核心期刊发表前全球导航卫星系统存在的主要问题及发展建议

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　　摘要：本文先简要叙述了当前全球导航卫星系统存在的主要问题，并针对这些问题提出有效的解决办法。最后对未来的全球导航卫星系统的设计方案提出了几点建议。

　　关键词：核心期刊发表,全球导航卫星系统(GNSS),GPS,GLONASS,GALILEO,COMPASS

　　1 引言

　　全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)又称PNT(Position、Navigation、Timing)系统，是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种空间导航定位技术。当今GNSS系统不仅成为各国重要的空间和信息化基础设施，同时也成为国家综合实力的重要标志。由于GNSS在国家安全和经济建设与社会发展中扮演的重要角色，世界主要军事大国及经济体都竞相发展独立自主的卫星导航系统。

　　目前全球有四大已经建成或正在建设的全球导航卫星系统：美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO和中国的COMPASS。各大系统的建设发展，虽然极大地促进了导航定位理论与应用的变革和相关产业的发展，但是随着应用环境的不断复杂和用户需求的不断提高，各大系统的发展都面临着新的问题与挑战。

　　2 GNSS存在的主要问题

　　虽然近几十年来GNSS理论与技术得到了长足的发展，但是仍然不能满足军、民用户日益提高的服务要求。本节先总结军、民用户对GNSS的服务要求，然后指出当前GNSS存在的主要问题。

　　2.1 PVT精度

　　随着GNSS被引入到各种精细作业领域，当前的PVT精度已经越来越难满足要求。人们迫切希望GNSS能提供更高精度的PVT解算结果。

　　PVT解算精度的提高受到测量误差的影响，给出了几种主要的测量误差类型及其引入的伪距测量误差。

　　除以上测量误差外，影响PVT解算精度还有星座的空间几何布局，即通常所说的DOP，DOP越大，对PVT精度衰减越大。以GPS为例，根据理论仿真，GPS在全球绝大部分地区的PDOP≤4(95%，遮蔽角取5°)，但是在实际应用环境中，受地形或建筑物的遮挡，可见卫星数明显下降，引起DOP变大和PVT精度的降低。

　　PVT精度可以表示成伪距测量误差与DOP的乘积。目前民用用户得到的水平定位精度在10米以内(95%)，垂直定位精度在20米以内(95%)，授时精度约为40ns(95%)，这一精度水平显然无法满足各类精细作业领域的精度要求。

　　2.2 可用性

　　GNSS的可用性是该系统的服务可以使用的时间的百分比，是系统在某一指定覆盖区域内提供可以使用的导航服务的能力的标志。GNSS的可用性与某个位置、某个时刻的可见卫星数量和卫星的几何分布有关。

　　影响可见卫星数的因素有两个：遮蔽角和应用环境的地貌地物。一般来说，降低遮蔽角，可以看到更多的卫星，但同时产生的大气延时和多径问题也会更严重。地貌地物的影响因地而异，在一些地面高低起伏较大或高楼大厦密集的地区，即使卫星仰角高于遮蔽角，仍有可能接收不到卫星信号。目前，各个GNSS系统都无法很好地单独解决这一问题。

　　卫星的几何分布对可用性的影响表现为空间分布的均匀性。空间分布越均匀，GNSS在覆盖区域内的可用性越一致。另外，如果星座中存在中断服务的卫星，也会影响空间分布的均匀性，造成部分地区的可用性不达标。

　　2.3 完好性

　　完好性指GNSS出现故障时能及时警告用户，以免用户被非正常工作的定位系统所误导。目前，GPS已经被批准作为美国空域内航路、终端区和非精密进近(Non-Precision Approach，NPA)三个飞行阶段的辅助导航系统，在大洋航路和偏远地区可以作为主用导航系统。但是在精密进近飞行阶段，单独的GPS还不能满足完好性要求，从而只能继续依靠陆基导航系统的引导。

