí),接收機(jī)載噪比會出現(xiàn)5 dB的突降,載波相位丟失十多個(gè)整周,I/Q值幅度變化劇烈。學(xué)者劉鈍[6]通過對閃爍期間GPS/北斗定位數(shù)據(jù)的分析得出電離層閃爍發(fā)生時(shí)可造成接收機(jī)捕獲和跟蹤性能降低,導(dǎo)致用戶機(jī)定位精度下降。學(xué)者王耀鼎[7]從信息層面分析了電離層閃爍對BDS區(qū)域系統(tǒng)星座定位性能的影響,結(jié)果表明電離層閃爍離目標(biāo)點(diǎn)越近,對定位的影響越惡劣。學(xué)者李廣博[8-9]從理論計(jì)算和仿真分析上研究了電離層閃爍對接收機(jī)捕獲概率和跟蹤穩(wěn)定性的影響。

從以上文章中可以看出,在分析電離層閃爍對接收機(jī)的影響中,很少有對I、Q支路以及跟蹤門限的分析。本文分別分析了電離層閃爍對I、Q支路的理論及實(shí)際影響,并分析傳統(tǒng)PLL(Phase Lock Loop)和DLL(Delay Lock Loop)的跟蹤門限在閃爍時(shí)的變化情況,為接收機(jī)跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 電離層閃爍模型

1.1閃爍信號接收模型

電離層閃爍的影響通常用其對導(dǎo)航接收機(jī)接收信號幅度和相位的影響來進(jìn)行刻畫。閃爍情況下在接收機(jī)端接收到的信號模型為

s(t)=AδAD(t-τ)C(t-τ)×

cos(2πf0t+φ0+δφ)+n(t),

(1)

式中:A為信號幅度;δA表示閃爍引起的幅度抖動(dòng);C(t)為擴(kuò)頻碼;τ為偽碼延遲;D(t)為電文序列;f0為接收到的信號頻率;φ0為信號的初始相位;δφ表示閃爍引起的載波相位抖動(dòng);n(t)為加性高斯白噪聲。

電離層閃爍的強(qiáng)度通常用閃爍指數(shù)來衡量,包括幅度閃爍指數(shù)S4和相位閃爍指數(shù)σφ.幅度閃爍指數(shù)采用接收信號強(qiáng)度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差來表示,相位閃爍指數(shù)一般采用信號載波相位的標(biāo)準(zhǔn)差來表示。

(2)

式中:SI=(AδA)2為信號強(qiáng)度;φ=φ0+δφ為載波相位。

1.2閃爍信號仿真模型

電離層閃爍信號的仿真目前可采用三種方法實(shí)現(xiàn):理論方法、實(shí)測數(shù)據(jù)和基于概率分布的統(tǒng)計(jì)模型。本文采用常用的基于概率分布的Cornell模型生成電離層閃爍序列。

(3)

式中,ξ(t)由一個(gè)零均值高斯白噪聲n(t)通過一個(gè)二階低通Butterworth濾波器生成,其自相關(guān)函數(shù)可以表示為

(4)

Cornell模型中,主要有兩個(gè)參數(shù)S4和τ0.τ0取值越小,閃爍序列的時(shí)間相關(guān)性越小,信號的幅度和相位變化越快。當(dāng)S4比較大,τ0比較小時(shí),對應(yīng)

的閃爍比較強(qiáng)。β取值一般為1.239 646 4.

Cornell模型可以根據(jù)給定的參數(shù),仿真得到對應(yīng)的電離層閃爍序列,進(jìn)而再將閃爍序列采用幅度閃爍序列相乘,相位閃爍序列相加的形成給相應(yīng)的信號,由此產(chǎn)生對應(yīng)頻點(diǎn)的閃爍信號。

2 電離層閃爍對接收機(jī)的影響

本文主要以閉環(huán)接收機(jī)為例分析閃爍對接收機(jī)的影響,常用的閉環(huán)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常用的閉環(huán)接收機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1電離層閃爍對I、Q支路的影響

