GPS系统的关键性能分析（中、下）

+ 刘天雄

GPS系统的关键性能分析（中、下）

+ 刘天雄

第十五讲

3.3 GPS系统服务可用性

由于例行的导航卫星维护需求、导航卫星星座漂移以及用户测距误差URE特性变化等原因，服务可用性每天都会有小的变化。导致上述变化的原因有以下五个方面：

1) 高度遮蔽角（Elevation mask angle）高于此数值才认为卫星对地面可见；

2) 导航解的类型（四颗GPS卫星与视场所有可见卫星（all-in-view）两种类型）；

3) 从标称星座中剔除一颗和两颗正常工作的导航卫星后的对系统服务性的影响；

4) 卫星轨道位置相对名义轨道面规定的相位的变化；

5) 标准定位服务SPS空间信号SIS的用户测距误差URE的均方根值RMS；

3.3.1 不同高度遮蔽角对服务可用性的影响

GPS的可用性与用户接收机高度遮蔽角有关，遮蔽角的含义是GPS接收机能够看见卫星的水平面以上的仰角。降低高度遮蔽角，就能看到更多的卫星，因此可获得更高的可用性，但是遮蔽角较低时，一方面大气延迟误差和多径问题会比较突出，另一方面山脉和和城市摩天楼对导航信号产生遮挡，如上文图4所示。

不同的应用场景，接收机对高度遮蔽角的要求也不同。不同遮蔽角对服务可用性的影响如图9和图10所示，图中分别给出了利用四颗GPS卫星和所有视场可见卫星优化求解后的结果比对。

由图9和图10可知，在空间段导航卫星星座健康的前提条件下，遮蔽角的变化对全球服务可用性没有明显影响。遮蔽角大于5°之后，最坏情况地点的服务可用性将明显劣化。在标称导航星座的设计与分析中，即使高度遮蔽角大于10°，用户上空视场中少于四颗导航卫星的概率为零，即星座设计可以保证所有用户正常接收导航信号并由此解算其所在位置。

当从标称星座中剔除两颗正常工作的卫星后，用户上空视场中少于四颗导航卫星的地点的数量将随高度遮蔽角的增加而迅速攀升。但是，星座的几何裕度使得高度遮蔽角的变化没有对导航解算的结果造成显著的影响，四颗GPS卫星与视场所有可见卫星两种类型下的服务可用性基本一致。

3.3.2 卫星轨道变化对服务可用性的影响

在GPS系统卫星的标称轨道入轨点（nominal orbit insertion）和轨道长期保持（continuing orbit maintenance）设计中，规定每颗导航卫星的过赤道点地理精度GEC（Groundtrack Equatorial Crossing）及升交点地理精度LAN（Longitude of the Ascending Node）的容差范围为均为±2°。如果卫星升交点地理精度LAN的变化在规定的容差范围内，那么在卫星升交点地理精度LAN容差范围内的卫星轨道变化对全球服务可用性几乎没有影响。

3.3.3 卫星失效对服务可用性的影响

GPS卫星不可能总是完全健康地工作，一方面，卫星需要推出服务以进行必要的维护，称为计划内服务中

图9 不同遮蔽角对服务可用性的影响（视场所有可见卫星）

断，例如卫星的定期正常维护会造成服务中断，美国国防部将提前48小时通过美国海岸警卫队导航信息中心（Coast Guard Navigation Information Center）以及美国联邦航空管理局公告系统（NOTAM）通知GPS用户“系统服务不可用”。服务中断定义为空间段的导航卫星不能正常播发精密定位服务PPS空间信号SIS的时间范围。另一方面，导航卫星自身的异常还会导致系统不能正常提供服务以及系统临时维护造成的服务中断，例如卫星的元器件或部组件失效造成导航卫星不能正常工作，称为计划外服务中断，美国海岸警卫队和美国联邦航空管理局发现计划外服务中断后也将及时告知GPS用户。

图11 最坏情况精度因子DOP值（两颗卫星退出服务）

由此可知上述无论哪种服务中断必然都会对系统服务可用性造成影响，但仿真结果表明，一颗卫星的失效几乎不会影响整个系统的服务可用性。其主要原因是系统星座设计的目标之一就是一颗卫星退出星座服务时，对系统性能影响最小，因此仿真结果是合理的。