　　2.4 抗干扰能力

　　抗干扰能力一直是军事用户非常关心的GNSS性能。在导航战理论问世后，更是把GNSS的抗干扰能力提到了战略高度。GNSS容易被干扰的原因如下：

　　(1)卫星信号到达地面后功率非常小，非常容易受到干扰。试验证明，使用干扰功率为1W的干扰机，在GPS 1.6GHz频带上实施调频噪声干扰，就能使GPS接收机在22km范围内无法工作，并且干扰功率每增加6dB，有效干扰距离就增加1倍。

　　(2)GNSS信号频段和民用导航码都是公开的，敌方就可以有目的性地产生各种干扰信号或伪信号。

　　(3)接收机难以区分真信号和伪信号。

　　目前，GNSS受到的干扰包含潜在干扰和人为干扰。潜在干扰包括带内射频干扰、带外射频干扰和环境干扰。人为干扰主要包括转发式干扰、虚假伪码干扰、相关干扰、阻塞式干扰和压制式干扰。虽然针对以上干扰，已经发展出了许多相应的抗干扰技术，但是这些抗干扰技术主要集中在用户段，从空间段和控制段出发来提高抗干扰能力的技术目前尚未成熟。

　　除了上述人为干扰外，在当今多个GNSS并存的情况下，GNSS之间也会形成相互干扰，这也是在下一步GNSS建设中需要重点考虑的问题。

　　2.5 弱信号下接收能力

　　灵敏度是用来衡量接收机能接收到多弱的GNSS信号，它直接决定着接收机在室内、高架下、树林中等弱信号的环境下能否完成定位。弱信号环境下的GNSS接收机的设计面临以下问题：

　　(1)穿过房顶、墙壁或门窗而到达室内的GNSS信号强度通常非常微弱，很难达到接收机的捕获门限值。

　　(2)虽然接收机可以通过回升相干积分时间来提高信噪比，但是这样会损失掉首次定位所需时间(TTFF)。

　　(3)即使微弱信号被接收机捕获，可是接收机在较低信噪比情况下的导航电文数据比特解调会出现较高的误比特率，因而接收机有可能根本不能成功解调出定位计算所必需的一整套卫星星历参数和卫星钟差参数，或者需要很长的时间才能完成。

　　3 解决办法

　　为解决GNSS目前存在的主要问题，可以从以下几方面入手。

　　3.1 优化星座布局

　　优化星座布局，不仅可以降低DOP以提高PVT精度，而且可以提高GNSS的可用性与连续性。

　　以GPS为例，虽然目前有30颗在轨工作卫星，但是由于有的卫星之间靠得太近，其空间不理想，在45°～60°地形坡度的山区，GPS常常被遮挡、中断。如果对这30颗卫星进行合理的空间布局，则在相同遮挡情况下，每天不能使用GPS定位的情况可以减少到20分钟左右。

　　3.2 采用更先进的卫星测轨技术

　　GPS III卫星都拟安装激光棱镜反射器，这样可使GPS卫星轨道追踪成果和GPS卫星无线电信号追踪成果相互独立，同样也可使GPS卫星的星钟差和GPS卫星的星历误差在观测数据中彼此不相关，从而可以分别独立解算。安装激光棱镜反射器的试验已在两颗老的GPS卫星(35号和36号)和GLONASS卫星上进行过，今后，GALILEO卫星也准备安装此类装置。

　　3.3 提高信号发射功率

　　提高信号发射功率能带来以下好处：帮助接收机实现快速捕获和稳定跟踪;降低导航电文的解调误比特率;缩短首次定位所需时间;提高整个系统的抗干扰能力;将目前弱信号环境变成非弱信号环境，扩大接收机的使用范围。

　　除了提高整个覆盖的信号发射功率外，还可以有针对性地提高对某一特定地区的信号发射功率，这种功能被称为局域射频功能，或侦察射频功能。这一方法可在局部战争中起到重要的支撑任用。

　　3.4 增加信号发射频段

　　增加信号发射频段，不仅可以提高系统的抗干扰能力，而且可以利用多频信号建立起更精确的电离层延时模型，获得更小的电离层延时误差，进而提高PVT解算精度。

　　增加发射频段，也意味着可以传递更多的信息，如时间信息或载波相位信息，这此辅助信息可以用来提高定位速度和精度。

　　3.5 使用抗干扰能力更强的导航码

　　在当前使用的C/A码和P(Y)码的基础上，GPS现代化计划中将播发一种新的军用码：M码。该码具有比C/A码和P(Y)码更稳健的信号捕获方法，同时还能提供更加安全的专用性、机密生和密钥分配。M码是自助的，即用户可以在直接接收M码后，完成PVT解算，不依赖C/A码和P(Y)码。