存在電離層閃爍時(shí),I、Q支路的積分結(jié)果可以建模為

IPk=AδAsinc(ωT)cos(θe+θs)+nI,k，

QPk=AδAsinc(ωT)sin(θe+θs)+nQ,k，

(5)

式中,ω=ωe+ωs,相比于正常的跟蹤結(jié)果,積分結(jié)果上增加了幅度閃爍δA和相位閃爍θs,ωs的影響。θe為環(huán)路正常跟蹤時(shí)的相位誤差,穩(wěn)定跟蹤時(shí)θe≈0°.無閃爍時(shí)I,Q支路可以近似為

E[IPk,no]=A，

E[QPk,no]=Asin(θe)≈0，

(6)

當(dāng)接收信號存在閃爍時(shí),I支路的相關(guān)值相應(yīng)的均值為

同理可以得到:

E[QPk]=AE[sinc(ωsT)sin(θs)]×

E[δA](θe→0).

(8)

從以上推導(dǎo)可以看出,幅度閃爍和相位閃爍對I,Q支路均有影響,θs的概率分布為正態(tài)分布,偶對稱,θs=ωsT+Δφs,當(dāng)相位閃爍比較弱時(shí),θs→0時(shí),ωs→0,相位閃爍對I、Q支路均值幾乎無影響。當(dāng)閃爍較強(qiáng)時(shí),對E[sinc(ωsT)sin(θs)]進(jìn)行分析,其中sinc函數(shù)和sin函數(shù)如圖2所示。

圖2 不同函數(shù)情況分析

從圖2中可以看出,sinc函數(shù)為偶函數(shù),sin函數(shù)為奇函數(shù),當(dāng)Δφs→kπ(k∈N)時(shí),sin(θs)仍然為奇函數(shù), sinc(ωsT)sin(θs)為奇函數(shù),其均值可以表示為

E[sinc(ωsT)sin(θs)]=

(9)

當(dāng)Δφs不滿足此條件時(shí),被積函數(shù)不再是奇函數(shù),Q支路的均值會在0附近波動(dòng)。相位閃爍一定程度上會影響Q支路的均值。

考慮到I支路相關(guān)結(jié)果為信號部分,Q支路相關(guān)結(jié)果為噪聲,對信號部分的方差分析并無很大意義,接下來主要分析電離層閃爍時(shí)Q支路的噪聲方差

=E[A2(δA)2sinc2(ωsT)sin2(θs)]+

=A2var(δAsinc(ωsT)sin(θs))+

(10)

從式(10)中可以看出,電離層閃爍會增加Q支路的噪聲。只考慮幅度閃爍時(shí)(θs→0),Q支路的噪聲方差為

(11)

只考慮幅度閃爍,對Q支路的噪聲方差無影響,但是幅度閃爍劇烈時(shí),I支路波動(dòng)值甚至可能為0.

只考慮相位閃爍,會增加Q支路的噪聲方差。

綜上分析:只考慮幅度閃爍:對I支路的均值有影響,在θe→0時(shí)對Q支路的均值無影響,對Q支路的方差也無影響;只考慮相位閃爍:對I支路的均值有影響,對Q支路的均值有影響,對Q支路的噪聲方差有影響。

相比而言,相位閃爍對信號I、Q支路均有影響,幅度閃爍僅對I支路有較大影響。在發(fā)生相位閃爍比較強(qiáng)烈的地方,信號更難跟蹤處理。同時(shí)在幅度閃爍比較劇烈的地方,δA的值可能波動(dòng)變化至零,造成信號的跟蹤也比較困難。

下面采用仿真對以上理論分析說明:閃爍數(shù)據(jù)采用Cornell模型,幅度閃爍指數(shù)0.7,去相關(guān)時(shí)間0.3.為了突出分析閃爍的影響,仿真數(shù)據(jù)沒有調(diào)制電文,采用PLL環(huán)路對其進(jìn)行跟蹤,PLL帶寬為10 Hz,相干積分時(shí)間5 ms,分別跟蹤了僅存在相位閃爍的數(shù)據(jù)、僅存在幅度閃爍的信號,幅度閃爍和相位閃爍同時(shí)存在的信號,對應(yīng)的I、Q支路相關(guān)值如圖3～圖5所示,數(shù)據(jù)長度500 s:

