+ 劉天雄

GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵性能分析―――下之二

+ 劉天雄

第十七講

7 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）性能簡介

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)完好性風(fēng)險(xiǎn)定義為系統(tǒng)估算的載體的位置值超過水平告警門限HAL（Horizontal Alert Limits）或者垂直告警門限VAL（Vertical Alert Limits）時，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在規(guī)定的告警時間（timeto-alarm）內(nèi)沒有告警的概率。另一方面，連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)定義為在系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)告警能夠省略的概率。

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的最低運(yùn)行控制性能標(biāo)準(zhǔn)MOPS（Minimum Operational Performance Standards）定義為，差分修正的導(dǎo)航解在垂直保護(hù)門限VPL（Vertical Protection Level）以及水平保護(hù)門限HPL（Horizontal Protection Level）范圍內(nèi)概率的必須滿足99.99999%。

圖23 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的二維平面定位性能

圖24 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的垂直定位性能

因此，誤差的真值（true error）在107 秒內(nèi)超過保護(hù)限的次數(shù)不能多于一次。如果計(jì)算的保護(hù)限超過了相應(yīng)的告警門限，那么系統(tǒng)將告警，測量的數(shù)據(jù)不能用于定位。如果系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)出了告警信息，必須推導(dǎo)告警信息處理算法，否則系統(tǒng)在整個周期內(nèi)將被宣布不可用。

美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）在位于美國加利福尼亞州斯坦福的國家衛(wèi)星測試床NSTB（National Satellite Test Bed），開展了對靜態(tài)用戶開展了廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的二維平面定位性能評估測試，測試結(jié)果如圖23所示，直方圖中橫坐標(biāo)為廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS給出的位置已被標(biāo)定的天線的位置測量值和實(shí)際位置之間的誤差，縱坐標(biāo)為不同導(dǎo)航解下計(jì)算得到的保護(hù)門限。圖22中HMI表示“危險(xiǎn)的錯誤引導(dǎo)信息（Hazardously Misleading Information）”，MI表示“錯誤引導(dǎo)信息（Misleading Information）”。

圖25 EGNOS服務(wù)范圍

表22 EGNOS的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求（詳見GNOS Open Service Definition Document）

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)W A A S設(shè)置的一類精密進(jìn)近（Category I）的水平告警門限HAL為30m，如果定位誤差大于水平告警門限HAL，在水平保護(hù)門限HPL范圍內(nèi)時，那么將提升系統(tǒng)告警狀態(tài)，致使系統(tǒng)喪失可用性（系統(tǒng)不可用－system unavailable），也可能導(dǎo)致系統(tǒng)連續(xù)性出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。在任何情況下，真值和測量值之間的誤差應(yīng)當(dāng)小于水平保護(hù)門限HPL，否則判定為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)水平保護(hù)門限HPL失效。廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的長期可用性指標(biāo)是99.9%，在圖22中系統(tǒng)正常運(yùn)行（Normal Operation）時，水平定位的可用性指標(biāo)為99.999%。

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的垂直定位性能評估測試結(jié)果如圖24所示，廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS設(shè)置的一類精密進(jìn)近（Category I）的垂直告警門限VAL為12m，儀表垂直引導(dǎo)精密進(jìn)近IPV（Instrument Precision with Vertical guidance）垂直告警門限VAL為20m。在定位精度、系統(tǒng)完好性和連續(xù)性同時滿足指標(biāo)要求時，系統(tǒng)的可用性指標(biāo)為99.671%。

圖26 EGNOS系統(tǒng)的可用性云圖

有關(guān)廣域差分GPS系統(tǒng)（WADGPS）以及廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的實(shí)時信息可以訪問美國國家衛(wèi)星測試實(shí)驗(yàn)臺NSTB網(wǎng)站，更多有關(guān)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS體系結(jié)構(gòu)的信息可以查閱美國關(guān)廣域差分GPS系統(tǒng)WADGPS實(shí)驗(yàn)室出版的論文集。

8 歐洲靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)（EGNOS）性能簡介

EGNOS是European Geostationary Navigation Overlay Service的簡寫，中文意思是“歐洲地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)”，EGNOS是歐洲GPS全球定位系統(tǒng)的星基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng) SBAS(satellite-based augmentation service)。

EGNOS系統(tǒng)2002年開始論證，2005年開始建設(shè)地面運(yùn)行控制系統(tǒng)并同步部署空間衛(wèi)星，于2010年開始全面運(yùn)營，即進(jìn)入長期運(yùn)行、業(yè)務(wù)拓展、系統(tǒng)加強(qiáng)階段，系統(tǒng)空間段衛(wèi)星于2008年1月份開始連續(xù)播發(fā)導(dǎo)航信號（2008年12月28日服務(wù)計(jì)劃中斷）。

圖27 EGNOS系統(tǒng)的連續(xù)性云圖

圖28 EGNOS系統(tǒng)的高程定位精度云圖（誤差單位是“m (95%)）

EGNOS系統(tǒng)利用地面網(wǎng)絡(luò)接收GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及地球靜止軌道衛(wèi)星（海事衛(wèi)星）轉(zhuǎn)發(fā)GPS的無線電導(dǎo)航信號，并根據(jù)地面參考站信息生成EGNOS系統(tǒng)導(dǎo)航電文，由海事衛(wèi)星播發(fā)給EGNOS系統(tǒng)用戶，EGNOS服務(wù)范圍如圖25所示。

