GPS的可用性與完善性的研究

王海斌　丁發(fā)軍　錢偉

摘 要：本文從GPS的組成和工作原理出發(fā)，較為詳細(xì)介紹了GPS的性能及優(yōu)缺點。通過對GPS可用性與完善性的研究，提出了全球定位系統(tǒng)的限度。并針對GPS可用性差這一使用限度，提出了采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)等三種解決途徑和辦法。最后對現(xiàn)階段GPS的選擇上進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng) 可用性 完善性 差分GPS

中圖分類號：V243 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0008-02

全球定位系統(tǒng)（GPS：Global Positioning System）是美國國防部研制的一種以空間衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星軌道的高度約20000公里，屬于中高軌道衛(wèi)星[1]。GPS能夠?qū)崿F(xiàn)三維導(dǎo)航和精確測時，對于用戶數(shù)量不受限制，民用用戶價格又低廉，抗干擾性又強(qiáng)。但GPS作為一種獨立的導(dǎo)航系統(tǒng)，尚有不足，有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。該文將重點從GPS的可用性及完善性進(jìn)行求證和論述。

1 全球定位系統(tǒng)的組成

全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、用戶和地面站組組成。其中，空間部分包括：全球定位系統(tǒng)的空間在軌衛(wèi)星共24顆（留有1-4顆有源在軌備用衛(wèi)星），分布在6個等間隔圓軌道上，每條軌遭上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星上裝有高穩(wěn)定度的震蕩器、雙頻導(dǎo)航發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、存儲器和處理器等。地面控制站組包括：一個主控站、五個監(jiān)測站和三個注入站[2]。

2 全球定位系統(tǒng)的能力和限度

2.1 全球定位系統(tǒng)的能力

（1）GPS具有全球性、全高度、全天候、連續(xù)導(dǎo)航的能力，提供實時的三維空間定位和授時的能力；

（2）GPS為連續(xù)輸出，更新率高（一般為每秒一次），適用于如飛機(jī)等高動態(tài)移動用戶的定位；

（3）GPS定位精度高，民用C/A碼的水平精度為100米（91%），適合于航路、終端區(qū)和非精密進(jìn)近等許多飛行階段，利用差分技術(shù)后可以實現(xiàn)Ⅰ類、Ⅱ/Ⅲ類精密進(jìn)近（由于垂直精度不夠，較難達(dá)到）。

2.2 全球定位系統(tǒng)的限度

（1）GPS的完好性監(jiān)測和報警能力不足，對衛(wèi)星的一些軟故障，在長達(dá)45-90分鐘的時間才能發(fā)出故障狀態(tài)信息；

（2）連續(xù)性服務(wù)不足，某些地方有時將出現(xiàn)少于四顆星的漏洞現(xiàn)象[3-4]。

3 解決可用性差的途徑與辦法

造成GPS可用性不好的原因有 ：由于衛(wèi)星數(shù)目有限，限制了它的可用性。另外，為了把GPS衛(wèi)星的升交點精度偏差從2度減少到1度，每年需對每顆衛(wèi)星進(jìn)行一次位置保持調(diào)整，每次調(diào)整都需要衛(wèi)星停止工作三天。這樣對整個GPS星座，每年約有20%的時間，至少有一顆衛(wèi)星不能工作。針對上述分析，提出解決措施如下。

3.1 實施GPS/GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航

若將具有的24顆衛(wèi)星的俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）與GPS聯(lián)合使用，則可以解決由于衛(wèi)星數(shù)目有限所造成的可用性差的弊端，每天24小時都能得到連續(xù)的可用性。

由于GLONASS系統(tǒng)的工作頻率，調(diào)制方式，帶寬及碼速率與GPS都不盡相，所以第一步急需解決通用組合接受機(jī)。一旦使用證明了其定位精度，可靠性，完善性完全滿足要求的話，第二步就由ICAO的FANS委員會制定這項國際標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)也可以很好解決這一問題，可以充分發(fā)揮組合雙方的優(yōu)點。GPS的組合設(shè)備很多，有：GPS/INS，GPS/NNSS和GPS/Loran-C等?，F(xiàn)在用的最多的是GPS/INS和GPS/Loran-C，前者因為慣導(dǎo)（INS）是自主導(dǎo)航設(shè)備，使用起來方便可靠，所以應(yīng)用十分廣泛；而GPS/Loran-C的組合在已經(jīng)覆蓋的國家則是一種很好的方案。組合有分離式和組合式兩種，如圖1所示。

3.3 改變GPS衛(wèi)星的高度

為把GPS衛(wèi)星升交點精度偏差減小到1度，每年需要對每顆衛(wèi)星進(jìn)行一次位置保持調(diào)整，從而降低了GPS可可用性和覆蓋性。但是將衛(wèi)星軌道提高后，就可以將其升焦點精度偏差減小到1度以下，就不必每年歲衛(wèi)星進(jìn)行保持位置的調(diào)整，而改為7年一次。因此就把GPS的可用性提高可7倍，也擴(kuò)大了它的覆蓋范圍。

GPS衛(wèi)星的可見范圍Q=2COS ，式中R為地球半徑，h為衛(wèi)星至地面的高度，衛(wèi)星高度改變后，其Q可能增加0.2度，衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行周期約增加2min。由此可見，衛(wèi)星高度增加后，覆蓋范圍有所改善，而對運(yùn)行周期影響很小，顯而易見，利用增加衛(wèi)星高度的辦法解決GPS的可用性是一種有效的措施。

4 結(jié)語

由此可見，GPS確實為現(xiàn)階段所使用的導(dǎo)航定位系統(tǒng)中最可用最完善的一種，但是這種可用和完善只是相對其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)來說的。隨著用戶要求的不斷提高，GPS是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需要的。較好的解決辦法是。

（1）在現(xiàn)階段，采用組合導(dǎo)航的方式（如：GPS/GLONASS）來克服GPS導(dǎo)航定位中的不足，發(fā)揮組合雙方的優(yōu)點，來解決GPS的可用性問題。

（2）著眼于未來，對GPS的差分原理進(jìn)行更深入細(xì)致的研究，大力發(fā)展我國自行研制的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐肖豪，楊傳森，劉瑞華.GNSS用戶端自主完好性監(jiān)測研究綜述[J].航空學(xué)報，2013，34（3）：451-463.

[2] 劉準(zhǔn)，陳哲.GPS自主式完整性檢測技術(shù)研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003，29（8）：674-677.

[3] 孟領(lǐng)坡，吳杰，袁義雙.飛機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)對機(jī)場凈空要求的影響分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2011，36（3）：271-275.

[4] 陳小平，滕云龍.接收機(jī)自主完好性監(jiān)測算法研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2008，37（2）：218-230.