11全球定位系统.doc

第一章 前言1.1全球定位系统1.1.1 系统概述The Global Positioning System(GPS) is a satellite-based radio system funded and operated by the United States Department of Defense.全球定位系统（GPS）是一种基于卫星射频导航的系统，由美国国防部研制。它几乎提供了地球上任何地方、任何时间和任何天气状况下的即时位置、速度和时间（PVT）信息。这一系统起初是为美国军队设计的，而今天却覆盖了全球两千万用户15。GPS offers two kinds of service:the Precise Positioning Service(PPS)and the Standard Positioning Service(SPS).全球定位系统有两大功能：准确定位功能（PPS）和标准定位功能（SPS）42。准确定位功能包含一种“防篡改”特性，用户只有经美国国防部授权获得密钥才能进入。然而，准确定位功能却面向所有民用用户开放。优先利用性于2000年5月2日解除，它是用于降低标准定位信号的。没有了优先利用性，独立用户一般估测位置可以精确到10米、100纳秒15。GPS is comprised of three main components:全球定位系统由三个部分组成：1.空间部分：全球定位系统的基准星由位于20200千米高空，运行时长近12小时，沿接近环形的地球轨道运行的24颗卫星组成。每颗卫星沿着同一轨迹，每两条轨道都要经过同一地面固定点。这些空间飞行器（SV）安置在六个轨道平面上，每条轨道有四个主卫星槽。将对开普勒运动是对全球定位系统卫星的运行的完整描述，见附件A。每颗卫星都发射加了时间标记的测距信号和导航数据。2.控制部分：全球定位系统由GPS联合规划办公室运行控制部监控和操纵。共有5个监控站分布在世界各地，不间断地追踪监控卫星，通过地面和卫星链接将原始数据和导航信号传到主控制站（MCS）。卫星通过S波段射频从一条专用的地面天线每天至少上传一次星历表和时钟参数，位于科罗拉多斯普林斯的主控制站对历表和参数进行计算。3.用户部分：全球定位系统接收机对卫星信号进行追踪和解码。它根据星历表估计卫星的位置并根据射频信号的行驶时间测量卫星的距离，然后根据一个简单的数学原理（三维空间的三边测量）推断自身的位置。准确计时是测量卫星距离的关键，卫星上的电子钟几乎是精确而且完全同步的。为了使用价格低廉的石英振子，接收器会额外用一种卫星距离测量仪。有了距离测量仪，接收器不仅可以测算其自身位置，还能消除时钟偏倚。1.1.2 信号Each GPS satellite transmits signals on two L-band frequencies: 1 at 1575.42MHz and 2 at 1227.60 MHz. 每颗全球定位卫星在两个L波段频率发送信号：1为1575.42MHz，2为1227.60 MHz 42。图1-1的第一个波形为载波1。民用和军用卫星都增加了其他频率的波段15,22。第三波段L5的频率为1176.45 MHz。Each satellite transmits two different ranging codes: 每颗卫星都发送两种不同的测距码：一个是调制载波L1相位的粗略/接收（C/A）的伪随机噪声（PRN）码，一个是调制载波L1和L2相位的精确（加密）P(Y)码42。C/A码在一毫秒内每1023比特（或码片）重复一次，或者相当于码片率为1.023Mcps。图1-1的第二个波形为C/A码的一部分。P(Y)码是很长的一个序列（大约1014码片）。每颗全球定位卫星都有唯一的PRN码；因此可以通过PRN码识别任何一个全球定位卫星。这些扩展频谱码的自相关和交叉相关特性使GPS能够测距。尤其是每个码的自相关性能只有一个主峰，这有助于GPS接收机获取定位信号。主峰的斜度直接决定了测距的精度。不同PRN码之间缺乏相关性使得在同一频率的卫星可以同时发送信号而不互相干扰。Both GPS frequencies are also modulated by binary navigation messages transmitted at a rate of 50 bits per second(bps).两种GPS频率要也经过50bps的二进制导航信息调制42。图1-1的第三个波形显示出几个导航数据。一个信号由五个300比特的子帧组成，包含了卫星的健康状况、星历表、时钟偏倚参数和天文历书。历表数据描述了航天器目前的轨迹。年历描述的是所有航天器历表数据中精确度衰减的译本。附件A详细描述了导航信息的内容。