GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵性能分析（中、下）

+ 劉天雄

GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵性能分析（中、下）

+ 劉天雄

第十五講

3.3 GPS系統(tǒng)服務(wù)可用性

由于例行的導(dǎo)航衛(wèi)星維護(hù)需求、導(dǎo)航衛(wèi)星星座漂移以及用戶測距誤差URE特性變化等原因，服務(wù)可用性每天都會有小的變化。導(dǎo)致上述變化的原因有以下五個方面：

1) 高度遮蔽角（Elevation mask angle）高于此數(shù)值才認(rèn)為衛(wèi)星對地面可見；

2) 導(dǎo)航解的類型（四顆GPS衛(wèi)星與視場所有可見衛(wèi)星（all-in-view）兩種類型）；

3) 從標(biāo)稱星座中剔除一顆和兩顆正常工作的導(dǎo)航衛(wèi)星后的對系統(tǒng)服務(wù)性的影響；

4) 衛(wèi)星軌道位置相對名義軌道面規(guī)定的相位的變化；

5) 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS空間信號SIS的用戶測距誤差URE的均方根值RMS；

3.3.1 不同高度遮蔽角對服務(wù)可用性的影響

GPS的可用性與用戶接收機高度遮蔽角有關(guān)，遮蔽角的含義是GPS接收機能夠看見衛(wèi)星的水平面以上的仰角。降低高度遮蔽角，就能看到更多的衛(wèi)星，因此可獲得更高的可用性，但是遮蔽角較低時，一方面大氣延遲誤差和多徑問題會比較突出，另一方面山脈和和城市摩天樓對導(dǎo)航信號產(chǎn)生遮擋，如上文圖4所示。

不同的應(yīng)用場景，接收機對高度遮蔽角的要求也不同。不同遮蔽角對服務(wù)可用性的影響如圖9和圖10所示，圖中分別給出了利用四顆GPS衛(wèi)星和所有視場可見衛(wèi)星優(yōu)化求解后的結(jié)果比對。

由圖9和圖10可知，在空間段導(dǎo)航衛(wèi)星星座健康的前提條件下，遮蔽角的變化對全球服務(wù)可用性沒有明顯影響。遮蔽角大于5°之后，最壞情況地點的服務(wù)可用性將明顯劣化。在標(biāo)稱導(dǎo)航星座的設(shè)計與分析中，即使高度遮蔽角大于10°，用戶上空視場中少于四顆導(dǎo)航衛(wèi)星的概率為零，即星座設(shè)計可以保證所有用戶正常接收導(dǎo)航信號并由此解算其所在位置。

當(dāng)從標(biāo)稱星座中剔除兩顆正常工作的衛(wèi)星后，用戶上空視場中少于四顆導(dǎo)航衛(wèi)星的地點的數(shù)量將隨高度遮蔽角的增加而迅速攀升。但是，星座的幾何裕度使得高度遮蔽角的變化沒有對導(dǎo)航解算的結(jié)果造成顯著的影響，四顆GPS衛(wèi)星與視場所有可見衛(wèi)星兩種類型下的服務(wù)可用性基本一致。

3.3.2 衛(wèi)星軌道變化對服務(wù)可用性的影響

在GPS系統(tǒng)衛(wèi)星的標(biāo)稱軌道入軌點（nominal orbit insertion）和軌道長期保持（continuing orbit maintenance）設(shè)計中，規(guī)定每顆導(dǎo)航衛(wèi)星的過赤道點地理精度GEC（Groundtrack Equatorial Crossing）及升交點地理精度LAN（Longitude of the Ascending Node）的容差范圍為均為±2°。如果衛(wèi)星升交點地理精度LAN的變化在規(guī)定的容差范圍內(nèi)，那么在衛(wèi)星升交點地理精度LAN容差范圍內(nèi)的衛(wèi)星軌道變化對全球服務(wù)可用性幾乎沒有影響。