圖29 EGNOS系統(tǒng)的高程完好性云圖

EGNOS的性能通常由精度、完好性、可用性及連續(xù)性表示，EGNOS的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求如表22所示。

歐洲的ESSP和 ESA等部門連續(xù)監(jiān)測EGNOS系統(tǒng)的性能，ESSP監(jiān)測指標(biāo)包括可用性、連續(xù)性及完好性，此外，ESSP依據(jù)可用性和完好性數(shù)據(jù)進(jìn)一步預(yù)測EGNOS系統(tǒng)未來性能。ESA監(jiān)測工作是雙重的，一方面，ESA分析EGNOS系統(tǒng)衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文，以確定一些重要參數(shù)的狀態(tài)，例如，被EGNOS系統(tǒng)增強(qiáng)的GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星狀態(tài)、歐洲大陸上空大氣電離層等級等參數(shù)；另一方面，ESA監(jiān)測不同參考站的環(huán)境狀態(tài)，給出這些參考站的精度和完好性信息。

EGNOS系統(tǒng)的性能相關(guān)信息可以在EGNOS信息服務(wù)器（EGNOS Message Server）查詢，服務(wù)器地址為ftp://ems.estec.esa.int/, 例如2011年2月7日EGNOS系統(tǒng)的典型性能如圖28所示，圖像由“eclayr tool”軟件生成，詳見http://eclayr.gmv.com。

EGNOS系統(tǒng)的可用性云圖如圖26所示，云圖以可用性指標(biāo)滿足APV-I服務(wù)可用性要求（水平保護(hù)門限HPL＜ 40 m，垂直保護(hù)門限VPL＜ 50 m）繪制，分析的時間跨度為2011年2月7日的24小時，用戶很容易查詢可用性指標(biāo)大于99%的區(qū)域。

表23 美國Loran-C遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可用性、完好性及連續(xù)性指標(biāo)

圖30 EGNOS系統(tǒng)空間信號SIS可用性統(tǒng)計(jì)（2007年3月～2008年8月期間）

EGNOS系統(tǒng)的連續(xù)性云圖如圖27所示，云圖以連續(xù)性指標(biāo)滿足APV-I服務(wù)連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)要求繪制。EGNOS系統(tǒng)連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)定義為系統(tǒng)在工作過程中，假設(shè)系統(tǒng)在指定過程初期是可用的（保護(hù)門限小于告警門限），在連續(xù)15秒期間，發(fā)生連續(xù)性事件（保護(hù)門限大于告警門限）后，PNT服務(wù)性能保持或者滿足運(yùn)行控制要求的概率。分析的時間跨度為2011年2月7日的24小時，用戶很容易查詢連續(xù)性指標(biāo)小于1e-4的區(qū)域。

EGNOS系統(tǒng)的高程定位精度云圖如圖28所示，圖中誤差單位是“m (95%)”，分析的時間跨度為2011年2月7日的24小時，用戶很容易查詢高程定位精度誤差小于2 m (95%)的區(qū)域。

EGNOS系統(tǒng)的高程完好性云圖如圖29所示，云圖以最大高程安全指數(shù)（用戶高程誤差和用戶高程保護(hù)門限之間的最大比值）繪制，分析的時間跨度為2011年2月7日的24小時，云圖中安全指數(shù)小于1的區(qū)域意味著用戶的高程觀測量沒有完好性失效風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理Paul Verhoef公開發(fā)表的文章“European GNSS Programmes EGNOS and Galileo”，EGNOS系統(tǒng)空間段衛(wèi)星自2008年1月開始連續(xù)播發(fā)導(dǎo)航信號一來，目前工作正常，衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號質(zhì)量極好，Paul Verhoef給出2007年3月～2008年8月期間，EGNOS系統(tǒng)空間信號SIS（signal in space）可用性統(tǒng)計(jì)如圖30所示。

9 Loran-C 導(dǎo)航系統(tǒng)性能簡介

Loran是long-range navigation system的簡寫，中文意思是“遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)”，美國Loran-C遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可用性、完好性及連續(xù)性指標(biāo)如表23所示，詳見International Loran Association于2002年10月28日 發(fā)布的“Overview of US Loran-C Evaluations Federal Aviation Administration”相關(guān)內(nèi)容。

利用Loran-C遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)，GPS系統(tǒng)可以用來改善時間同步精度、提高數(shù)字接收機(jī)的定位解算精度以及覆蓋范圍。作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充導(dǎo)航方法，Parkinson教授認(rèn)為可以作為GPS系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)一步深入研究。