图1-1 全球定位系统信号结构图The structure of these three signal components, i.e., carriers, ranging codes, and navigation data, is diagrammed in Figure1-1. 图1-1所示为载波、测距码和导航数据这三种信号成分42。用模2加法将一个码和一条信息组合，再合成二进制信号，用二进制相移键控（BPSK）调制载波。由于单位“米”与“秒”的差别仅仅是相当于真空中光速（约3108m/s）的一个换算系数，为了方便，通常把“米”与“秒”互换。1.1.3 测量方法和位置的估算GPS receivers track satellites, decode navigation messages, and produce code and carrier phase measurements for PVT determination. GPS接收机追踪卫星，解码导航信息，并为测定即时位置、速度和时间而产生代码、测量载波相。The GPS signal acquisition process consists of a search for both PRN code shift and local carrier frequency offset. 全球定位系统信号的获取包括搜索PRN码转换和本地载波频率偏移。当接收机“嗅”到一个信号，他会用延迟锁定回路（DLL）继续追踪信号，用相位锁定回路（PLL）追踪相位5,42。图1-2 延迟锁定回路Figure 1-2 shows the DLL structure. 图1-2所示为延迟锁定回路结构42。它与所接收到的稍具早期和后期复制的信号相关。如果接收的信号被锁定，早期相关因子就会在自相关波峰上升段显现，而后期相关因子就会在波峰下降段显现。鉴频器的功能是区分早期和后期相关性（图1-2中的ZE和ZL）。延迟锁定回路通过将鉴频器信息反馈给本地代码生成器来锁定代码，这样鉴频器信息才能归零5。信息接收时间差由接收机的时钟确定，而“标记”在信号上的发送时间是信号从卫星到接收机的通行时间。测定的这一时间为伪距（），它被光速放大了。由于接收机时钟与卫星时钟不同步，因此从卫星到接收器的时间差不是真实值。Having removed the PRN code from the signal, the GPS receiver continues phase tracking with a phase lock loop. GPS接收机从信号中消除PRN码后，继续用相位锁定回路追踪相位。它在本地生成一个载波频率，并试着将频率与输入信号的相位精确匹配。一旦锁定载波相位，导航数据就会迅速被提取。载波相位的测量值()是接收机产生的载波与卫星发送的载波的相位差。接收机能计算出部分循环，但不能计算卫星与接收机全循环的数量。卫星与接收机之间的距离等于与未知的全循环数量和测得的分段循环数之和。这一未知的全循环数称为“完整模糊度”。的误差是多普勒值，可用于确定接收机的速率。代码与载波相位测量值可建模如下42：=r+c(bu-BS)+I+T+M+ (1-1)= r+c(bu-BS)-I+T+N+ (1-2)为测定的代码相位值或伪距。为测定的载波相位值。bu为接收机（或用户）时钟偏倚。bu和用户位置都必须计算出来。BS为卫星时钟偏倚。BS和bu代表卫星时钟和接收机时钟相对GPS时间推进的时间值。卫星时钟偏倚模型为时间的二次函数，这一模型的参数由主控制站估测并上传到卫星。他们作为导航信息的一部分被发送42。I为电离层延迟。T为对流层延迟。M为多途径传播误差。我们将在1.1.4详细讨论I、T和M。N为整数模糊度。用户通常不了解，但必要时它可以用几种技术计算10,29。用载波相位进行精确关联定位实际上就是解决整数模糊度42。为载波波长。对L1来说，其波长L1=c/119cm。代表其他代码相位测量值误差。代表其他载波相位测量值误差。If c is the pseudorange obtained after accounting for the satellite clock offset and the other measurement erros, 若c为计算卫星时钟偏倚和其他测量值误差后得到的伪距，则等式（1-1）可以修正为伪距值，c：c= (1-3)其中第n颗卫星的位置（x(n),y(n),z(n)）是根据星历表计算的，用户的位置（x,y,z）是未知的。加上接收机时钟偏倚bu，等式（1-3）中共有4个未知数。假如在一个测量期间能够至少获得四个卫星发送的信号，那么这4个未知数就可以算出。We can sove these equations byfirst linearizing them at initial estimates, 我们在初步估计中可以通过线性化计算这些等式，然后用最小二乘法（如果有四个以上值，等式就会估计过度）得出相关性，最后用这些相关性估计结果42。