11全球定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)系統(tǒng)概述TheGlobalPositioningSystem(GPS)isasatellite-basedradiosystemfundedandoperatedbytheUnitedStatesDepartmentofDefense.全球定位系統(tǒng)〔GPS〕是一種基于衛(wèi)星射頻導航的系統(tǒng)，由美國國防部研制。它幾乎供給了地球上任何地方、任何時間和任何天氣狀況下的即時位置、速度和時間〔PVT〕信息。這一系統(tǒng)起初是為美國軍隊設計的，而今日卻掩蓋了全球兩千萬用戶[15]。GPSofferstwokindsofservice:thePrecisePositioningService(PPS)andtheStandardPositioningService(SPS).全球定位系統(tǒng)有兩大功能：準確定位功能〔PPS〕和標準定位功能〔SPS〕[42]。準確定位功能包含一種“防篡改”特性，用戶只有經美國國防部授權獲得密鑰202352日解除，它是用于降低標準定位信號的。沒有了優(yōu)先利用性，獨立用戶一般估測位置可以準確10米、100納秒[15]。GPSiscomprisedofthreemaincomponents:全球定位系統(tǒng)由三個局部組成：2023012小時，沿接近環(huán)形的地球軌道運行的24顆衛(wèi)星組成。每顆衛(wèi)星沿著同一軌跡，每兩條軌道都要經過同一地面固定點。這些空間飛行器〔SV〕安置在六個軌道平面上，每條軌道有四個主衛(wèi)星A。每顆衛(wèi)星都放射加了時間標記的測距信號和導航數據。掌握局部：全球定位系統(tǒng)由GPS聯合規(guī)劃辦公室運行掌握部監(jiān)控和操縱。共有5個號傳到主掌握站MC。衛(wèi)星通過S波段射頻從一條專用的地面天線每天至少上傳一次星歷表和時鐘參數，位于科羅拉多斯普林斯的主掌握站對歷表和參數進展計算。用戶局部：全球定位系統(tǒng)接收機對衛(wèi)星信號進展追蹤和解碼。它依據星歷表估量衛(wèi)星〔三維空間的三邊測量〕推斷自身的位置。準確計時是測量衛(wèi)星距離的關鍵，衛(wèi)星上的電子鐘幾乎是有了距離測量儀，接收器不僅可以測算其自身位置，還能消退時鐘偏倚。信號EachGPSsatellitetransmitssignalsontwoL-bandfrequencies: ?Ｌ1at1227.60MHz. L波段頻率發(fā)送信號：?

at1575.42MHzand?Ｌ2 Ｌ1 Ｌ2為1227.60MHz[42]1-1的第一個波形為載波?1波段[15,22]。第三波段L51176.45MHz。Eachsatellitetransmitstwodifferentrangingcodes: 每顆衛(wèi)星都發(fā)送兩種不同的測距碼：L1相位的粗略/接收〔C/A〕的偽隨機噪聲〔PRN〕碼，一個是調制載波L1L2相位的準確〔加密〕[P(Y)]碼[42]。C/A1023比特〔或碼片〕重復一1.023Mcps1-1的其次個波形為C/A碼的一局部。P(Y)碼是很〔1014碼片PRNPRNGPS能夠測距。尤其是每個碼的自相關性能只有一個主峰，這有助于GPS接收機獵取定位信號。主峰的斜PRN碼之間缺乏相關性使得在同一頻率的衛(wèi)星可以同時發(fā)送信號而不相互干擾。BothGPSfrequenciesarealsomodulatedbybinarynavigationmessagestransmittedatarateof50bitspersecond(bps).GPS50bps的二進制導航信息調制[42]1-1300狀況、星歷表、時鐘偏倚參數和天文歷書。歷表數據描述了航天器目前的軌跡。年歷描述A具體描述了導航信息的內容。1-1全球定位系統(tǒng)信號構造圖Thestructureofthesethreesignalcomponents,i.e.,carriers,rangingcodes,andnavigationdata,isdiagrammedinFigure1-1.1-1[42]。2加法將一個碼和一條信息組合，再合成二進制信號，用二進制相移鍵控〔BPSK〕調制載波。由于單位“米”與“秒”的差異僅僅是相當于真空中光速〔3×108m/s〕的一個換算系數，為了便利，通常把“米”與“秒”互換。測量方法和位置的估算GPSreceiverstracksatellites,decodenavigationmessages,andproducecodeandcarrierphasemeasurementsforPVTdetermination.GPS接收機追蹤衛(wèi)星，解碼導航信息，并為測定即時位置、速度和時間而產生代碼、測量載波相。TheGPSsignalacquisitionprocessconsistsofasearchforbothPRNcodeshiftandlocalcarrierfrequencyoffset.全球定位系統(tǒng)信號的獵取包括搜尋PRN碼轉換和本地載波頻率偏移。當接收機“嗅”到一個信號，他會用延遲鎖定回路〔DLL〕連續(xù)追蹤信號，用相位鎖定回路〔PLL〕追蹤相位[5,42]。1-2延遲鎖定回路Figure1-2showstheDLLstructure.1-2所示為延遲鎖定回路構造[42]。它與所接收到〔1-2ZE