圖3 僅有相位閃爍時(shí),I,Q支路相關(guān)值

圖4 僅有幅度閃爍時(shí),I,Q支路相關(guān)值

圖5 幅度相位閃爍存在時(shí),I,Q支路相關(guān)值

從圖3中可以看出,相位閃爍不僅影響I支路的相關(guān)值也影響Q支路的相關(guān)值,一方面如果相位閃爍波動(dòng)比較劇烈,抖動(dòng)值比較大,會造成鑒相器不是工作在0附近,產(chǎn)生較大的誤差。另一方面相位閃爍引入的動(dòng)態(tài),使得信號采用較長相干積分時(shí)間會造成跟蹤滯后于信號變化而產(chǎn)生一定的誤差。甚至造成半周跳變,在電文存在時(shí),增加電文解調(diào)的誤碼率。

僅存在幅度閃爍時(shí),I,Q支路的相關(guān)值如圖4所示。

從圖4中可以看出,跟蹤僅有幅度閃爍的信號時(shí),I支路的跟蹤結(jié)果出現(xiàn)180°跳變,造成I支路相關(guān)值正負(fù)均有。這種跳變是因?yàn)棣腁趨近于0,使信號衰減過大造成的。這種180°跳變嚴(yán)重時(shí)會引起跟蹤解調(diào)電文誤碼率增加,甚至導(dǎo)致解調(diào)電文不可用,影響導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)I支路的幅度在無閃爍時(shí)波動(dòng)很小,在閃爍比較強(qiáng)時(shí),幅度值波動(dòng)很大,甚至接近于0,對應(yīng)信號發(fā)生深度衰落,此時(shí)信號也難以跟蹤。

幅度相位閃爍同時(shí)存在時(shí),I,Q支路的相關(guān)值如圖5所示。

從圖5中可以看出,幅度閃爍和相位閃爍均存在時(shí),影響明顯的還是I支路?？紤]到閃爍會引起載波相位半周跳變,所以對I支路的均值和方差不做分析,主要分析Q噪聲支路。這四種情況下Q支路的均值和方差如表1所示。

表1 不同情況下Q支路相關(guān)值情況表

從表1中可以看出,僅有幅度閃爍時(shí),對Q支路的方差幾乎無影響,對Q支路的均值存在一定影響,因?yàn)榉乳W爍可能會造成鑒相器工作在非零附近,使得跟蹤出現(xiàn)一定的誤差;相位閃爍對Q支路的方差影響比較大,同時(shí)也會影響Q支路的均值;幅度和相位閃爍均存在時(shí),對Q支路的均值和方差都有影響。與理論分析比較一致,證明理論分析的正確性。

2.2電離層閃爍對跟蹤環(huán)路的影響

由于電離層閃爍會造成信號幅度和相位發(fā)生快速抖動(dòng)對接收機(jī)的跟蹤環(huán)路產(chǎn)生比較大的影響。本節(jié)主要側(cè)重分析電離層閃爍對接收機(jī)跟蹤門限的影響。

電離層閃爍會造成信號幅度和相位波動(dòng),波動(dòng)引起的誤差會影響鑒相器的結(jié)果,進(jìn)而影響跟蹤環(huán)路的性能。幅度閃爍可通過類似熱噪聲的模型進(jìn)行建模分析,而相位閃爍可作為相位噪聲進(jìn)行建模分析,在電離層閃爍時(shí),載波跟蹤環(huán)路(PLL)的測量誤差可建模為[11]

(12)

式中: σs為相位閃爍引起的跟蹤誤差; σT為幅度閃爍和熱噪聲引起的跟蹤誤差； σOCS為接收機(jī)振蕩器引起的跟蹤誤差,通常為0.1 rad(5.7°).