这一过程可以重复进行，通常重复2-4次，估计的位置值会很快近似。1.1.4 误差来源Code and carrier phase measurements contain a variety of biases and errors, as indicated in Equations(1-1) and (1-2). 代码和载波相位测量值中存在各种偏倚和误差，如等式1-1和1-2中所示。这些误差削减了定位的精确度。图1-3所示为GPS主要的测量误差。基本上可以分为三类：卫星相关的误差、接收器相关的误差和传播媒介相关的误差42。图1-3 GPS测量误差来源卫星相关误差： 1. 卫星历表：卫星的真实位置和速度与控制部分估算的值不同。卫星历表数据误差产生约为1-2米的均方根测量误差。 2. 卫星时钟：GPS控制部分不能够纠正卫星时钟偏倚，其约为1-2米的均方根测量误差。传播媒介相关误差： 3. 对流层延迟：对流层为距海平面8-13km的大气层。对流程的干燥空气和水蒸气能够折射GPS信号。用大气模型可以估计流程延迟42。若不纠正误差，那么结果对于正上方的卫星到海平面的距离就会偏差2m。 4. 电离层延迟：电离层为距地表约50-1000km含有电离气体的大气层。电离层通过在载波相位测量过程中延迟代码相位的测量而影响GPS信号传播。从而在电离层误差成分I（等式1-1和1-2）中出现负号。除了这一代码-载波偏离性，电离层也具有分散性，例如：电离层延迟的量与信号频率成反比。根据卫星高度的不同，电离层延迟所产生的测量误差约为2-10m。GPS导航数据中包含电离层模型，大约可以消除一半延迟18。接收机相关误差： 5. 多途径：地面GPS天线的反射信号会干扰卫星的直射信号。由于现实中反射面的存在，因此难以避免多途径误差，使用限制多途径误差的天线并将它放置在远离强反射环境能够减少多途径误差48。多途径误差同时影响着代码和载波的相位值。在伪距测量中会产生1-5m误差。另一方面，仅有约1-5cm的载波相位测量误差是多途径误差。由于这个值很小没有单独列在等式(1-2)中，就包含多途径误差。 6. 接收机噪声：热噪声、多路存取干扰和信号量化噪声产生接收机误差42。用现代微处理器和芯片技术，GPS接收机产生的代码测量误差低于0.5m，而接收机噪音产生的载体相位测量误差仅为1-2mm。1.2 差分全球定位系统As noted before, the position accuracy of stand-alone SPS users is about 10m horizongtallyand 15m vertically. 如我们之前所关注的，独立准确定位功能用户的定位精度为水平向10m，垂直向15m。使用差分GPS（DGPS）可以达到更高的精度。图1-4 差分GPS构造图DGPS takes advantage of the fact that differential users in the same region have common measurement errors in general. DGPS充分利用同一地区用户的测量误差相同这一现实。如图1-4所示，用已知位置坐标的参考站计算测量的伪距与预期伪距的差，并通过通信链路发送差分的正确值给该区域用户。应用DGPS用户可以排除大多数伪距误差以获得更高的精度。表1-1总结了GPS中的误差和DGPS中的误差偏移42。在不同的模式中，假设用户与参考接收机的距离为几十千米，信号等待时间为几十秒。表1-1 GPS和DGPS的测量误差总览误差来源GPS的误差值DGPS的残差卫星时钟模型1-2m（均方根）0.0m卫星历表预测值1-2m（均方根）0.1m（均方根）对流层延迟海平面向天顶方向2m0.2m（均方根）加纬度影响电离层延迟2-10m向天顶方向0.2m（均方根）多途径代码：1-5m 载波：1-5cm两天线之间无相关性接收机噪音代码：0.5m（均方根）载波：1-2cm（均方根）两接收机之间无相关性Since the reference and user receivers are tracking signals from the same GPS satellite at the same time, 由于参考站接收机和用户接收机同时追踪同一全球定位卫星信号，卫星时钟误差在差分模式中几乎完全被消除，因而卫星历表误差也几乎能够消除。但要注意的是的差分历表残差会使拉大卫星到用户和卫星到参考站的视线间距。当用户距参考站100米时，距离残差小于0.05cm42。DGPS can also reduce the range error due to ionospheic and tropospheric effects. DGPS也能减少电离层和对流层产生的误差。