ZL代碼，這樣鑒頻器信息才能歸零[5]。信息接收時間差由接收機的時鐘確定，而“標記”在ρ速放大了。由于接收機時鐘與衛(wèi)星時鐘不同步，因此從衛(wèi)星到接收器的時間差不是真實值。HavingremovedthePRNcode fromthesignal,theGPSreceivercontinuesphasetrackingwithaphaselockloop.GPSPRN碼后，連續(xù)用相位鎖定回路追蹤相位。導航數據就會快速被提取。載波相位的測量值(ф)是接收機產生的載波與衛(wèi)星發(fā)送的載波的相位差。接收機能計算出局部循環(huán)，但不能計算衛(wèi)星與接收機全循環(huán)的數量。衛(wèi)星與接收機之間的距離等于與未知的全循環(huán)數量和測得的分段循環(huán)數之和。這一未知的全循環(huán)數稱為“ф的誤差是多普勒值，可用于確定接收機的速率。代碼與載波相位測量值可建模如下[42]：ερ=r+c(b-BS)+I+T+M+εu ρ

(1-1)ф=r+c(bu

-BS)-I+T+Nλ+εф

(1-2)·ρ為測定的代碼相位值或偽距?！ぇ鏋闇y定的載波相位值。·b為接收機〔或用戶〕時鐘偏倚。b和用戶位置都必需計算出來。u ubGPS時間推動的時間值。衛(wèi)星時鐘偏倚模u送[42]。·I為電離層延遲。·T為對流層延遲?！1.1.4I、TM。·N為整數模糊度。用戶通常不了解，但必要時它可以用幾種技術計算[10,29]。用載波相位進展準確關聯定位實際上就是解決整數模糊度[42]。

≈19cm。L1 Ｌ1·ερ代表其他代碼相位測量值誤差?！う糯砥渌d波相位測量值誤差。Ifρc

isthepseudorangeobtainedafteraccountingforthesatelliteclockoffsetandtheothermeasurementerros,ρc

