GPS的可用性与完善性的研究

王海斌　丁发军　钱伟

摘 要：本文从GPS的组成和工作原理出发，较为详细介绍了GPS的性能及优缺点。通过对GPS可用性与完善性的研究，提出了全球定位系统的限度。并针对GPS可用性差这一使用限度，提出了采用组合导航系统等三种解决途径和办法。最后对现阶段GPS的选择上进行了总结。

关键词：全球定位系统 可用性 完善性 差分GPS

中图分类号：V243 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0008-02

全球定位系统（GPS：Global Positioning System）是美国国防部研制的一种以空间卫星为基础的无线电导航与定位系统。GPS卫星轨道的高度约20000公里，属于中高轨道卫星[1]。GPS能够实现三维导航和精确测时，对于用户数量不受限制，民用用户价格又低廉，抗干扰性又强。但GPS作为一种独立的导航系统，尚有不足，有待进一步改进和完善。该文将重点从GPS的可用性及完善性进行求证和论述。

1 全球定位系统的组成

全球定位系统由空间卫星、用户和地面站组组成。其中，空间部分包括：全球定位系统的空间在轨卫星共24颗（留有1-4颗有源在轨备用卫星），分布在6个等间隔圆轨道上，每条轨遭上有4颗卫星。卫星上装有高稳定度的震荡器、双频导航发射机、发射天线、存储器和处理器等。地面控制站组包括：一个主控站、五个监测站和三个注入站[2]。

2 全球定位系统的能力和限度

2.1 全球定位系统的能力

（1）GPS具有全球性、全高度、全天候、连续导航的能力，提供实时的三维空间定位和授时的能力；

（2）GPS为连续输出，更新率高（一般为每秒一次），适用于如飞机等高动态移动用户的定位；

（3）GPS定位精度高，民用C/A码的水平精度为100米（91%），适合于航路、终端区和非精密进近等许多飞行阶段，利用差分技术后可以实现Ⅰ类、Ⅱ/Ⅲ类精密进近（由于垂直精度不够，较难达到）。

2.2 全球定位系统的限度

（1）GPS的完好性监测和报警能力不足，对卫星的一些软故障，在长达45-90分钟的时间才能发出故障状态信息；

（2）连续性服务不足，某些地方有时将出现少于四颗星的漏洞现象[3-4]。

3 解决可用性差的途径与办法

造成GPS可用性不好的原因有 ：由于卫星数目有限，限制了它的可用性。另外，为了把GPS卫星的升交点精度偏差从2度减少到1度，每年需对每颗卫星进行一次位置保持调整，每次调整都需要卫星停止工作三天。这样对整个GPS星座，每年约有20%的时间，至少有一颗卫星不能工作。针对上述分析，提出解决措施如下。

3.1 实施GPS/GLONASS全球卫星导航

若将具有的24颗卫星的俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS）与GPS联合使用，则可以解决由于卫星数目有限所造成的可用性差的弊端，每天24小时都能得到连续的可用性。

由于GLONASS系统的工作频率，调制方式，带宽及码速率与GPS都不尽相，所以第一步急需解决通用组合接受机。一旦使用证明了其定位精度，可靠性，完善性完全满足要求的话，第二步就由ICAO的FANS委员会制定这项国际标准。

3.2 采用组合导航系统

组合导航系统也可以很好解决这一问题，可以充分发挥组合双方的优点。GPS的组合设备很多，有：GPS/INS，GPS/NNSS和GPS/Loran-C等。现在用的最多的是GPS/INS和GPS/Loran-C，前者因为惯导（INS）是自主导航设备，使用起来方便可靠，所以应用十分广泛；而GPS/Loran-C的组合在已经覆盖的国家则是一种很好的方案。组合有分离式和组合式两种，如图1所示。

3.3 改变GPS卫星的高度

为把GPS卫星升交点精度偏差减小到1度，每年需要对每颗卫星进行一次位置保持调整，从而降低了GPS可可用性和覆盖性。但是将卫星轨道提高后，就可以将其升焦点精度偏差减小到1度以下，就不必每年岁卫星进行保持位置的调整，而改为7年一次。因此就把GPS的可用性提高可7倍，也扩大了它的覆盖范围。

GPS卫星的可见范围Q=2COS ，式中R为地球半径，h为卫星至地面的高度，卫星高度改变后，其Q可能增加0.2度，卫星围绕地球运行周期约增加2min。由此可见，卫星高度增加后，覆盖范围有所改善，而对运行周期影响很小，显而易见，利用增加卫星高度的办法解决GPS的可用性是一种有效的措施。

4 结语

由此可见，GPS确实为现阶段所使用的导航定位系统中最可用最完善的一种，但是这种可用和完善只是相对其他导航定位系统来说的。随着用户要求的不断提高，GPS是远远满足不了需要的。较好的解决办法是。

（1）在现阶段，采用组合导航的方式（如：GPS/GLONASS）来克服GPS导航定位中的不足，发挥组合双方的优点，来解决GPS的可用性问题。

（2）着眼于未来，对GPS的差分原理进行更深入细致的研究，大力发展我国自行研制的第一代卫星导航系统-北斗导航系统。

参考文献

[1] 徐肖豪，杨传森，刘瑞华.GNSS用户端自主完好性监测研究综述[J].航空学报，2013，34（3）：451-463.

[2] 刘准，陈哲.GPS自主式完整性检测技术研究[J].北京航空航天大学学报，2003，29（8）：674-677.

[3] 孟领坡，吴杰，袁义双.飞机着陆引导系统对机场净空要求的影响分析[J].武汉大学学报：信息科学版，2011，36（3）：271-275.

[4] 陈小平，滕云龙.接收机自主完好性监测算法研究[J].电子科技大学学报，2008，37（2）：218-230.