显然，相应的残差取决于电离层和对流层的相关性。当参考接收机与用户接收机相隔甚远时，电离层和对流层在这两条途径上的传播延迟则相差很大。DGPS effectively mitigates satellite clock error,satellite ephemeris erroe, ionospheric delay,and tropospheric delay in its service coverage. DGPS在其覆盖范围内有效地削弱了卫星的时钟误差、历表误差、电离层延迟和对流层延迟。然而，参考站接收机和用户接收机的多途径误差和接收机噪音是无法校正的，因此DGPS也不能校正。相反地，DGPS用户的多途径误差和接收机噪音误差却增加了，是因为分别来自参考站和用户的两种误差在一起产生了叠加。1.3 局域扩增系统The U.S. Federal Aviantion Administration(FAA) is developing the Local Area Augmentation System(LAAS) to supprot air craft precision approaches. 美国联邦航空管理局（FAA）正在开发局域扩增系统（LAAS）以支持飞机精密进场。这一局域地面DGPS负责生成经差分校正的载波平滑码和接近目标航迹信息并发送给飞机用户81。同时它也负责探测局域扩增系统地面设施的空间和地面两部分的故障并发出警报。地面设施必须确保所有局域扩增系统校正后传播的测距数据都能安全使用。若发生故障威胁到用户的安全，地面设施一定会探测到并在报警时间内向用户发出警报。Figure1-5 describes how LAAS operates. 图1-5为局域扩增系统运行图。地面设施装有四个参考接收机（RR）、接收机天线、连接独立天线的冗余超高频数据传输器和局域扩增系统在机场设的仪器架79。地面设施对全球定位卫星信号进行跟踪、解码和监控，并进行差分校正。它也对产生的校正值进行完整性检验。之后，校正信息与适合的完整性参数和接近目标轨迹信息又地面发送器经冗余超高频数据传输器传给飞机用户。传送类GPS信号的尖晶石形滑石可有效应用在机场地面以改善卫星的几何位置。图1-5 局域扩增系统组成图（美国联邦航空管理局提供）局域扩增系统精密运行一类二类三类精确度m95%水平16.06.96.1垂直7.72.02.0完整性报警时间s322报警限制m水平：40垂直：10-15水平：17.3垂直：5.3水平：15.5垂直：5.3PHMI/进场210-7210-8210-9持续性故障率510-5/进场410-6/15秒10-7/最后15秒有效性0.99-0.999990.99-0.999990.99-0.99999表1-2 局域扩增系统精密进场条件The performance of all navigation systems, including LAAS,can be evaluated with respect to accuracy, integrity, continuity, and availability. 所有导航系统的运转，包括局域扩增系统，都可以用精确度、完整性、持续性和有效性来评估16,99。1. 精确度：衡量导航结果与真值的偏差。2. 完整性：系统不能导航时及时报警的能力。3. 持续性：导航系统在预定的持续运行时间内支持精确度和完整性需求的可能性。4. 有效性：系统在开始进场之前支持精确度、完整性和持续性需求的时间百分率。The currently suggested requirements for LAAS precision approaches are summarized in Table 1-2. 表1-2中总结了当前对局域扩增系统精密进场的要求16,19,81。PHMI是出现危险错误信号（HMI）的可能性。例如，如果危险错误信号导致出现用户垂直导航错误而超过垂直警报限10米，地面设施必会检测故障并在一类局域扩增系统精密进场的3秒警报时间（TTA）内警告用户。值得注意的是，二类和三类局域扩增系统对完整性和持续性的要求比一类更加严格。The FAA commenced the LAAS CAT I development phase in April 2003 and expects to have this system operational in 2006. 美国联邦航空管理局于2003年4月开始开发一类局域扩增系统，并预期于2006年运行。基于在研发二类和三类局域扩增系统所做出的努力，联邦航空管理局将在2005年初判断签订全面开发和生产协议的可行性78。