3.3.3 衛(wèi)星失效對服務(wù)可用性的影響

GPS衛(wèi)星不可能總是完全健康地工作，一方面，衛(wèi)星需要推出服務(wù)以進(jìn)行必要的維護(hù)，稱為計劃內(nèi)服務(wù)中

圖9 不同遮蔽角對服務(wù)可用性的影響（視場所有可見衛(wèi)星）

斷，例如衛(wèi)星的定期正常維護(hù)會造成服務(wù)中斷，美國國防部將提前48小時通過美國海岸警衛(wèi)隊導(dǎo)航信息中心（Coast Guard Navigation Information Center）以及美國聯(lián)邦航空管理局公告系統(tǒng)（NOTAM）通知GPS用戶“系統(tǒng)服務(wù)不可用”。服務(wù)中斷定義為空間段的導(dǎo)航衛(wèi)星不能正常播發(fā)精密定位服務(wù)PPS空間信號SIS的時間范圍。另一方面，導(dǎo)航衛(wèi)星自身的異常還會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常提供服務(wù)以及系統(tǒng)臨時維護(hù)造成的服務(wù)中斷，例如衛(wèi)星的元器件或部組件失效造成導(dǎo)航衛(wèi)星不能正常工作，稱為計劃外服務(wù)中斷，美國海岸警衛(wèi)隊和美國聯(lián)邦航空管理局發(fā)現(xiàn)計劃外服務(wù)中斷后也將及時告知GPS用戶。

圖11 最壞情況精度因子DOP值（兩顆衛(wèi)星退出服務(wù)）

由此可知上述無論哪種服務(wù)中斷必然都會對系統(tǒng)服務(wù)可用性造成影響，但仿真結(jié)果表明，一顆衛(wèi)星的失效幾乎不會影響整個系統(tǒng)的服務(wù)可用性。其主要原因是系統(tǒng)星座設(shè)計的目標(biāo)之一就是一顆衛(wèi)星退出星座服務(wù)時，對系統(tǒng)性能影響最小，因此仿真結(jié)果是合理的。

一顆衛(wèi)星開展例行的正常維護(hù)，如果同時另一顆衛(wèi)星發(fā)生了隨機的失效，由此導(dǎo)致星座中兩顆衛(wèi)星不能提供服務(wù)（不能正常播發(fā)導(dǎo)航信號），在某些組合（兩顆衛(wèi)星同期失效）下，位置服務(wù)幾何特性（Position service geometry）將會顯著劣化，例如GPS導(dǎo)航衛(wèi)星PRN11和衛(wèi)星PRN25同時退出服務(wù)后，精度因子PDOP值將增加到12.4（精度因子PDOP可用性標(biāo)準(zhǔn)為：PDOP≤6），如圖11所示，圖中的橫坐標(biāo)為20個兩顆衛(wèi)星失效組合對，縱坐標(biāo)為精度因子DOP值（95%），需要指出的是兩顆衛(wèi)星同期失效對系統(tǒng)的影響不是靜態(tài)的，隨著星座漂移會發(fā)生變化。

兩顆衛(wèi)星同期失效的276種組合中，對水平和垂直服務(wù)可用性的最壞情況影響如圖12和13所示，結(jié)果從幾乎沒有影響到最壞地點垂直服務(wù)可用性降低9%，圖中的橫坐標(biāo)為20個兩顆衛(wèi)星失效組合對，縱坐標(biāo)為水平/垂直服務(wù)可用性。

圖12 GPS系統(tǒng)水平服務(wù)可用性（兩顆衛(wèi)星退出服務(wù)）

比星座幾何特性劣化對系統(tǒng)可用性影響更嚴(yán)重的是“DOP空穴（DOP holes）”，即精度因子DOP值過大或者用戶視場中沒有足夠的衛(wèi)星的時間段，以至于GPS接收機在此時間段內(nèi)無法給出位置解算結(jié)果。在最壞情況下（包括兩顆衛(wèi)星退出服務(wù)），世界范圍內(nèi)有13%的地點，其用戶視場中少于四顆衛(wèi)星的時間將達(dá)到39分鐘，上述分析結(jié)果是在5°遮蔽角條件下計算得到的，如果增大遮蔽角，將會進(jìn)一步延長“DOP空穴）”時間段。

事實上，Walker24/6/2星座中衛(wèi)星的可用時間僅為72%，而21顆或者以上衛(wèi)星的工作時間預(yù)計至少為98%（GPS原理與應(yīng)用（第二版）/（美）Kaplan, E. D等主編，寇艷紅譯, 北京，電子工業(yè)出版社，2007.7）。從星座中去掉幾顆衛(wèi)星時，GPS可用性在很大程度上取決于那幾顆衛(wèi)星（或者衛(wèi)星組合）推出了服務(wù)。毋庸置疑的結(jié)論是隨著從星座中去掉的衛(wèi)星數(shù)量的增多，系統(tǒng)可用性一定將大幅度下降。

3.3.4 衛(wèi)星空間信號SIS用戶測距誤差URE對服務(wù)可用性的影響

對于給定的Walker24/6/2星座，隨星座用戶測距誤差URE性能變化，系統(tǒng)服務(wù)可用性將會發(fā)生顯著的變化，特別是當(dāng)星座幾何特性劣化后，在最壞情況下將進(jìn)一步影響系統(tǒng)服務(wù)可用性，如圖14和15所示,圖中橫坐標(biāo)為星座用戶測距誤差URE均方根值，縱坐標(biāo)為水平/垂直服務(wù)可用性。