〔1-1〕可以修正為偽距值，ρ：c(x(n)x(x(n)x)2(y(n)y)2(z(n)z)2c u=

cb (1-3)un顆衛(wèi)星的位置〔x(n),y(n),z(n)〕是依據星歷表計算的，用戶的位置〔x,y,z〕是未知的。bu

，等式〔1-3〕中共有4個未知數。假設在一個測量期間能夠至少獲得四個衛(wèi)星發(fā)送的信號，那么這4個未知數就可以算出。Wecansovetheseequationsbyfirstlinearizingthematinitialestimates, 我們在初步估量中〔〕得出相關性，最終用這些相關性估量結果[42]2-4次，估量的位置值會很快近似。誤差來源1-3GPS測量誤差來源Codeandcarrierphasemeasurementscontainavarietyofbiasesanderrors,asindicatedinEquations(1-1)and(1-2).1-11-2中所示。這些誤差削減了定位的準確度。圖1-31-3GPS測量誤差來源·衛(wèi)星相關誤差： 1-2米的均方根測量誤差。：GPS1-2米的均方根測量誤差?！鞑ッ浇橄嚓P誤差：8-13kmGPS信號。用大氣模型可以估量流程延遲[42]。假設不訂正誤差，那么結果對于正上方的衛(wèi)星到海平面的距離就會2m。：電離層為距地表約50-1000km含有電離氣體的大氣層。電離層通過在載波相位測量過程中延遲代碼相位的測量而影響GPS信號傳播。從而在電離層誤差成分I〔等式1-1和1-2〕中消滅2-10m。GPS導航數據中包含電離層模型，大約可以消退一半延遲[18]。·接收機相關誤差：GPS多途徑誤差，使用限制多途徑誤差的天線并將它放置在遠離強反射環(huán)境能夠削減多途徑誤差[48]。1-5m1-5cmф(1-2)就包含多途徑誤差。ф[42]。用現代微處理器和芯片技術，GPS接收機產生的代碼測量誤差低于0.5m，而接收機噪音產生的載體相位測量誤差僅為1-2mm。差分全球定位系統(tǒng)Asnotedbefore,thepositionaccuracyofstand-aloneSPSusersisabout10mhorizongtallyand15mvertically.10m15m。使用差分GPS〔DGPS〕可以到達更高的精度。1-4GPS構造圖DGPStakesadvantageofthefactthatdifferentialusersinthesameregionhavecommonmeasurementerrorsingeneral.DGPS充分利用同一地區(qū)用戶的測量誤差一樣這一現實。如圖1-4所示，用位置坐標的參考站計算測量的偽距與預期偽距的差，并通過通信鏈路發(fā)送差分的正確值給該區(qū)域用戶。應用DGPS用戶可以排解大多數偽距誤差以獲得更高的精度。1-1總結了GPSDGPS中的誤差偏移[42]。在不同的模式中，假設用戶與參考接收機的距離為幾十千米，信號等待時間為幾十秒。1-1GPSDGPS的測量誤差總覽誤差來源衛(wèi)星時鐘模型多途徑接收機噪音