1.4 完整性监控试验台1.4.1 功能The Stanford University Integrity Monitor Testbed(IMT) is a prototype of the LAAS Ground Facility(LGF) that is used to evaluate whether the LGF can meet the integrity requairements that apply to CAT I aircraft precision approach. 斯坦福大学的完整性监控试验台（IMT）是局域扩增系统地面设施的原型，用于评价地面设施是否能够满足应用于一类飞机精密进场的完整性要求33,48,49,64,67,89。完整性监控试验台使用一套广泛应用的监控算法以检测GPS空间、地面部分和地面设施本身可能出现的一系列故障。一些故障会触发不止一个监控算法，因此地面设施具有一种复杂的故障处理强制力，称为执行监控（EXM），它能够协调不同的完整性监控器并隔离故障。监控算法和执行监控将在第二章进行论述。1.4.2 硬件配置The LGF requaires redundant DGPS reference redeivers to be able to detect and exclude failures of individual receivers. 局域扩增系统地面设施需要差分全球定位系统参考接收机以便检测和排除个别接收机故障。图1-6所示为位于斯坦福HEPL实验室屋顶的三个完整性监控试验台天线。它们尽管受的屋顶空间限制，却彼此充分分隔以最大程度减小个体接收机的多途误差30。如今的完整性监控试验台天线使用了三个NovAtel OEM 4接收机，分别连接三个独立的GPS针轮天线。每个接收机能同时追踪多达12个卫星。一个信道就是指一个参考接收机追踪到的一个卫星。如图1-6描绘了一个信道（参考接收机2, 伪随机噪声7），或者简称信道（2, 7）。图1-6 完整性监控试验台天线构造图Each receiver samples GPS signals and provides receiver measurement packets Ts every seconds, 每个接收机采集定位信号，每Ts秒发出接收机测量值包，其中在现在的完整性监控试验中Ts=0.5 (1-4)也就是说，采样率等于每秒两次。这些定位测量值进入完整性监控试验台处理器进一步计算。The Stanford IMT is configured by software in such a way that it can be used either in real-time or in post-processing. 斯坦福完整性监控试验台配置了如此高端软件，从而能够用于实时检测或后处理。图1-7展示了它的机制。当1点关闭，GPS接收机测量值包直接进入完整性监控试验台处理器单元。这一过程适用于实时完整性监控试验台运行时。若2点关闭，测量值包就会存储到固定的存储器中。存储的数据包用于标定还是故障检测取决于关闭的是A点还是B点。这称为后处理完整性监控试验台的运行。一套固定数据包可以重复存储到存储器，这使得调试和检测更容易进行。图1-7 实时和后处理完整性监控试验台1.4.3 确证试验LGF verification testing can be divided into two components: nominal testing and testing with simulated failures. 地面设施确证试验分为两部分：标定试验和模拟故障试验。标定实验是为了检验完整性监控试验台是否产生错误警报而危及系统持续性。标定试验结果将在第二章进行大篇幅讲解。由于监控算法的复杂性，就更有必要用实例说明完整性监控试验台能够满足各种可能的故障状态下的特殊要求。若要对比新近设计的和现有的完整性监控器的故障检测表现，详见第四、五章。其他故障检测例子见28,33,34,89。图1-8 故障与故障结果To test the IMT response to failures, simulated errors are injected into the system. 为检测完整性监控试验台对故障的应答，向系统引进模拟故障。图1-8上端曲线为t1时间点发生的接线端故障。没有完整性监控，局域扩增系统用户的（VPE）就会在t1开始升高，最后在t3超过额定的垂直警报限（VAL），如中间曲线所示。若在既定的警报时间内故障未被检测到，用户没有得到警告，此接线故障就会引发。图1-8下端曲线显示了一个完整性监控检测的统计量。该统计量大小在t2超过了阈值，故障被检测到。继而用户将在垂直位置误差达到垂直警报限前被警告勿使用错误的测量值。此图举例说明了完整性监控功能用于防止用户接收危险错误信息。本文所讨论的是监控器的设计以检测各种故障。图1-9 两种故障检测方法Two methods are used to inject failures into the IMT, as illustrated in Figure 1-9. 