3sNews訊 一直以來，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要是為全球海陸空以及近地空間的各種軍、民用戶全天候、連續(xù)地提供高精度位置、速度和時間信息。目前應(yīng)用最廣泛的兩個導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是美國的GPS和俄羅斯的GLONASS(盡管GLONASS目前還不是一個完整的系統(tǒng))?，F(xiàn)在，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)已被公認(rèn)為是現(xiàn)代運(yùn)輸、能源和通訊基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。然而，它卻很容易在系統(tǒng)、信號和服務(wù)等方面出現(xiàn)漏洞或者故障，這些都可能會降低系統(tǒng)性能，從而嚴(yán)重影響服務(wù)質(zhì)量。

　　隨著人們對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)依賴性的增強(qiáng)，一些分析其性能缺陷對安全、保密和商業(yè)方面造成影響的研究也不斷出現(xiàn)，最著名的當(dāng)屬美國的沃爾皮報告(Volpe Report)和英國的OFCOM研究。OFCOM研究調(diào)查了GPS信號失靈對英國商業(yè)和家庭服務(wù)的影響力，這項研究著重強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)活動對GPS的依賴性逐漸增強(qiáng)，建議“發(fā)展一個長效、穩(wěn)定的GPS信號信息通報機(jī)制。”

　　但是面對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)可能出現(xiàn)的漏洞和故障，怎樣才能避免或減少其發(fā)生呢?這些都將通過對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)、定位質(zhì)量的監(jiān)測來體現(xiàn)。

　　GNSS不同類型的漏洞和問題

　　全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是基于對衛(wèi)星信號時間編碼的接收和處理來實現(xiàn)定位的。然而，GNSS定位是一個非常復(fù)雜的過程，很容易受到外界及自身錯誤的干擾。在各個階段，系統(tǒng)都存在著潛在的漏洞和問題，從信息生成、上行鏈路至衛(wèi)星到信號傳輸，再到接收器接收并處理信息都是如此。

　　右表為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)潛在漏洞和問題類型概述，包括系統(tǒng)誤差和導(dǎo)航誤差。系統(tǒng)誤差是指那些由GNSS地面和空間系統(tǒng)產(chǎn)生的問題，取決于衛(wèi)星信號傳輸?shù)攸c;導(dǎo)航誤差則是因環(huán)境影響或者接收器失靈引起的。

　　系統(tǒng)誤差

　　●衛(wèi)星星歷誤差

　　●衛(wèi)星鐘差

　　●SA干擾誤差

　　●硬件漂移誤差

　　●頻率間偏置

　　●軌道運(yùn)行偏差

　　●信號格式異常

　　●狀態(tài)信息異常

　　●參照坐標(biāo)誤差

　　導(dǎo)航誤差

　　●多路徑效應(yīng)

　　●偽距和載波相位

　　●頻率偏差

　　●電離層折射誤差

　　●電離層校正誤差

　　●對流層折射誤差

　　●信號接收誤差

　　●導(dǎo)航信息讀取誤差

　　●接收器計算錯誤誤差

　　遺憾的是，現(xiàn)有系統(tǒng)(如GPS)并不具有精良的監(jiān)測能力，因此系統(tǒng)問題可能會不斷積累而且很難察覺。

　　比如衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星時鐘與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的差別，GPS衛(wèi)星鐘差可造成數(shù)千米的誤差。信號調(diào)制誤差會導(dǎo)致衛(wèi)星信號失真，觀測到的垂直導(dǎo)航系統(tǒng)誤差在2到8米之間。由不正確的衛(wèi)星軌道模型引起的誤差會導(dǎo)致衛(wèi)星廣播坐標(biāo)出現(xiàn)偏差。該誤差還會導(dǎo)致測距誤差在大約兩周的時間里逐步累積，測距誤差可能會高達(dá)40米。

　　一些未知的軌道調(diào)整也會影響定位的精度。在太陽風(fēng)暴期，電離層閃爍會使航天器進(jìn)入探測模式，而此時航天器將會偏離其正常軌道。

　　對漏洞和問題的預(yù)防

　　基礎(chǔ)設(shè)施的更新、數(shù)學(xué)算法的引入等方法可以防止故障的發(fā)生，比如差分系統(tǒng)會對比GNSS觀測數(shù)據(jù)，如果與預(yù)期或已知值出現(xiàn)偏差，就表明存在測量或者位置誤差。在廣域差分系統(tǒng)中，誤差被分解到衛(wèi)星軌道、時鐘和大氣等方面。

　　歐洲對地靜止導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)(EGNOS)等系統(tǒng)已經(jīng)取得了一些不錯成果，EGNOS由歐空局全面負(fù)責(zé)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計和工程建設(shè)，覆蓋整個歐洲大陸。在為用戶提供誤差改正信息的同時，該系統(tǒng)還會在特定應(yīng)用程序引起系統(tǒng)錯誤的時候發(fā)出警告。

　　最有名的數(shù)學(xué)處理方法當(dāng)屬接收器自主完整性監(jiān)測(RAIM)算法，它利用接收機(jī)自身多余的觀測值來監(jiān)測用戶定位結(jié)果的完備性，并對衛(wèi)星故障進(jìn)行一致性檢測和識別。其目的是在導(dǎo)航過程中檢測出發(fā)生故障的衛(wèi)星，并保障導(dǎo)航定位精度。RAIM的核心內(nèi)容是粗差的探測和定位。