Rino[12],Conker[12]等推導(dǎo)得到相位閃爍引入的載波跟蹤測量誤差可以表示為

(13)

式中: 1

幅度閃爍和熱噪聲總的方差為[13]

(14)

式中:S4為幅度閃爍指數(shù);Tcoh為相干積分時(shí)間;CNR為信號載噪比;BPLL為PLL環(huán)路跟蹤帶寬。當(dāng)不存在幅度閃爍時(shí),式(14)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的熱噪聲方差公式。

綜上所述,可得到電離層閃爍時(shí)載波跟蹤環(huán)路的測量誤差為

(15)

閃爍發(fā)生時(shí),也會對DLL環(huán)路造成影響,通常情況下相位閃爍僅對載波相位有影響,DLL環(huán)路主要受幅度閃爍指數(shù)的影響,DLL環(huán)路的跟蹤誤差可表示為

(16)

式中:BDLL為DLL環(huán)路信號跟蹤帶寬;D為信號早遲相關(guān)器間距。

圖6 DLL環(huán)路跟蹤誤差與S4和載噪比的關(guān)系

圖7 DLL環(huán)路跟蹤門限與不同參數(shù)的關(guān)系

從圖6中可以看出,電離層閃爍越強(qiáng),載噪比越低DLL環(huán)路的跟蹤誤差越大。

從圖7中可以看出,隨著閃爍的增強(qiáng),DLL環(huán)路的跟蹤門限值也越來越大。跟蹤帶寬比較窄,相干積分時(shí)間比較長,碼片間隔比較寬時(shí),跟蹤門限更低,能適應(yīng)比較強(qiáng)的幅度閃爍。

PLL環(huán)路理論的跟蹤誤差和跟蹤門限如圖8～圖9所示。

圖8 PLL環(huán)路跟蹤誤差與S4和載噪比的關(guān)系

圖9 PLL環(huán)路跟蹤門限與不同參數(shù)的關(guān)系

從圖8可以看出,S4閃指數(shù)越大和載噪比越小,PLL環(huán)路跟蹤誤差越大。

從圖9中可以看出,當(dāng)相干積分時(shí)間比較長,帶寬比較窄時(shí),能跟蹤比較強(qiáng)的閃爍。為電離層閃爍下接收機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

以上是理論分析PLL和DLL環(huán)路的跟蹤門限,下面用模擬信號實(shí)際跟蹤分析電離層閃爍對PLL和DLL的影響。實(shí)際仿真閃爍信號幅度閃爍指數(shù)最大可以取到1,在這里本文取了五種情況,分別對應(yīng)幅度閃爍指數(shù)S4為0.2,0.5,0.7,0.8,0.9,去相關(guān)時(shí)間分別為0.8 s,0.5 s,0.3 s,0.2 s,0.1 s. PLL帶寬10 Hz,相干積分時(shí)間1 ms,未調(diào)制偽碼。PLL的跟蹤誤差與載噪比的關(guān)系如圖10所示。

圖10 PLL環(huán)路跟蹤誤差與載噪比的關(guān)系

從圖10中可以看出,PLL環(huán)路在弱閃爍下的跟蹤門限大概是29 dBHz,理論跟蹤門限約28.2 dBHz,與理論跟蹤門限基本相一致。隨著閃爍增強(qiáng),跟蹤門限逐漸增加,在強(qiáng)閃爍(S4=0.9)時(shí),跟蹤門限約32 dBHz,閃爍對PLL的跟蹤門限影響比較大。同時(shí)得到無論在幅度閃爍指數(shù)小于0.707之內(nèi)的閃爍,還是更強(qiáng)的閃爍情況,都是載噪比越高,跟蹤誤差越小,閃爍越強(qiáng),跟蹤誤差越大。

從理論分析的門限可以得到DLL的門限一般比PLL門限低,考慮到PLL輔助DLL跟蹤時(shí),一旦一個(gè)環(huán)路失鎖,另一個(gè)環(huán)路也將無法跟蹤,所以在分析DLL跟蹤門限時(shí)采用單獨(dú)的DLL環(huán)路(載波已實(shí)現(xiàn)同步),DLL環(huán)路相干積分時(shí)間5 ms,DLL帶寬2 Hz,相關(guān)器間距D=1 chips.得到DLL環(huán)路的跟蹤誤差與載噪比的關(guān)系如圖11所示。