一颗卫星开展例行的正常维护，如果同时另一颗卫星发生了随机的失效，由此导致星座中两颗卫星不能提供服务（不能正常播发导航信号），在某些组合（两颗卫星同期失效）下，位置服务几何特性（Position service geometry）将会显著劣化，例如GPS导航卫星PRN11和卫星PRN25同时退出服务后，精度因子PDOP值将增加到12.4（精度因子PDOP可用性标准为：PDOP≤6），如图11所示，图中的横坐标为20个两颗卫星失效组合对，纵坐标为精度因子DOP值（95%），需要指出的是两颗卫星同期失效对系统的影响不是静态的，随着星座漂移会发生变化。

两颗卫星同期失效的276种组合中，对水平和垂直服务可用性的最坏情况影响如图12和13所示，结果从几乎没有影响到最坏地点垂直服务可用性降低9%，图中的横坐标为20个两颗卫星失效组合对，纵坐标为水平/垂直服务可用性。

图12 GPS系统水平服务可用性（两颗卫星退出服务）

比星座几何特性劣化对系统可用性影响更严重的是“DOP空穴（DOP holes）”，即精度因子DOP值过大或者用户视场中没有足够的卫星的时间段，以至于GPS接收机在此时间段内无法给出位置解算结果。在最坏情况下（包括两颗卫星退出服务），世界范围内有13%的地点，其用户视场中少于四颗卫星的时间将达到39分钟，上述分析结果是在5°遮蔽角条件下计算得到的，如果增大遮蔽角，将会进一步延长“DOP空穴）”时间段。

事实上，Walker24/6/2星座中卫星的可用时间仅为72%，而21颗或者以上卫星的工作时间预计至少为98%（GPS原理与应用（第二版）/（美）Kaplan, E. D等主编，寇艳红译, 北京，电子工业出版社，2007.7）。从星座中去掉几颗卫星时，GPS可用性在很大程度上取决于那几颗卫星（或者卫星组合）推出了服务。毋庸置疑的结论是随着从星座中去掉的卫星数量的增多，系统可用性一定将大幅度下降。

3.3.4 卫星空间信号SIS用户测距误差URE对服务可用性的影响

对于给定的Walker24/6/2星座，随星座用户测距误差URE性能变化，系统服务可用性将会发生显著的变化，特别是当星座几何特性劣化后，在最坏情况下将进一步影响系统服务可用性，如图14和15所示,图中横坐标为星座用户测距误差URE均方根值，纵坐标为水平/垂直服务可用性。

3.3.5 典型服务可用性特点

对于给定的Walker24/6/2星座，用户平均可以接收到8颗以上GPS导航卫星的信号；24小时内，用户视场内少于6颗GPS导航卫星的平均时间少于0.1%，如图16所示，图中横坐标为可视卫星的数量，纵坐标为24小时可视卫星的时间百分比，图16中左图为标称24颗卫星星座，右图为24颗卫星星座中有两颗失效后的最坏情况统计。

当整个星座范围内卫星可用性和用户测距误差UREs均在正常范围内时，系统服务可用性一般远远优于性能标准，例如2000年6月GPS标准定位服务SPS水平定位可用性如图17所示,其中全球水平定位服务可用性的门限为36m（95%），图17中横坐标为6月的每一天，纵坐标为水平定位服务可用性；相应SPS垂直定位可用性如图18所示,其中全球水平定位服务可用性的门限为77m（95%）。由图17和图18可知，全球及最坏地点两种情况下的服务可用性几乎接近100%。

图13 GPS系统垂直服务可用性（两颗卫星退出服务）

3.4 可用性相关讨论

3.4.1 GPS系统空间星座设计

图14 GPS系统水平服务可用性对用户测距误差URE的灵敏度（星座几何特性最坏情况）

近年来美军在阿富汗山区反恐作战和利比亚城市巷战经验表明，由士兵上空附近峻峭的山岭和城市大楼对导航卫星的遮挡，造成GPS系统每天有10个多小时完好性指标不满足使用要求。要实现GPS系统的可用性，最重要的要求是空间轨道上的导航卫星要有足够的数量。为了确定某一特定位置和规定时间的GPS系统可用性，首先必须确定可见卫星的数量以及这些卫星的空间几何布局，即合适的卫星数量及其与用户之间构成的几何精度因子GDOP值，如果用户视场内卫星低于四颗，那么意味着接收机没有办法解算出用户的位置（经度、维度、高程）。其次接收机必须能够接收到导航信号，这是无线电导航系统基于距离测量的位置估算的数学原理，所以卫星导航系统又称为到达时间（TOA）系统。