　　M码的使用将大大提高GPS的抗干扰能力，更好地保障美军的安全使用。

　　3.6 实现系统间的兼容与互操作

　　根据美国2004年12月发布的PNT国家政策，“互操作”(Interoperability)是指联合使用美国民用空基定位、导航和授时系统以及国外相应系统提供的服务从而在用户层面提供较好的性能服务，而不是依靠单一系统的服务或信号来获得服务。“兼容”(Compatibility)是指单独或联合使用美国空基定位、导航以及授时系统和国外相应系统提供的服务时不互相干扰各自的服务或信号，并且没有恶意形成导航冲突。

　　GNSS互操作性的关键因素包括空间信号、大地坐标参考框架以及时间参考框架。

　　GNSS频率配置和空间信号的兼容与互操作主要通过共用中心频率以及频谱重叠来实现，当然需要使用不同的信号调制方式和不同的信号结构，这也是系统相互独立性的必然要求。

　　最新的国际电信联盟发布的导航频率占有情况如，这种设计通过共用中心频率和频谱重叠，一方面解决了卫星导航频率资源的紧缺问题，另一方面可以减少接收机内为不同中心频率提供基准频率而产生的负担，从而在一定程度上降低多系统联合GNSS接收机的功耗、成本和重量。

　　3.7 发展差分增强系统

　　差分增强系统包含一个或多个安装在已知坐标位置点上的GNSS接收机作为基准站接收机，通过测量计算出差分校正量，然后将差分校正量播发给差分服务范围内的用户接收机。差分增强系统是一种提高定位精度的非常有效的方法。根据系统服务的地理范围来分，差分增强系统分为局域和广域两大类。

　　局域差分系统一般是在单一基准站上计算误差，播发的改正数为位置或者伪距误差，作用范围约几十到几百公里。局域差分系统能显著削弱接收机间共有的、空间相关性小的误差对定位的影响。典型的局域差分系统有美国的海事差分GPS(精度达1～3m，95%)、LAAS(水平与竖直方向精度均达1m以内，95%)和联合精密进近与着陆系统(JPALS)。

　　广域差分系统包括一个基准站网，用于精确测定卫星星历、大气层延迟和卫星时间标记之间的偏差。与局域差分系统不同的是，广域差分系统把总伪距误差分解为各个分量，并在整个差分覆盖区域估计各个分量。广域差分系统能够消除空间相关性大的误差因数，改善性能与作用距离无关，作用范围可以覆盖全球。典型的广域差分系统有美国的广域增强系统WAAS(水平和竖直精度7m，95%)、日本的MSAS和欧洲和EGNOS。

　　3.8 借助其他手段辅助导航

　　除了利用卫星导航及其增强外，还可以利用非卫星导航手段，如互联网络、移动通信网络、惯性导航、伪卫星、无线电信标等手段来辅助卫星导航，真正实现全时段、全空间为用户提供导航服务的目标。

　　4 GNSS未来方案建议

　　本节结合以上各节内容，从空间段、控制段和用户段三方面，对未来GNSS的建设提几点建议。

　　4.1 空间段

　　未来的GNSS空间段，应该具备以下特点：

　　Ø 卫星轨道多样化

　　未来的GNSS星座，可以尝试多种轨道的组合，多轨道组合的优点有：便于照顾重点区域，有助于提高系统可用性与连续性，便于建立星间链路。

　　Ø 网络化

　　星座内部的卫星通过建立星间链路，实现信息的传递，完成星座时间保持和精密轨道测定功能，降低对地面控制段的依赖，并可以进行较长时期的自主导航。

　　Ø 协同化

　　GNSS系统的空间段之间可以实现协同作业，以期获得更高的守时和测轨精度，同时也为用户段提供更好的精度、可用性、连续性和完好性。