GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能規(guī)范評估方法

1、GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能規(guī)范評估方法GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能規(guī)范是目前國際上比較成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能指標(biāo)體系,該規(guī)范給出了服務(wù)性能指標(biāo)的定義和GPS的實測結(jié)果，但沒有給出具體的計算方法。本文全面分析了GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能規(guī)范中指標(biāo)的意義,并給出了指標(biāo)的具體計算方法。另外，利用2013年1月至11月的星歷和觀測數(shù)據(jù)，按照給出的方法對GPS的性能進(jìn)行了統(tǒng)計結(jié)果證明利用本文中的計算方法可以得到和GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)規(guī)范一致的結(jié)果。隨著各大導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)的競爭日趨激烈，系統(tǒng)服務(wù)性能的優(yōu)劣是競爭輸贏的關(guān)鍵，開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能監(jiān)測至關(guān)重要，有助于推動GNSS服務(wù)性能標(biāo)體系和評估方法

2、的發(fā)展，進(jìn)一步提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。然而，GNSS服務(wù)領(lǐng)域內(nèi)尚未形成的統(tǒng)一的服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)體系，當(dāng)前，GPS已發(fā)布了GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)(GlobalPositioningSystemStandardPositioningServicePerformanceStandard，GPSSPSPS)和GPS精密定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)(GlobalPositioningSystemPrecisePositioningServicePerformanceStandard,GPSPPSPS)以及針對星基增強(qiáng)服務(wù)定義的GPS廣域增強(qiáng)系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)(GlobalPositioningSystemWideArea

3、AugmentationSystemPerformanceStandard,GPSWAASPS)等，GPSSPSPS為民用用戶使用，GPSPPSPS為軍事和特定用戶使用。GLONASS未發(fā)布類似的標(biāo)準(zhǔn)體系。北斗于2013年12月27日以官方的形式正式發(fā)布了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范V1.0版。相對而言，GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)比較成熟，因此深入研究GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)具有重要的意義，為我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的完善提供參考，對指導(dǎo)北斗系統(tǒng)建設(shè)有借鑒意義。本文在全面研究GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，描述了各指標(biāo)的定義和具體計算方法，利用CCDIS數(shù)據(jù)中心

4、提供的星歷和觀測數(shù)據(jù)對GPS的空間信號覆蓋性、空間信號精度、連續(xù)性、可用性和DOP可用性等性能指標(biāo)進(jìn)行了測試評估。1、性能指標(biāo)定義及計算方法為滿足航空、航海等各行業(yè)的需求，近幾年來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)體系不斷發(fā)展完善。國外眾多機(jī)構(gòu)都對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)體系進(jìn)行了研究，如：美國交通部發(fā)布的GPS民用性能監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)1,美國民航部發(fā)布的GPS完好性對民航的潛在影響2和美國國防部發(fā)布的GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)3等等。美國發(fā)布的第四版GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能指標(biāo)主要分為兩類：空間信號和定位授時精度，其中，空間信號包括覆蓋性、空間信號精度、可用性、完好性、連續(xù)性等指標(biāo)，定位/

5、授時精度包括DOP可用性、定位服務(wù)可用性和定位/授時服務(wù)精度等。1.1覆蓋范圍GPSSPSPS中信號覆蓋范圍是指從地球表面到一定高度之間能夠被衛(wèi)星信號覆蓋的近地空間區(qū)域(不包括被地球或障礙物遮擋的部分)。信號覆蓋范圍分為單星覆蓋范圍和基準(zhǔn)/可擴(kuò)展星座覆蓋范圍。單星信號覆蓋范圍示意圖如圖1所示。波束如Figure1.Per-SatelEteCoverage圖1單星覆蓋范圉示竟圖覆蓋范圍計算公式如式(1),H為覆蓋到地面以上的高度，h為衛(wèi)星高度，r為地球半徑,0為半主波束角。H=(h+r)sin0-r1.2空間信號精度空間信號精度即用戶測距誤差，根據(jù)導(dǎo)航信息注入后所經(jīng)歷過的時間而變化，是時間的函數(shù)

