GPS與Galileo系統(tǒng)組合應(yīng)用精度分析

趙金賢,陳金平,杜 燕,胡彩波

(中國人民解放軍61081部隊(duì),北京100094)

0 引言

Galileo系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期,GPS和Galileo系統(tǒng)民用信號(hào)已開始商討兩大系統(tǒng)共同合作問題。美國和歐盟經(jīng)過長期協(xié)調(diào)、談判,最終達(dá)成以下協(xié)議:Galileo系統(tǒng)公開服務(wù)(OS)信號(hào)與未來GPS民用信號(hào)共用L1頻點(diǎn),確定了在民用信號(hào)方面兩大系統(tǒng)共用相同中心頻點(diǎn)的合作關(guān)系,標(biāo)志著Galileo系統(tǒng)的公共事業(yè)服務(wù)(PRS)信號(hào)與美國軍用碼M信號(hào)也共用L1頻點(diǎn)。因此,GPS與Galileo系統(tǒng)組合應(yīng)用將大大提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位和導(dǎo)航性能。

1 Galileo系統(tǒng)頻率和信號(hào)計(jì)劃

Galileo系統(tǒng)計(jì)劃在3個(gè)頻段上發(fā)送導(dǎo)航信號(hào),而為了解決無線電導(dǎo)航頻率資源緊張問題,實(shí)現(xiàn)與GPs和GLONASS頻率資源共享并最大限度地提高衛(wèi)星導(dǎo)航性能,Galileo系統(tǒng)采用了新的信號(hào)調(diào)制體制—BOC調(diào)制,Galileo系統(tǒng)具體頻率與信號(hào)計(jì)劃如表1和圖1所示。

Galileo系統(tǒng)將在下述3個(gè)載波頻率上提供10種右旋圓極化信號(hào),每個(gè)載波頻率上的信號(hào)都存在I和Q分量、有數(shù)據(jù)信道和無數(shù)據(jù)信道、寬帶和窄帶交叉疊置現(xiàn)象,以便于其頻率復(fù)用;所有Galileo衛(wèi)星共用相同的頻率,采用碼分多址(CDMA)方式與GPS兼容。

表1 系統(tǒng)頻率與信號(hào)計(jì)劃

圖1 Galileo系統(tǒng)頻率與信號(hào)計(jì)劃

目前,GPS在2個(gè)頻段上發(fā)送導(dǎo)航信號(hào),即L1和L2頻段。2000年國際無線電頻率大會(huì)增加劃分無線電導(dǎo)航頻率以后,GPS計(jì)劃新增L5頻段作為民用專用頻段,為了實(shí)現(xiàn)L1和 L2頻段的軍民復(fù)用,GOS信號(hào)也將采用BOC調(diào)制體制,GPS的頻率計(jì)劃和使用情況如表1所示。

目前,GPS在L1和L2頻段上發(fā)射3種右旋圓極化信號(hào)。GPS現(xiàn)代化以后,GPS將在L5頻段上增發(fā)民用專用導(dǎo)航信號(hào)、在L2頻段上增發(fā)民用導(dǎo)航信號(hào)和M碼軍用導(dǎo)航信號(hào)、在頻段上增發(fā)M碼軍用導(dǎo)航信號(hào)。因此,GPS實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化后將在3個(gè)導(dǎo)航頻段上提供7種信號(hào),并提供相應(yīng)的導(dǎo)航定位服務(wù)。所有GPS衛(wèi)星共用相同的載波頻率,采用CDMA方式與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容。

2 組合應(yīng)用精度分析

評(píng)價(jià)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的導(dǎo)航應(yīng)用精度需詳細(xì)分析系統(tǒng)用戶等效距離誤差(UERE)。和衛(wèi)星幾何分布情況(用幾何精度因子DOP表示)。

2.1 用戶等效距離誤差分析

影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶導(dǎo)航定位精度的主要誤差源分為3類:與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差和與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。可以通過對(duì)上述誤差源的分析評(píng)估衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶等效距離誤差。此外,還有一些其他可能的誤差源,如地球自轉(zhuǎn)、相對(duì)論效應(yīng)和地球潮汐等,這些誤差對(duì)定位精度的影響一般較小。在所有誤差中,影響UERE的最大誤差來源于電離層誤差。但可通過星基增強(qiáng)系統(tǒng)的差分改正或雙頻線性組合修正消除大部分的電離層誤差影響,此時(shí)多路徑誤差將成為影響UERE的主要誤差源。

2.1.1 與衛(wèi)星有關(guān)誤差

與衛(wèi)星有關(guān)的誤差包括衛(wèi)星鐘差預(yù)報(bào)誤差和衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)誤差。其大小主要依賴于地面監(jiān)測站在全球的分布情況和數(shù)量、跟蹤觀測精度和衛(wèi)星所受攝動(dòng)力模型的精確程度、計(jì)算精度、衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性等因素。對(duì)于GPS和Galileo系統(tǒng),主要考慮2種情況:①一般情況下,與衛(wèi)星有關(guān)的總誤差取為0.6 m;②最壞情況,比一般情況高1倍,即1.2 m。

2.1.2 信號(hào)傳播誤差

與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差包括電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差和多路徑延遲誤差。電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差是由電波傳播模型的不準(zhǔn)確引起的,多路徑延遲誤差與用戶所處的環(huán)境和天線的仰角有關(guān)。