3.3.5 典型服務(wù)可用性特點

對于給定的Walker24/6/2星座，用戶平均可以接收到8顆以上GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的信號；24小時內(nèi)，用戶視場內(nèi)少于6顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的平均時間少于0.1%，如圖16所示，圖中橫坐標(biāo)為可視衛(wèi)星的數(shù)量，縱坐標(biāo)為24小時可視衛(wèi)星的時間百分比，圖16中左圖為標(biāo)稱24顆衛(wèi)星星座，右圖為24顆衛(wèi)星星座中有兩顆失效后的最壞情況統(tǒng)計。

當(dāng)整個星座范圍內(nèi)衛(wèi)星可用性和用戶測距誤差UREs均在正常范圍內(nèi)時，系統(tǒng)服務(wù)可用性一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于性能標(biāo)準(zhǔn)，例如2000年6月GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS水平定位可用性如圖17所示,其中全球水平定位服務(wù)可用性的門限為36m（95%），圖17中橫坐標(biāo)為6月的每一天，縱坐標(biāo)為水平定位服務(wù)可用性；相應(yīng)SPS垂直定位可用性如圖18所示,其中全球水平定位服務(wù)可用性的門限為77m（95%）。由圖17和圖18可知，全球及最壞地點兩種情況下的服務(wù)可用性幾乎接近100%。

圖13 GPS系統(tǒng)垂直服務(wù)可用性（兩顆衛(wèi)星退出服務(wù)）

3.4 可用性相關(guān)討論

3.4.1 GPS系統(tǒng)空間星座設(shè)計

圖14 GPS系統(tǒng)水平服務(wù)可用性對用戶測距誤差URE的靈敏度（星座幾何特性最壞情況）

近年來美軍在阿富汗山區(qū)反恐作戰(zhàn)和利比亞城市巷戰(zhàn)經(jīng)驗表明，由士兵上空附近峻峭的山嶺和城市大樓對導(dǎo)航衛(wèi)星的遮擋，造成GPS系統(tǒng)每天有10個多小時完好性指標(biāo)不滿足使用要求。要實現(xiàn)GPS系統(tǒng)的可用性，最重要的要求是空間軌道上的導(dǎo)航衛(wèi)星要有足夠的數(shù)量。為了確定某一特定位置和規(guī)定時間的GPS系統(tǒng)可用性，首先必須確定可見衛(wèi)星的數(shù)量以及這些衛(wèi)星的空間幾何布局，即合適的衛(wèi)星數(shù)量及其與用戶之間構(gòu)成的幾何精度因子GDOP值，如果用戶視場內(nèi)衛(wèi)星低于四顆，那么意味著接收機沒有辦法解算出用戶的位置（經(jīng)度、維度、高程）。其次接收機必須能夠接收到導(dǎo)航信號，這是無線電導(dǎo)航系統(tǒng)基于距離測量的位置估算的數(shù)學(xué)原理，所以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又稱為到達(dá)時間（TOA）系統(tǒng)。

關(guān)于在軌導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量，Parkinson教授認(rèn)為目前GPS系統(tǒng)24顆MEO軌道衛(wèi)星組成的空間星座不能解決山區(qū)和城市大樓遮擋造成的完好性問題，Parkinson教授認(rèn)為在略微增加在軌衛(wèi)星數(shù)量，并給出第一個建議：未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座的結(jié)構(gòu)應(yīng)該為“由30顆衛(wèi)星和3顆備份星構(gòu)成的星座，簡稱30+3星座”，仿真計算結(jié)果表明，“30+3星座”是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)PNT可用性曲線的拐點，能夠極大提高GPS精度和系統(tǒng)的可用性?！?0+3星座”可以大幅度改善衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型，同時有效降低山脈和和城市摩天樓對導(dǎo)航信號的遮擋效應(yīng)，進(jìn)而提高GPS系統(tǒng)PNT服務(wù)的可用性。關(guān)于接收信號能力，Parkinson教授建議用戶接收機應(yīng)能承受干擾源功率在1kW范圍內(nèi)任何干擾信號的影響。