将故障引入完整性监控试验台有两种方法，如图1-9。一种是编制一个WelNavigate 40信道的定位信号模拟程序来生成错误的射频信号注入完整性监控试验台。尽管如此，如图1-7中提到的，后处理完整性监控试验台还提供了另一种引入故障的方法。有一种程序可以更改标定状态下收集并存储的接收机测量值，从而引入故障，然后让完整性监控试验台后处理这些数据包。同时，也可以在完整性监控试验台处理过程中通过适当改变源代码直接引入故障。In this thesis, 在这一理论中，后处理完整性监控试验台用于对2003年3月10日24小时收集的标定定位数据集进行检测。1.5 前期工作The U.S. FAA has been developing the LAAS as the primary navigation system to support Category I, II, III aircraft precision approaches. 美国联邦航空管理局已在开发局域扩增系统，作为一代导航系统它将支持一类、二类和三类飞机精密进场。对局域扩增系统已有很多研究。恩格博士阐述了局域扩增系统的基础运行并将精密度、完整性和持续性联系起来16。In order to meet the stringent integrity rquirement shown in Table1-2, 为了满足表1-2所示的严格的完整性要求，局域扩增系统需要执行全套的完整性监控算法以广泛检测可能的故障。多数监控算法已编制出。例如，代码/载波完整性监控技术的开发见75。信号质量监控的调查是为了瞄准由全球定位卫星发送的变形C/A码1,61,82。人们还研究了几种为每个定位卫星确证历表和时钟数据的方法36,51。除了距离领域的完整性监控器，位置领域的完整性监控器也有研究27。Pullen博士、Pervan和他们的团队建立了初始局域扩增系统地面设施原型，被称为完整性监测试验台（IMT），并用于评价地面设备能否满足一类完整性要求。本研究就是以该试验台为依托。The ionosphere provides the most worrisome challenge to LAAS and the LAAS integrity algorithms. 电离层对局域扩增系统和局域扩增系统完整性算法来说是最大的令人烦恼的挑战。Christie在局域研究电离层对扩增系统结构的去相关效应中达到了统计学极限9。Datta-Barua报道了2000年4月6日从广域扩增系统（WAAS）超真数据中观测到的电离层异态12。之后Dehel根据从国际全球定位系统服务处（IGS）的独立数据确证了这一电离层异态。Luo 论述了电离层危害模型并估计了电离层对局域扩增系统的影响32。她的模型显示电离层斜度可能会导致垂直定位误差。关注这一论题主要是为了探索快速的电离层斜度检测方法。The divergence Cumulative Sum method is developed to quickly detect marginal ionospheic graients in this thesis. 偏移累计总数（CUSUM）法的研究就是为了快速检测该理论中的电离层边缘斜度。累计总数法创造于1954年50。已经广泛应用于连续的质量控制检测。Pullen用累计总数确证全球定位系统扩增系统的保护水平66。累计总数法也被Lee成功运用在地面设备的均值误差监控28。1.6 贡献Three major contributions are described in detail in the text of this thesis. 本文关于这一论题的详细论述做出了三大贡献。以下是对这三大贡献的简要概括。图1-10所示为它们的关系。第一大贡献是全面分析了现有的局域扩增系统监控程序组，暴露了他们的局限性。因此要将累计总数法加入监控程序组以加强对电离层斜度的检测，这是第二项贡献。根据全面分析结果，将特定的监控器检测统计量结合组成故障专用检测是第三项贡献，进而可以提高系统完整性。1.6.1 第一次对监控器程序组的全面分析In this thesis, a generic failure model, in which a step failure is injected into both the code and carrier measurements of a GPS receiver channel, is created. 本文创建了一个类故障模型，该模型将一个通用故障引入了一个接收机信道（一个信道指被接收机追踪到的一颗卫星）的代码和载波测量值。所有完整性监控器的向地面设施提交的故障应答均源于对这一通用测量值故障模型的分析。对模型的分析包括信道码阶段故障、信道相阶