6、。GPSSPSPS中統(tǒng)計的空間信號精度是基于全球平均URE來表示空間信號精度的，包含徑向、切向、法向軌道誤差和鐘差，假設(shè)用戶仰角為2度的情況下，SPSSIS中GPS空間信號精度計算公式如式(2)，R、A、C分別代表軌道徑向、切向、法向誤差T代表鐘差，從誤差系數(shù)可以看出，徑向誤差對空間信號精度的影響較大。（2）DRE小=J（0-9恥一uT）行右（才+L）空間信號精度主要取決于衛(wèi)星的位置和星鐘的精度，不會因為用戶的飛行高度而變化4-5。1.3空間信號可用性空間信號可用性是指衛(wèi)星發(fā)射健康信號的時間占總統(tǒng)計時間(包括發(fā)射健康信號時間、發(fā)射無法跟蹤的、臨界的、或不健康的SPSSIS的預(yù)先告警時間與沒有預(yù)

7、先告警的無法跟蹤的、臨界的、或不健康的SPSSIS的時間)的比例。GPSSPSPS指出空間信號可用性分為單星可用性和星座可用性，并用二項式概率分布模型計算星座可用性，如式(3)，其中，p為單星發(fā)生故障的概率，n為星座中衛(wèi)星數(shù)目，k為發(fā)生故障的衛(wèi)星數(shù)。於)=和(1”(3)1.4空間信號連續(xù)性空間信號連續(xù)性在指定時間間隔內(nèi)保持健康、不發(fā)生非計劃中斷的概率。GPSSPSPS中的計劃中斷是指由海岸警衛(wèi)隊導(dǎo)航信息中心控制段和聯(lián)邦航空局飛行員通告系統(tǒng)提供的至少提前48小時通知的中斷。根據(jù)可靠性基本原理，可推導(dǎo)出空間信號連續(xù)性的評估模型，如式(4)，其中，P為空間信號連續(xù)性，MTBF(MeanTimeBet

8、weenFailure)為平均非計劃中斷間隔時間。在GNSS航空領(lǐng)域內(nèi)連續(xù)性指標(biāo)采用1減去連續(xù)性損失風(fēng)險的形式表示，其基本原理與式(4)是一致的。P=1-(4)MTBF1.5空間信號完好性完好性反映了對系統(tǒng)提供的定位、授時信息正確性的信任程度。GPSSPSPS中假設(shè)SPSSIS是健康的，任一小時的開始SPSSIS瞬時URE未超過NTE容許值，NTE容許值為URA最大值的正4.42倍或負(fù)4.42倍，延遲告警最壞為6小時，忽略單頻電離層延遲，在這些假設(shè)條件下，統(tǒng)計了完好性，給出了任一小時內(nèi)SPSSIS瞬時URE超過NIE容許值，而沒有及時告警的概率和最壞情況下沒有及時告警概率。完好性指標(biāo)是航空導(dǎo)航

9、系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，為保證飛行安全，導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的導(dǎo)航信息必須具有極高的可信度，航空中的完好性指標(biāo)包括告警時間、告警門限和嚴(yán)重錯誤引導(dǎo)信息發(fā)生概率等等6。1.6 DOP可用性DOP反映了可見衛(wèi)星與接收機(jī)空間幾何結(jié)構(gòu)對用戶測距誤差的放大作用，是評估用戶位置精度的重要內(nèi)容GPSSPSPS中以PDOP=6.0作為一個經(jīng)驗界限值，來確定衛(wèi)星與接收機(jī)的幾何構(gòu)型是否足夠好，基于基本星座中24顆衛(wèi)星正常運行以及星座中每一衛(wèi)星無法使用或星座中一對衛(wèi)星無法使用的前提條件，給出了全球平均PDOP和單站最壞PDOP統(tǒng)計結(jié)果。1.7 定位精度由于實際布設(shè)跟蹤站存在數(shù)量和位置方面的限制（即難以在服務(wù)區(qū)域內(nèi)任意地點布設(shè)

10、足夠多的終端用于監(jiān)測定位精度），GPSSPSPS中定位精度評估模型為UERE（UserEquivalentRangeError）與DOP相乘獲得，水平定位精度計算方法如公式（5）所示，垂直定位精度計算方法如公式（6）所示，其中HDOP為水平精度衰減因子，VDOP為垂直精度衰減因子oUERE包含URE和UEE，UEE包含對流層、電離層等用戶段誤差。GPSSPSPS中用正常運行時所有數(shù)據(jù)齡期的URE值代替UERE值。UHNE=UEREXHDOP（5）UVNE=UEREXVDOP（6）2仿真分析2.1覆蓋范圍利用公式（1），統(tǒng)計GPS單星覆蓋范圍，其中，GPS衛(wèi)星高度h為20200公里，半主波束角為