圖15 GPS系統(tǒng)垂直服務(wù)可用性對用戶測距誤差URE的靈敏度（星座幾何特性最壞情況）

3.4.2 接收機抗干擾能力

關(guān)于如何提高接收機抗干擾能力，一般建議是研發(fā)抗干擾（jam-impervious）接收機，Parkinson教授指出早33年前（2012年的論文），GPS聯(lián)合辦公室在美國Wright Patterson空軍基地就已開展了接收機抗干擾能力相關(guān)實驗，實驗結(jié)果表明，地面用戶接收機具有100 dB的干信比（J/S）或者抗干擾（AJ/antijam）能力時，接收機足以耐受有效功率低于1kW的任何干擾，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一是采用接收響應(yīng)可控天線CRPA (controlled reception pattern antennas)設(shè)計，為了解決瞬時干擾問題，接收響應(yīng)可控天線CRPA應(yīng)該是波束可控的，例如采用調(diào)零天線技術(shù)，而非傳統(tǒng)的固定方向天線（null steering）。由此，Parkinson教授給出了第二個建議：商業(yè)和軍用GPS用戶應(yīng)該裝備干信比（J/S）或者抗干擾（AJ）能力大于100 dB的接收機。

為了確保GPS系統(tǒng)的可用性，阻止敵方使用干擾機，Parkinson教授認(rèn)為美國政府應(yīng)該部署增強系統(tǒng)（augmentation systems），或者備份系統(tǒng)（backup systems）。對于近年來一些公司利用偽衛(wèi)星（psuedolites）技術(shù)（地基GPS測距信號轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)）來增強PNT服務(wù)，特別是在戰(zhàn)場高動態(tài)環(huán)境下，Parkinson教授對對偽衛(wèi)星技術(shù)的增強能力表示表示懷疑，同時認(rèn)為在系統(tǒng)可負(fù)擔(dān)性（運行控制和地面支持系統(tǒng)的復(fù)雜性）以及定位精度方面也存在問題。

Parkinson教授認(rèn)為目前美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）調(diào)查研究的地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)“距離測量系統(tǒng)DME（distance-measuring equipment）”、“戰(zhàn)術(shù)區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)TACANs（tactical area navigation systems）”的增強版本，以及具有大功率、低頻點信號能力而成為最近業(yè)界研究亮點的的“遠(yuǎn)程導(dǎo)航增強系統(tǒng)eLoran（enhanced long-range navigation system）”，應(yīng)該值得業(yè)界作為GPS系統(tǒng)的增強系統(tǒng)而深入研究。

圖16 GPS系統(tǒng)衛(wèi)星星座可視衛(wèi)星數(shù)量分布統(tǒng)計

3.4.3 頻譜威脅

目前美國聯(lián)邦通信委員會FCC（Federal Communications Commission）特許的一些無線通信干擾儀正在日益威脅GPS系統(tǒng)的可用性，特別是那些在尚未充分使用的GPS衛(wèi)星下行L頻段導(dǎo)航信號附近開放給其它系統(tǒng)，將影響GPS系統(tǒng)的可用性。為了給全球數(shù)十億用戶提供優(yōu)質(zhì)PNT服務(wù)，GPS衛(wèi)星下行導(dǎo)航信號的L頻段內(nèi)必須保證留有一定空白頻段，確保GPS系統(tǒng)的L頻段信號相鄰頻段相對“安靜”。

其中最典型的事例是美國光平方公司（LIGHT SQUARED）對GPS系統(tǒng)的干擾, 光平方公司網(wǎng)絡(luò)稱為高速無線寬帶網(wǎng)絡(luò)，是經(jīng)美國聯(lián)邦通信委員會FCC批準(zhǔn)、由光平方公司建設(shè)的天地融合新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)計劃由2顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星和數(shù)萬個地面基站構(gòu)成，以衛(wèi)星移動通信為主，4G地面移動通信網(wǎng)絡(luò)作為補充，傳輸容量高達(dá)千兆比特每秒，能覆蓋目前地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施無法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可在北美地區(qū)提供全面覆蓋、高速可靠的話音和數(shù)據(jù)服務(wù)。光平方公司網(wǎng)絡(luò)于2003年規(guī)劃建設(shè)，2003年11月FCC批準(zhǔn)光平方公司使用L頻段1525～1559MHz作為下行通信頻段，2010年11月發(fā)射了第一顆通信衛(wèi)星。該頻段與GPS系統(tǒng)播發(fā)的下行L頻段1559～1610MHz導(dǎo)航信號頻譜相鄰，考慮到光平方公司網(wǎng)絡(luò)的地面部分只作為衛(wèi)星鏈路的備份，且其基站數(shù)量和發(fā)射功率收到嚴(yán)格限制，該頻段最終獲得批準(zhǔn)。

