GPS的可用性與完善性的研究

王海斌　丁發軍　錢偉

摘 要：本文從GPS的組成和工作原理出發，較為詳細介紹了GPS的性能及優缺點。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，提出了采用組合導航系統等三種解決途徑和辦法。最后對現階段GPS的選擇上進行了總結。

關鍵詞：全球定位系統 可用性 完善性 差分GPS

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

全球定位系統（GPS：Global Positioning System）是美國國防部研制的一種以空間衛星為基礎的無線電導航與定位系統。GPS衛星軌道的高度約20000公里，屬于中高軌道衛星[1]。GPS能夠實現三維導航和精確測時，對于用戶數量不受限制，民用用戶價格又低廉，抗干擾性又強。但GPS作為一種獨立的導航系統，尚有不足，有待進一步改進和完善。該文將重點從GPS的可用性及完善性進行求證和論述。

1 全球定位系統的組成

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

2 全球定位系統的能力和限度

2.1 全球定位系統的能力

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

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

（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、終端區和非精密進近等許多飛行階段，利用差分技術后可以實現Ⅰ類、Ⅱ/Ⅲ類精密進近（由于垂直精度不夠，較難達到）。

2.2 全球定位系統的限度

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

（2）連續性服務不足，某些地方有時將出現少于四顆星的漏洞現象[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 ：由于衛星數目有限，限制了它的可用性。另外，為了把GPS衛星的升交點精度偏差從2度減少到1度，每年需對每顆衛星進行一次位置保持調整，每次調整都需要衛星停止工作三天。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全球衛星導航

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

由于GLONASS系統的工作頻率，調制方式，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。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準。

3.2 采用組合導航系統

組合導航系統也可以很好解決這一問題，可以充分發揮組合雙方的優點。GPS的組合設備很多，有：GPS/INS，GPS/NNSS和GPS/Loran-C等。現在用的最多的是GPS/INS和GPS/Loran-C，前者因為慣導（INS）是自主導航設備，使用起來方便可靠，所以應用十分廣泛；而GPS/Loran-C的組合在已經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衛星的高度

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

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

4 結語

由此可見，GPS確實為現階段所使用的導航定位系統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航定位系統來說的。隨著用戶要求的不斷提高，GPS是遠遠滿足不了需要的。較好的解決辦法是。

（1）在現階段，采用組合導航的方式（如：GPS/GLONASS）來克服GPS導航定位中的不足，發揮組合雙方的優點，來解決GPS的可用性問題。

（2）著眼于未來，對GPS的差分原理進行更深入細致的研究，大力發展我國自行研制的第一代衛星導航系統-北斗導航系統。

參考文獻

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

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

[3] 孟領坡，吳杰，袁義雙.飛機著陸引導系統對機場凈空要求的影響分析[J].武漢大學學報：信息科學版，2011，36（3）：271-275.

[4] 陳小平，滕云龍.接收機自主完好性監測算法研究[J].電子科技大學學報，2008，37（2）：218-230.