关于在轨导航卫星数量，Parkinson教授认为目前GPS系统24颗MEO轨道卫星组成的空间星座不能解决山区和城市大楼遮挡造成的完好性问题，Parkinson教授认为在略微增加在轨卫星数量，并给出第一个建议：未来卫星导航系统空间星座的结构应该为“由30颗卫星和3颗备份星构成的星座，简称30+3星座”，仿真计算结果表明，“30+3星座”是卫星导航系统PNT可用性曲线的拐点，能够极大提高GPS精度和系统的可用性。“30+3星座”可以大幅度改善卫星空间几何构型，同时有效降低山脉和和城市摩天楼对导航信号的遮挡效应，进而提高GPS系统PNT服务的可用性。关于接收信号能力，Parkinson教授建议用户接收机应能承受干扰源功率在1kW范围内任何干扰信号的影响。

图15 GPS系统垂直服务可用性对用户测距误差URE的灵敏度（星座几何特性最坏情况）

3.4.2 接收机抗干扰能力

关于如何提高接收机抗干扰能力，一般建议是研发抗干扰（jam-impervious）接收机，Parkinson教授指出早33年前（2012年的论文），GPS联合办公室在美国Wright Patterson空军基地就已开展了接收机抗干扰能力相关实验，实验结果表明，地面用户接收机具有100 dB的干信比（J/S）或者抗干扰（AJ/antijam）能力时，接收机足以耐受有效功率低于1kW的任何干扰，其中的关键技术之一是采用接收响应可控天线CRPA (controlled reception pattern antennas)设计，为了解决瞬时干扰问题，接收响应可控天线CRPA应该是波束可控的，例如采用调零天线技术，而非传统的固定方向天线（null steering）。由此，Parkinson教授给出了第二个建议：商业和军用GPS用户应该装备干信比（J/S）或者抗干扰（AJ）能力大于100 dB的接收机。

为了确保GPS系统的可用性，阻止敌方使用干扰机，Parkinson教授认为美国政府应该部署增强系统（augmentation systems），或者备份系统（backup systems）。对于近年来一些公司利用伪卫星（psuedolites）技术（地基GPS测距信号转发器技术）来增强PNT服务，特别是在战场高动态环境下，Parkinson教授对对伪卫星技术的增强能力表示表示怀疑，同时认为在系统可负担性（运行控制和地面支持系统的复杂性）以及定位精度方面也存在问题。

Parkinson教授认为目前美国联邦航空管理局（FAA）调查研究的地基无线电导航系统“距离测量系统DME（distance-measuring equipment）”、“战术区域导航系统TACANs（tactical area navigation systems）”的增强版本，以及具有大功率、低频点信号能力而成为最近业界研究亮点的的“远程导航增强系统eLoran（enhanced long-range navigation system）”，应该值得业界作为GPS系统的增强系统而深入研究。

图16 GPS系统卫星星座可视卫星数量分布统计

3.4.3 频谱威胁

目前美国联邦通信委员会FCC（Federal Communications Commission）特许的一些无线通信干扰仪正在日益威胁GPS系统的可用性，特别是那些在尚未充分使用的GPS卫星下行L频段导航信号附近开放给其它系统，将影响GPS系统的可用性。为了给全球数十亿用户提供优质PNT服务，GPS卫星下行导航信号的L频段内必须保证留有一定空白频段，确保GPS系统的L频段信号相邻频段相对“安静”。