10 航空對GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航性能要求簡介

表24 航空對GNSS系統(tǒng)空間信號SIS的性能要求

圖31 飛機(jī)著陸過程

飛機(jī)著陸過程如圖31所示，主要分為航線（Enroute）、末端（Terminal）、進(jìn)近（Approach）、著陸（Surface）和起飛（Departure），其中進(jìn)近過程又可細(xì)分為非精密進(jìn)近（NPA）、一類垂直引導(dǎo)進(jìn)近（APV-I）、二類垂直引導(dǎo)進(jìn)近（APVII）、一類精密進(jìn)近（CAT-I）、錯誤進(jìn)近（Missed approach）、二類精密進(jìn)近（CAT-II）、三類精密進(jìn)近（CAT-III），在飛機(jī)著陸過程的每個階段，航空對GNSS系統(tǒng)的精度、可用性、完好性及連續(xù)性指標(biāo)要求有所不同，如表24所示。在飛機(jī)進(jìn)近過程中，民航系統(tǒng)需要依靠地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS進(jìn)一步提高著陸過程的可靠性，即本講開篇所說的我們依靠GPS的同時又不能完全信任它。

11 國際海事組織對GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航性能要求簡介

國際海事組織IMO（International Maritime organization）成立于1959年，是聯(lián)合國負(fù)責(zé)海上安全和防止船舶造成海洋污染及其法律問題的專門機(jī)構(gòu)，致力于促進(jìn)國際間的航運(yùn)技術(shù)合作，鼓勵各國在加強(qiáng)海上安全、提高船舶航行效率、防止和控制船舶污染海洋環(huán)境方面采取統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，以及處理有關(guān)的法律問題。

國際海事組織IMO作為國際海洋領(lǐng)域的立法機(jī)構(gòu)，對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）及其接收機(jī)提出技術(shù)要求，認(rèn)可全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS作為全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)WWRNS（Whole World Radio Navigation System）并制定了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS用戶接收機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)。加入國際海事組織IMO標(biāo)準(zhǔn)框架是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS在國際航海領(lǐng)域應(yīng)用和推廣基礎(chǔ)和前提條件。

在全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)WWRNS組成認(rèn)可方面，國際海事組織IMO考慮是否承認(rèn)某系統(tǒng)為無線電導(dǎo)航系統(tǒng)時，將遵循導(dǎo)航服務(wù)連續(xù)性、導(dǎo)航服務(wù)有效性、系統(tǒng)可用性即定位精度信息獲取、系統(tǒng)及其狀態(tài)特征和參數(shù)公布、系統(tǒng)是否會對船載接收機(jī)性能造成不利影響、相關(guān)政府或組織責(zé)任等六項(xiàng)準(zhǔn)則，對目前導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行要求如表25所示，對未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS通用導(dǎo)航的最低要求如表26所示，

12 小結(jié)

如果在需要PNT服務(wù)的時候，比如民航飛機(jī)進(jìn)場著陸時，卻不能保證信號的穩(wěn)定性（可用性和連續(xù)性），那么好的精度又有什么用呢？系統(tǒng)必須能夠克服自身偶爾的障礙并抵制不定期的或不經(jīng)意的外界干擾。GPS信號極其微弱，比背景噪聲低16dB，可以說淹沒在背景噪聲之下，使得GPS系統(tǒng)很容易受到有意或者無意的電磁干擾，而且抗干擾的擴(kuò)頻處理增益功能有限。提高穩(wěn)定性的措施有頻率分集、高信號功率和高處理增益。星座中的衛(wèi)星數(shù)量，例如“30+3”導(dǎo)航星座，以及單顆衛(wèi)星的失效率，影響系統(tǒng)的可用性和連續(xù)性。

導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性就是指保證系統(tǒng)的正確運(yùn)行，并且如果信號出現(xiàn)異常，系統(tǒng)能夠及時發(fā)出警告。對于有關(guān)生命安全的應(yīng)用而言，如果系統(tǒng)不能確定位置估計(jì)是否準(zhǔn)確以滿足用戶的需求，那么這個PNT服務(wù)又有什么用呢？系統(tǒng)的完好性可以通過每顆衛(wèi)星信號的自監(jiān)控、衛(wèi)星之間互連的星座級監(jiān)控以及基于地面站的導(dǎo)航信號監(jiān)控。有了系統(tǒng)完好性保證，用戶所獲得的PNT服務(wù)將取決于那些不受系統(tǒng)控制的因素，包括用戶視界范圍內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)量極其空間幾何分布（GDOP），信號強(qiáng)度以及信號傳播不確定性引起的偽距測量誤差

為了滿足飛機(jī)精密進(jìn)近的要求，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）開發(fā)了廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WASS），對系統(tǒng)的完好性監(jiān)控已能夠滿足CAT I精密進(jìn)近要求。可以預(yù)見，到2020年，一般用戶能夠受到多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS、GLONASS、BDS、GALILEO）多顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，目前不同系統(tǒng)之間部分頻點(diǎn)信號的兼容互操作已稱為非正式要求，可以有把握地說，未來大多數(shù)民用用戶將必然使用多模式戶接收機(jī)，用在不同服務(wù)中PNT的精確度、連續(xù)性、可靠性以及完好性必然較使用單系統(tǒng)而言有大幅度提高。

表25 WWRNS在不同水域?qū)Ξ?dāng)前導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行要求

表26 WWRNS對未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS通用導(dǎo)航要求