　　目前利用GPS信號進(jìn)行檢測的RAIM算法分為3種：距離比較法、奇偶矢量法和最小二乘殘差法。3 種算法都要求可見衛(wèi)星數(shù)在5 顆以上才可進(jìn)行GPS 完整性檢測;6顆以上才可能辨識出故障衛(wèi)星。

GNSS性能監(jiān)測可以預(yù)防一些漏洞和問題（3sNews配圖）

　　監(jiān)控全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的性能

　　然而，在現(xiàn)今的大多數(shù)GNSS應(yīng)用程序中，信號有效性、信號調(diào)節(jié)能力、執(zhí)行增強(qiáng)算法等技術(shù)都還不完備。不過已經(jīng)有越來越多的公司和組織注意到GNSS信號穩(wěn)定的重要性，并采取了很多的舉措來進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)。

　　NSL是一家英國衛(wèi)星導(dǎo)航公司，專門為各種應(yīng)用程序提供可靠而完善的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)。為了解決這個問題，NSL公司已經(jīng)開始通過使用一種名為GNSS信號監(jiān)測臺(GISMO)的顯示工具。GISMO可為任何特定應(yīng)用程序提供GNSS定位和定時的全面分析。該軟件套件可與任意提供雙頻解碼和載波數(shù)據(jù)的GNSS網(wǎng)絡(luò)同時運(yùn)行。

　　通過監(jiān)測與預(yù)報的結(jié)合，GISMO還可以識別GNSS中可以預(yù)見的影響服務(wù)可用性和準(zhǔn)確性的故障，以及不可預(yù)見的可能影響服務(wù)連續(xù)性的故障。GISMO生成的圖像和說明性結(jié)果可以實現(xiàn)在線顯示，也可以生成周期性報告。該系統(tǒng)可提供衛(wèi)星可用性、準(zhǔn)確性和完整性、信號接收和信號質(zhì)量統(tǒng)計、識別故障和問題、已發(fā)布的導(dǎo)航星用戶通告咨詢(NANU)記錄、衛(wèi)星測距誤差分析、站點誤差分析與建模等監(jiān)測服務(wù)。

　　GISMO數(shù)據(jù)分析工具可以從GNSS衛(wèi)星所有記錄信號中把錯誤鎖定在一定范圍內(nèi)，并提供每一個監(jiān)測站的定位錯誤、完善性以及精度保障。利用先進(jìn)算法和模型將誤差可以分為衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星多路徑效應(yīng)、星歷誤差、電離層折射誤差等，這些誤差可以用來確定每個監(jiān)測站的定位誤差，它們可能會因差分GNSS接收器的改變而發(fā)生變化。例如對有些GNSS接收器來說，定位引擎會通過標(biāo)準(zhǔn)算法來模擬并消除電離層和對流層的折射誤差;與此同時，有些接收器則不會使用大氣模型，而是通過完善定位技術(shù)來提高定位精度。GISMO 是一種商業(yè)服務(wù)，可根據(jù)特定用戶的需求為其量身定制，如接收器使用類型、網(wǎng)絡(luò)分布和輸出類型需求等，還包括季度報告和不間斷的網(wǎng)絡(luò)托管服務(wù)。

　　GPS的未來?

　　下圖是GNSS Assurance網(wǎng)站的一幅截圖。圖中的分析結(jié)果包括定位誤差、RAIM完整性、以及GNSS接收器輸出的其它記錄等(如可見衛(wèi)星信息、水平精度因子)。網(wǎng)站提供了對GNSS質(zhì)量非常具體的描述信息，并列舉每日統(tǒng)計量和當(dāng)前性能。

GNSS Assurance網(wǎng)站上面的分析結(jié)果（3sNews配圖）

　　目前，GNSS正在進(jìn)入一個劇烈變動的時期，它將影響到相關(guān)的應(yīng)用程序和用戶。多年來，GPS和GLONASS是僅有的兩個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。不過，隨著新的全球和區(qū)域系統(tǒng)、增值服務(wù)和試驗衛(wèi)星的出現(xiàn)，這一局面很快就會被打破。此外，隨著GPS第三階段計劃以及GLONASS M和K計劃的實施，GPS和GLONASS都將進(jìn)入其自己的高級發(fā)展階段。

　　在未來5到10年里，伽利略系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)將會實現(xiàn)全面運(yùn)作，并與GPS和GLONASS一起通過現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)和創(chuàng)新服務(wù)來傳播新信號。就區(qū)域級系統(tǒng)而言，印度和日本都正在加快各自導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)計劃的實施，分別為印度區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)(IRNSS)和準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)，其中，QZSS已進(jìn)入集成和測試階段。

　　同時，IRNSS和 QZSS都將提供新的信號和服務(wù)。加上這些系統(tǒng)，軌道上同時可能會有120顆導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行，也就是說在任一時刻用戶都有大約40顆可用衛(wèi)星，以及至少兩個頻率的信號。

　　顯然，這將提高定位精度和衛(wèi)星的可用性。依賴于環(huán)境和接收器的復(fù)雜性，系統(tǒng)將能夠執(zhí)行厘米級的實時定位，或在許多因信號堵塞而無法定位的地方達(dá)到米級的定位精度。

　　NSL公司認(rèn)為，隨著政府對GNSS依賴性的增強(qiáng)，像GISMO這樣的監(jiān)測工具的重要性將會進(jìn)一步提高。例如在英國，GNSS已經(jīng)被考慮用于民用航空、精密導(dǎo)航、列車控制、道路收費(fèi)、犯罪追蹤和危險貨物監(jiān)控等。(編譯 劉麗)