圖17 GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS水平可用性（2000年6月）

為了提高地面網(wǎng)絡(luò)性能和吸引更多用戶，2010年11月18日，光平方公司向FCC遞交修改授權(quán)許可申請，要求放寬基站發(fā)射功率的限制，以便光平方公司網(wǎng)絡(luò)能夠使用僅支持地面4G網(wǎng)路的單模移動終端，這樣單模終端不需要安裝衛(wèi)星天線，由此吸引更多的用戶，2010年11月26日，F(xiàn)CC批準(zhǔn)初步考慮批準(zhǔn)光平方公司的申請。光平方公司提高基站發(fā)射功率，將會給相鄰頻段的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號造成嚴(yán)重干擾，引發(fā)了GPS業(yè)界的高度警覺和不滿。大量測試結(jié)果表明，光平方公司新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)對GPS接收機造成嚴(yán)重干擾，包括后期光平方公司提出的GPS接收機采用“銳截止濾波器”和“設(shè)置保護(hù)帶寬”的抗干擾方案。特別是美國航空無線電技術(shù)委員會測試結(jié)果表明，工作在1550.2～1555.2MHz的光平方公司地面網(wǎng)絡(luò)，可導(dǎo)致600m高空的航空GPS接收機喪失功能。美國國家天基PNT執(zhí)行委員會組織的測試評估結(jié)果表明，高精度GPS接收機在距離光平方公司地面網(wǎng)絡(luò)基站6～7km時就無法正常工作。此后美國軍方介入，美國空軍航天司令部在國會上指責(zé)光平方公司地面網(wǎng)絡(luò)會導(dǎo)致美軍大量武器裝備降低或者喪失作戰(zhàn)能力。最終美國國會要求光平方公司暫停地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。2012年2月14日，美國聯(lián)邦通信委員會FCC表示無限期暫停光平方公司ATC（輔助地面設(shè)施）服務(wù)授權(quán)。

圖18 GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS垂直可用性（2000年6月）

Parkinson教授在文章中撰文指出，美國聯(lián)邦通信委員會FCC試驗性地批準(zhǔn)了光平方公司在GPS衛(wèi)星下行導(dǎo)航信號L頻段附近開展大功率、地基通信轉(zhuǎn)發(fā)器開展通信業(yè)務(wù)，該頻段信號資源曾被保留為通信衛(wèi)星使用，包括用于GPS系統(tǒng)差分修正業(yè)務(wù)。不同技術(shù)領(lǐng)域開展的實驗結(jié)果表明，上述大功率、地基通信轉(zhuǎn)發(fā)器對GPS軍用接收機、航空接收機以及商業(yè)接收機，也包括那些用于諸如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等精密定位用途的接收機，產(chǎn)生直接而且是毀滅性的打擊。幸運的是，上述威脅至少暫時被推遲了。很多人都在詢問為什么GPS系統(tǒng)如此脆弱以至于在其衛(wèi)星播發(fā)的信號頻譜附近都不能有大功率通信轉(zhuǎn)發(fā)器信號？不幸的是，那些提出使用15 kW 通信轉(zhuǎn)發(fā)器或干擾機申請的公司并不是我們的敵人，我們不能將其轟炸掉！如果是敵方開展如此大功率的干擾，那么就不會是這么幸運了！

由此，Parkinson教授給出了第三個建議：美國聯(lián)邦政府，特別是美國聯(lián)邦通信委員會（FCC），要維持GPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號頻段附近的頻譜相對空白，以避免對GPS信號產(chǎn)生干擾。

TIPS: 光平方公司網(wǎng)路對GPS信號的干擾事件，是近年來衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域最為矚目的大事件，折射出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的固有脆弱性以及與其它系統(tǒng)的矛盾沖突等重大問題。

GPS信號功率極其微弱，淹沒在背景噪聲之下，這是軍事保密的要求，也是降低衛(wèi)星有效載荷設(shè)計難度的要求，這使得GPS接收機很容易受到有意或者無意的電磁干擾，從而導(dǎo)致GPS接收機接收、捕獲及跟蹤GPS導(dǎo)航定位信號的十分困難！

舉個例子來說明GPS信號極其微弱的微弱程度吧，GPS民用用戶接收到L1頻段的信號功率為-128dBmW，而我們?nèi)粘Ｊ褂寐?lián)通手機信號功率則為-104dBmW，也就是說GPS用戶接受到的信號強度大約只有手機信號的1/251。同我們?nèi)粘Ｉ畛Ｓ玫?00W白熾燈功率相比，100W白熾燈功率是GPS信號功率的10E18倍。戰(zhàn)時對于敵方GPS信號干擾機的管制，美國政府的唯一措施是發(fā)現(xiàn)并摧毀。