圖11 DLL環(huán)路跟蹤誤差與載噪比的關(guān)系

從圖11中可以看出在弱閃爍時(shí),DLL的跟蹤門限約20.2 dBHz,理論計(jì)算的跟蹤門限約為20.5 dBHz,與理論跟蹤門限基本相一致。強(qiáng)閃爍時(shí),跟蹤門限約22 dBHz.在載噪比比較低時(shí),噪聲對DLL環(huán)路也有比較大的因影響,使得不同閃爍變化規(guī)律不明顯,當(dāng)載噪比比較高時(shí),可以看出,閃爍越強(qiáng),DLL的跟蹤誤差越大。隨著載噪比的增加,不同閃爍的跟蹤誤差區(qū)別不明顯,一定程度上反映閃爍對DLL環(huán)路的影響相對較PLL環(huán)路弱。

在實(shí)際跟蹤中,由于PLL的跟蹤門限較高,理論上PLL失鎖時(shí),DLL仍然可以保持跟蹤,實(shí)際接收機(jī)中一般采用PLL輔助DLL環(huán)路的形式,當(dāng)PLL環(huán)路失鎖時(shí),DLL也將面臨失鎖,一定程度上可以認(rèn)為DLL的跟蹤門限受PLL跟蹤門限所限制。所以在電離層閃爍發(fā)生時(shí),PLL環(huán)路往往比DLL環(huán)路更為脆弱,需要更為關(guān)注如何設(shè)計(jì)更加穩(wěn)健的載波跟蹤算法。

在發(fā)生閃爍時(shí),載波跟蹤環(huán)路往往伴隨著周跳的發(fā)生,下面分析不同載噪比下,不同閃爍強(qiáng)度時(shí)載波環(huán)路的周跳情況如圖12所示。

圖12 不同載噪比下閃爍信號跟蹤的周跳

從圖12中可以看出閃爍越強(qiáng),周跳越多,載噪比越高,周跳次數(shù)越少,周跳越不容易發(fā)生,抗閃爍能力越強(qiáng)。可以明顯看出幅度閃爍指數(shù)越大,去相關(guān)時(shí)間越小,同樣時(shí)間內(nèi)周跳次數(shù)越多。對信號跟蹤的影響越大。

3 結(jié)束語

本文從理論和仿真中分析了電離層閃爍對普通接收機(jī)環(huán)路I、Q支路相關(guān)值的影響以及對跟蹤環(huán)路的影響,可以得到如下結(jié)論:

1) 只考慮幅度閃爍:對I支路的影響比較大。只考慮相位閃爍:對I、Q支路的均值有影響,對Q支路的噪聲方差有影響。相位閃爍對信號I,Q支路均有影響,幅度閃爍僅對I支路有較大影響。在發(fā)生相位閃爍比較強(qiáng)或者幅度閃爍比較強(qiáng)的區(qū)域,信號更難跟蹤處理。

2) PLL環(huán)路在弱閃爍下的跟蹤門限大概是29 dBHz.在強(qiáng)閃爍(S4=0.9)時(shí),跟蹤門限約32 dBHz.在弱閃爍時(shí),DLL的跟蹤門限約20.2 dBHz,強(qiáng)閃爍時(shí),跟蹤門限約22 dBHz.實(shí)際中采用PLL輔助DLL跟蹤,相比而言PLL環(huán)路更加脆弱。

在設(shè)計(jì)電離層閃爍信號接收算法時(shí),相位閃爍越強(qiáng),或者幅度閃爍越強(qiáng),能保持比較好的跟蹤越難,在普通的接收機(jī)中載波跟蹤比偽碼跟蹤環(huán)路更為脆弱,需要設(shè)計(jì)更為穩(wěn)健的載波跟蹤環(huán)路。

[1] 孫鵬躍, 黃仰博, 唐小妹, 等.北斗導(dǎo)航信號電離層閃爍模擬及其影響[J] 國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,38(6):111-116.