11、23.5。代入公式（1），計算得到H為4224.2公里，即衛(wèi)星可以從地球表面至表面以上4224.2公里處實現(xiàn)100%覆蓋。當(dāng)前，GPS已實現(xiàn)多重覆蓋，故地面服務(wù)域任意位置（沒有遮擋的情況下）都能夠收到GPS信號，星座覆蓋率為100%。2.2空間信號精度利用CCDIS數(shù)據(jù)中心提供的廣播星歷與精密星歷（2013年1月1日至11月30日），考慮了天線相位中心誤差（采用IGS于2008年發(fā)布的值），L1頻率碼偏差，L1頻率群延遲時間改正，忽略了電離層延遲模型誤差，剔除了異常數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了GPS各個衛(wèi)星平均URE值，統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。0.50.0791113151?192123252?爲(wèi)3133衛(wèi)星號F

12、igure2.GPSSatelliteSISAverageURE圖2.GPS衛(wèi)星空間信號結(jié)度均值利用GPS所有衛(wèi)星的瞬時URE值，統(tǒng)計置信度為95%正常運行模式所有數(shù)據(jù)齡期的全球平均水平，統(tǒng)計結(jié)果為0.98米。2.3空間信號可用性利用CCDIS數(shù)據(jù)中心提供的廣播星歷（2013年1月1日至11月30日），采用2.3節(jié)給出的計算方法，統(tǒng)計了GPS衛(wèi)星的單星可用性和星座可用性，統(tǒng)計結(jié)果如表1示。表1單星/星座空間信號可用性Table1.Ptr-Slot/ConstellationSISAvailability媚號'V'-.M.iiJ用性抽!號用性-Y號用性G0199.8鳴G1299.

13、S7%G23100.00%G02100.00%G1399.90%G24100.00%G03100.00%G1499.92%G2599.90%cor99.74%G1599.90%G2699.87%G0599.90%G16100.00%G2799.91%G0699.S7%G1799.92%G2S100.0CJ%G07100.00G1S99.90%G29100.00%G0S99.SS%G19100.mG3099.91%G0999.S5%G2099.90%G3199.90%G1099.S7%G21100.0C%G32100.00注：初號衛(wèi)星統(tǒng)計時間為6月22日至1輜31日吧7號衛(wèi)星于5月15日21:3

14、8星座可用性（至少有21顆：99.99%星同時町用）發(fā)射，6月21日19:58開始啟用）。2.30號衛(wèi)星統(tǒng)計時間為1月1日至3月27日（30號衛(wèi)星于3月28日10:29起不能使用，5月1日22:00開始退役）。2.4空間信號連續(xù)性利用CCDIS數(shù)據(jù)中心提供的廣播星歷（2013年1月1日至11月30日）提取衛(wèi)星信號健康標(biāo)志，海岸警衛(wèi)隊官網(wǎng)提供的告警信息判別衛(wèi)星信號中斷的類型，采用2.4節(jié)給出的計算方法，統(tǒng)計GPS衛(wèi)星空間信號非計劃中斷連續(xù)性，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。表2空間信號非計劃中斷連續(xù)性Table2.SISUnscheduledFailureInterruptionContinuity系統(tǒng)計劃

15、中斷/次非計劃中斷/次連續(xù)性GPS22599.94%2.5空間信號完好性利用CCDIS數(shù)據(jù)中心提供的廣播星歷（2013年1月1日至11月30日），采用2.5節(jié)的計算方法，忽略電離層延遲模型誤差，剔除不健康信號，統(tǒng)計GPS空間信號完好性，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。表3空間信號瞬時URE完好性Table3.SISInstantaneousUREIntegrity衛(wèi)星型號完好性喪失起始時間完好性喪失結(jié)束時間沒有及時告警概率G2646天12點整46天13點45分1.87x10-5G26128天14點55分128天17點55分2.6DOP可用性由于考慮有一顆衛(wèi)星失效或任意兩顆衛(wèi)星失效對PDOP的影響較為復(fù)雜，

16、本文假設(shè)32顆衛(wèi)星全健康，利用GPS廣播星歷（2013年1月1日），在范圍為經(jīng)度-179。到180。緯度-90。到90。，網(wǎng)格大小為1°X1°，采樣間隔為24小時內(nèi)5分鐘的約束條件下統(tǒng)計了GPS衛(wèi)星PDOP小于等于6的概率為100%。2.7 定位精度利用3.6節(jié)的方法統(tǒng)計GPS衛(wèi)星水平精度衰減因子（HDOP）和垂直精度衰減因（VDOP）,將HDOP、VDOP和3.3節(jié)計算所得的URE（95%）代入公式（5）和（6）得到水平定位精度和垂直定位精度，如表4所示。表4水平/垂直定位精度Table4.Horizontal/VerticalPositionAccuracy系統(tǒng)HDOP