電離層延遲可通過不同的電離層模型進(jìn)行修正,通常可以修掉50%以上的電離層誤差影響,對(duì)于Galileo系統(tǒng),電離層修正誤差通常情況約為4～5 m左右,最壞情況下約為8 m左右。對(duì)于雙頻用戶,采用雙頻電離層組合修正方法可以消除90%以上的電離層誤差,此時(shí)電離層誤差影響可以忽略。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,對(duì)流層對(duì)信號(hào)的折射影響,通常采用信號(hào)處理時(shí)加入對(duì)流層模型算法消除對(duì)流層誤差。根據(jù)國內(nèi)外的研究,一般情況下對(duì)流層誤差取為0.2 m[4];最壞情況為仰角10°,此時(shí)對(duì)流層誤差取為1.35 m。

多路徑誤差是影響UERE的主要誤差源之一,并且,多路徑誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異,很難通過建模消除其影響。經(jīng)分析鄉(xiāng)村或近郊區(qū)域多路徑誤差情況如表2所示[1]。

表2 多路徑誤差結(jié)果

2.1.3 接收機(jī)誤差

與接收機(jī)相關(guān)誤差主要包括偽隨機(jī)碼測距誤差、接收機(jī)鐘差和天線相位中心誤差等。

接收機(jī)通過非相干延遲鎖定環(huán)(DLL)對(duì)偽碼進(jìn)行跟蹤實(shí)現(xiàn)距離測量,測距性能的 Cramer-Rao限為:

式中,C/N0為載噪比;T為單次估計(jì)的信號(hào)長度(要求T＞Tc);b為關(guān)于碼率歸一化的前端信道濾波器帶寬;BL為環(huán)路濾波器的帶寬(通常BLT＜＜1)。

一般情況下,單頻接收機(jī)偽隨機(jī)碼測距噪聲誤差在0.03 m左右,在信號(hào)惡化情況下,偽隨機(jī)碼測距噪聲誤差在0.15 m左右。其中,DLL環(huán)路帶寬取為0.01 Hz;N0取為-201.5 dB-Hz;一般情況下C/N0取為46.5 dB、信號(hào)惡化情況下 C/N0取為31.5 dB。

電離層誤差可以通過雙頻線性組合方法消除,因此扣除電離層影響后的偽距表示為:

式中,f1＞f2。

式中,;σf1和 σf2分別為 f1頻點(diǎn)和 f2頻點(diǎn)偽距誤差。

雙頻組合消除電離層影響后,偽隨機(jī)碼測距噪聲誤差結(jié)果在0.08～0.6 m。其中GPS采用L1和L2頻點(diǎn)、Galileo系統(tǒng)采用L1和E6頻點(diǎn)。

通過上述分析,GPS、Galileo系統(tǒng)單頻和雙頻組合情況的UERE結(jié)果如表3所示。

表3 GPS和 Galileo單雙頻 UERE

2.2 組合應(yīng)用的定位精度分析

從導(dǎo)航衛(wèi)星星座分布情況可以知道,GPS和Galileo兩大系統(tǒng)的組合應(yīng)用將大大優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星幾何分布。若用幾何精度因子DOP表示衛(wèi)星的幾何分布。通過計(jì)算可以得出GPS、Galileo系統(tǒng)和GOS+Galileo系統(tǒng)組合情況下DOP值。通過表4可以看出,GPS與Galileo系統(tǒng)組合時(shí),雙系統(tǒng)的幾何精度因子大大提高。

如果2個(gè)系統(tǒng)組合應(yīng)用時(shí)的誤差結(jié)果估算為:

式中,e為系統(tǒng)誤差變量。

則GPS和Galileo兩大系統(tǒng)的組合應(yīng)用時(shí),系統(tǒng)的導(dǎo)航定位結(jié)果如表4所示。

表4 兩大系統(tǒng)DOP值及導(dǎo)航定位精度

3 結(jié)束語

通過對(duì)BOC調(diào)制體制下GPS和Galileo系統(tǒng)的用戶等效距離誤差分析,并結(jié)合GPS、Galileo系統(tǒng)和GPS+Galileo系統(tǒng)組合的衛(wèi)星幾何分布情況,計(jì)算給出了上述3種情況的導(dǎo)航定位精度,綜合分析結(jié)果:①GPS和Galileo系統(tǒng)寬帶信號(hào)的定位精度基本一致;②GPS和Galileo系統(tǒng)信號(hào)的組合應(yīng)用將會(huì)使用戶性能得到很大提高,水平定位精度可達(dá)0.34 m,比使用單系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)時(shí)精度提高64%以上。因此具有十分突出的研究與應(yīng)用前景。

[1]HEIN G W.Combining Galileo PRS and GPS M-Code[J].Inside GNSS,2006(1):48-56.

[2]邱致和.GPS原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[3]李 躍.導(dǎo)航與定位[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[4]賈東升.歐洲伽利略計(jì)劃及其新技術(shù)概述[J].航空電子技術(shù),2003(9):5-9.

[5]邱致和.GPS新民用信號(hào) L2C及其應(yīng)用[J].導(dǎo)航,2004(12):1-18.