其中最典型的事例是美国光平方公司（LIGHT SQUARED）对GPS系统的干扰, 光平方公司网络称为高速无线宽带网络，是经美国联邦通信委员会FCC批准、由光平方公司建设的天地融合新一代移动通信网络。该网络计划由2颗地球静止轨道通信卫星和数万个地面基站构成，以卫星移动通信为主，4G地面移动通信网络作为补充，传输容量高达千兆比特每秒，能覆盖目前地面网络设施无法到达的偏远地区，可在北美地区提供全面覆盖、高速可靠的话音和数据服务。光平方公司网络于2003年规划建设，2003年11月FCC批准光平方公司使用L频段1525～1559MHz作为下行通信频段，2010年11月发射了第一颗通信卫星。该频段与GPS系统播发的下行L频段1559～1610MHz导航信号频谱相邻，考虑到光平方公司网络的地面部分只作为卫星链路的备份，且其基站数量和发射功率收到严格限制，该频段最终获得批准。

图17 GPS标准定位服务SPS水平可用性（2000年6月）

为了提高地面网络性能和吸引更多用户，2010年11月18日，光平方公司向FCC递交修改授权许可申请，要求放宽基站发射功率的限制，以便光平方公司网络能够使用仅支持地面4G网路的单模移动终端，这样单模终端不需要安装卫星天线，由此吸引更多的用户，2010年11月26日，FCC批准初步考虑批准光平方公司的申请。光平方公司提高基站发射功率，将会给相邻频段的GPS卫星导航信号造成严重干扰，引发了GPS业界的高度警觉和不满。大量测试结果表明，光平方公司新一代移动通信网络对GPS接收机造成严重干扰，包括后期光平方公司提出的GPS接收机采用“锐截止滤波器”和“设置保护带宽”的抗干扰方案。特别是美国航空无线电技术委员会测试结果表明，工作在1550.2～1555.2MHz的光平方公司地面网络，可导致600m高空的航空GPS接收机丧失功能。美国国家天基PNT执行委员会组织的测试评估结果表明，高精度GPS接收机在距离光平方公司地面网络基站6～7km时就无法正常工作。此后美国军方介入，美国空军航天司令部在国会上指责光平方公司地面网络会导致美军大量武器装备降低或者丧失作战能力。最终美国国会要求光平方公司暂停地面网络建设。2012年2月14日，美国联邦通信委员会FCC表示无限期暂停光平方公司ATC（辅助地面设施）服务授权。

图18 GPS标准定位服务SPS垂直可用性（2000年6月）

Parkinson教授在文章中撰文指出，美国联邦通信委员会FCC试验性地批准了光平方公司在GPS卫星下行导航信号L频段附近开展大功率、地基通信转发器开展通信业务，该频段信号资源曾被保留为通信卫星使用，包括用于GPS系统差分修正业务。不同技术领域开展的实验结果表明，上述大功率、地基通信转发器对GPS军用接收机、航空接收机以及商业接收机，也包括那些用于诸如精准农业等精密定位用途的接收机，产生直接而且是毁灭性的打击。幸运的是，上述威胁至少暂时被推迟了。很多人都在询问为什么GPS系统如此脆弱以至于在其卫星播发的信号频谱附近都不能有大功率通信转发器信号？不幸的是，那些提出使用15 kW 通信转发器或干扰机申请的公司并不是我们的敌人，我们不能将其轰炸掉！如果是敌方开展如此大功率的干扰，那么就不会是这么幸运了！

由此，Parkinson教授给出了第三个建议：美国联邦政府，特别是美国联邦通信委员会（FCC），要维持GPS系统卫星信号频段附近的频谱相对空白，以避免对GPS信号产生干扰。

TIPS: 光平方公司网路对GPS信号的干扰事件，是近年来卫星导航领域最为瞩目的大事件，折射出卫星导航系统的固有脆弱性以及与其它系统的矛盾冲突等重大问题。

GPS信号功率极其微弱，淹没在背景噪声之下，这是军事保密的要求，也是降低卫星有效载荷设计难度的要求，这使得GPS接收机很容易受到有意或者无意的电磁干扰，从而导致GPS接收机接收、捕获及跟踪GPS导航定位信号的十分困难！

举个例子来说明GPS信号极其微弱的微弱程度吧，GPS民用用户接收到L1频段的信号功率为-128dBmW，而我们日常使用联通手机信号功率则为-104dBmW，也就是说GPS用户接受到的信号强度大约只有手机信号的1/251。同我们日常生活常用的100W白炽灯功率相比，100W白炽灯功率是GPS信号功率的10E18倍。战时对于敌方GPS信号干扰机的管制，美国政府的唯一措施是发现并摧毁。