17、（95%）VDOP（95%）水平定位精度（95%）垂直定位精度（95%）GPS1.041.921.021.882.8 統(tǒng)計結(jié)果分析將GPS系統(tǒng)各指標(biāo)的統(tǒng)計結(jié)果與GPSSPSPS給出的結(jié)果進(jìn)行對比，如表5所示。表5空間信號性能總結(jié)lableLSISPerformanceSummary拓統(tǒng)托標(biāo)本文統(tǒng)川結(jié)黒G璐SPS氏W泉覆蓋范川（地面至地4224.2公里3000公里ir.iti.i-.）浪座覆蓋范川地面荃地面以上4224.2公里3000公里空間信號精度<95%）0.9S術(shù)小丁零1-7.80來卩呈町用性99.93%大-;?95.70%.杲座可用性99.99%Kl-'/f1-98.00%

18、連續(xù)性99.94%犬-;?99.98%小煜：1.0X10-6完好性（概和1.S7X10-6:o.002j全球PDOP<=6的概率100%Kl-'/f1-98.00%全球范川水平溟差）1.02不小!'<9米綜合分析本文對GPS能指標(biāo)的統(tǒng)計結(jié)果，可以獲得:小丁箸1-151）本文統(tǒng)計的信號覆蓋范圍（地面至地面以上4224.2公里）相比于標(biāo)準(zhǔn)給出的3000公里較大，筆者認(rèn)為GPSSPSPS單星覆蓋范圍定的比較保守；2）從圖2可以看出，GPS空間信號URE基本維持在1.0米左右，與文獻(xiàn)7給出的GPS空間信號精度能保持同一水平，其中，G03號衛(wèi)星（IIA）、G06號衛(wèi)星（IIA

19、）、G08號衛(wèi)星（IIA）G09號衛(wèi)星（IIA）G10號衛(wèi)星（IIA）G30號衛(wèi)的URE值較大，均超出了1.5米，其中G30號衛(wèi)星尤其大，查找G30衛(wèi)星URE統(tǒng)計結(jié)果較大的時間段，發(fā)該時間段內(nèi)G30衛(wèi)星鐘差較大，導(dǎo)致G30號衛(wèi)星URE均值大，影響了GPS衛(wèi)星URE整體平均水平。GPS所有衛(wèi)星置信度水平為95%的URE值為0.98米，滿足GPSSPSPS指標(biāo)。3）從表1可以看出，GPS衛(wèi)星發(fā)射健康信號的比例較高，部分衛(wèi)星在整個統(tǒng)計時間段內(nèi)單星可用性可以達(dá)到100%，即部分衛(wèi)星未發(fā)射不健康信號，發(fā)射的信號未發(fā)生中斷。從表5可以看出，本文統(tǒng)計的單星可用性99.93%和星座可用性99.99%，滿足GP

20、SSPSPS指標(biāo)。4）從表2可以看出，本文統(tǒng)計的空間信號連續(xù)性低于標(biāo)準(zhǔn)給出的值，統(tǒng)計空間信號連續(xù)性時的非計劃中斷信息（未提前48小時告警）來自海岸警衛(wèi)隊官網(wǎng)，統(tǒng)計結(jié)果較低的原因可能是空間信號連續(xù)性是一個長期統(tǒng)計指標(biāo)8，而本文統(tǒng)計時間不滿一年，進(jìn)而影響了統(tǒng)計結(jié)果。5）從表3可以看出，本文統(tǒng)計的沒有及時告警的概率1.87X10-5大于標(biāo)準(zhǔn)中給出的1.0X10-5，小于最壞情況下的0.002，滿足GPSSPSPS指標(biāo)。GPSSPSPS在假設(shè)每次完好性喪失不超過1小時的前提下，完好性統(tǒng)計結(jié)果為1.0X10-5，假設(shè)每次完好性喪失最差不超過6小時的前提下完好性統(tǒng)計結(jié)果為0.002。6)從表5可以看出，本文統(tǒng)計的DOP可用性滿足GPSSPSPS指標(biāo)。7)從表5可以看出，本文統(tǒng)計的水平垂直定位精度明顯優(yōu)于GP