[2] SKONE S, LACHAPELLE G, YAO D. Investigating the impact of ionospheric scintillation using a GPS software receiver[C]//Proceedings of the 18th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 2005: 1126-1137.

[3] 李國主,寧百齊,袁洪. GPS電離層閃爍實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2005(6):758-764.

[4] 劉思慧.電離層閃爍對導(dǎo)航接收機(jī)性能的影響[J]. 中國空間科學(xué)技術(shù),2014(6):79-83.

[5] 劉思慧,劉鈍.電離層閃爍對北斗增強(qiáng)系統(tǒng)影響的建模研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015，30(2):135-140.

[6] 劉鈍, 馮健,鄧忠新,等. 電離層閃爍對GPS系統(tǒng)定位性能的影響研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 25(4):702-710.

[7] 王耀鼎,劉文祥,劉思慧,等. 電離層閃爍對BDS區(qū)域系統(tǒng)定位性能的影響分析[J].全球定位系統(tǒng),2015,40(5):1-6.

[8] 李廣博,朱海,史文森. 電離層閃爍對GPS接收機(jī)捕獲性能的影響[J]. 艦船電子工程, 2012, 32(12):55-56.

[9] 李廣博,朱海,史文森. 電離層閃爍對GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響[J]. 艦船電子工程, 2012, 32(11):46-47.

[10] HUMPHREYS T E, PSIAKI M L, HINKS J.,etal. Simulating ionospheric-induced scintillation for testing GPS receiver phase tracking Loops[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2009, 3(4):707-715.

[11] KAPLAN E D, HEGARTY C J. Understanding GPS: Principles and applications (2rd edition) [M]. Boston: Artech House, 2006:243-300.

[12] RINO C L. A power law phase screen model for ionospheric scintillation, 1, Weak scatter [J]. Radio Science, 1979, 14(6):1135-1145.

[13] EL-ARINI M B,FERNOW J P,HSIAO T. Modeling the effect of ionospheric scintillation on SBAS availability in the western hemisphere[M]. The MITRE Corporation, McLean, VA, U.S.A., 2008.

TheEffectofIonosphericScintillationonReceiver

ANPanpan,XIAOZhibin,TANGXiaomei,SUNGuangfu

(SatelliteNavigationR&DCenter,NationalUniv.ofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Rapid and random temporal fluctuations in amplitude and phase of GNSS signals caused when they are propagating through irregularities in electron density of the ionosphere are called ionospheric scintillation. Ionospheric scintillation has some influence on the receiver signal acquisition, tracking, demodulation and positioning. In this paper, the influence of ionospheric scintillation on I,Q branch and tracking loop is analyzed by theoretical and simulation methods. The results show that the phase scintillation has an effect on the signal I Q branches, and the amplitude scintillation has a great effect on the I branch. In the place where the phase scintillation is stronger or the Amplitude scintillation is stronger, the signal is more difficult to track. In weak scintillation conditions, the tracking threshold of PLL is about 29 dBHz,and the tracking threshold of DLL is about 20.2 dBHz. In strong scintillation conditions, the tracking threshold of PLL is about 32dBHz,and the tracking threshold of DLL is about 22 dBHz. In contrast, the carrier tracking loop is more fragile. At the same time, the stronger the scintillation, the greater the probability of the carrier cycle slip, the higher the carrier to noise ratio, the stronger the anti-scintillation ability.

Ionospheric scintillation; PLL; DLL; tracking threshold

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.009

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0047-08

2017-04-20

聯(lián)系人: 安盼盼 E-mail: anpanpan_15@163.com

安盼盼(1993-),女,碩士研究生,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理。

肖志斌(1986-),男, 博士,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理技術(shù)研究。

唐小妹(1982-),女,副研究員,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)航應(yīng)用、導(dǎo)航信號體制等領(lǐng)域的教學(xué)科研及工程研制工作。

孫廣富(1970-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航信號接收技術(shù)。