GPS的誤差值〕〕2-10m向天頂方向代碼：1-5m 代碼：0.5m〔均方根〕

DGPS的殘差0.0mm〔均方根〕m〔均方根〕加緯度影響0.2m〔均方根〕兩天線之間無相關性SincethereferenceanduserreceiversaretrackingsignalsfromthesameGPSsatelliteatthesametime,1000.05cm[42]。DGPScanalsoreducetherangeerrorduetoionospheicandtroposphericeffects.DGPS也能削減電離層和對流層產生的誤差。明顯，相應的殘差取決于電離層和對流層的相關性。當參考接收機與用戶接收機相隔甚遠時，電離層和對流層在這兩條途徑上的傳播延遲則相差很大。DGPSeffectivelymitigatessatelliteclockerror,satelliteephemeriserroe,ionosphericdelay,andtroposphericdelayinitsservicecoverage.DGPS在其掩蓋范圍內有效地減弱了衛(wèi)星的時鐘誤差、歷表誤差、電離層延遲和對流層延遲。然而，參考站接收機和用戶接收機的多途徑誤差和接收機噪音是無法校正的，因此DGPS也不能校正。相反地，DGPS用戶的多途疊加。局域擴增系統(tǒng)TheU.S.FederalAviantionAdministration(FAA)isdevelopingtheLocalAreaAugmentationSystem(LAAS)tosupprotaircraftprecisionapproaches.美國聯邦航空治理局〔FAA〕正在開發(fā)局域擴增系統(tǒng)〔LAAS〕以支持飛機周密進場。這一局域地面DGPS負責生成經差分校正的載波平滑碼和接近目標航跡信息并發(fā)送給飛機用戶[81]。同時它也負責探測局域擴增系統(tǒng)在報警時間內向用戶發(fā)出警報。Figure1-5describeshowLAASoperates.1-5個參考接收機R在機場設的儀器架[79]。地面設施對全球定位衛(wèi)星信號進展跟蹤、解碼和監(jiān)控，并進展差分校正。它也對產生的校正值進展完整性檢驗。之后，校正信息與適合的完整性參數和接近目標軌跡信息又地面發(fā)送器經冗余超高頻數據傳輸器傳給飛機用戶。傳送類GPS信號的尖晶石形滑石可有效應用在機場地面以改善衛(wèi)星的幾何位置。1-5局域擴增系統(tǒng)組成圖〔美國聯邦航空治理局供給〕局域擴增系統(tǒng)周密運行一類二類三類準確度[m] 水平16.06.96.195% 垂直7.72.02.0報警時間[s]322完整性 報警限制[m]4010-15水平：15.5垂直：5.3P /進場HMI2×10-72×10-82×10-9持續(xù)性 故障率5×10-5/進場4×10-6/15秒10-7/15秒有效性0.99-0.999990.99-0.999990.99-0.999991-2局域擴增系統(tǒng)周密進場條件Theperformanceofallnavigationsystems,includingLAAS,canbeevaluatedwithrespecttoaccuracy,integrity,continuity,andavailability. 全部導航系統(tǒng)的運轉，包括局域擴增系統(tǒng)，都可以用準確度、完整性、持續(xù)性和有效性來評估[16,99]。準確度：衡量導航結果與真值的偏差。完整性：系統(tǒng)不能導航時準時報警的力量。持續(xù)性：導航系統(tǒng)在預定的持續(xù)運行時間內支持準確度和完整性需求的可能性。有效性：系統(tǒng)在開頭進場之前支持準確度、完整性和持續(xù)性需求的時間百分率。ThecurrentlysuggestedrequirementsforLAASprecisionapproachesaresummarizedinTable1-2.1-2中總結了當前對局域擴增系統(tǒng)周密進場的要求[16,19,81]。PHM是消滅危急錯誤信號〔HMI〕的可能性。例如，假設危急錯誤信號導致消滅用戶垂直導航錯誤而超過垂直警報限10米，地面設施必會檢測故障并在一類局域擴增系統(tǒng)周密進場的3秒警報時間〔TTA〕內警告用戶。值得留意的是，二類和三類局域擴增系統(tǒng)對完整性和持續(xù)性的要求比一類更加嚴格。TheFAAcommencedtheLAASCATIdevelopmentphaseinApril2023andexpectstohavethissystemoperationalin2023.美國聯邦航空治理局于20234月開頭開發(fā)一類局域擴增系統(tǒng)，并預期于2023年運行?；谠谘邪l(fā)二類和三類局域擴增系統(tǒng)所做出的努力，聯邦航空治理局將在2023年初推斷簽訂全面開發(fā)和生產協議的可行性[78]。完整性監(jiān)控試驗臺功能TheStanfordUniversityIntegrityMonitorTestbed(IMT)isaprototypeoftheLAASGroundFacility(LGF)thatisusedtoevaluatewhethertheLGFcanmeettheintegrityrequairementsthatapplytoCATIaircraftprecisionapproach.〔IMT〕是局域擴增系統(tǒng)地面設施的原型，用于評價地面設施是否能夠滿足應用于一類飛機周密進場的完整性要求[33,48,49,64,67,89]GPS空因此地面設施具有一種簡單的故障處理強制力，稱為執(zhí)行監(jiān)控〔EX，它能夠協調不同的完整性監(jiān)控器并隔離故障。監(jiān)控算法和執(zhí)行監(jiān)控將在其次章進展論述。硬件配置TheLGFrequairesredundantDGPSreferenceredeiverstobeabletodetectandexcludefailuresofindividualreceivers.局域擴增系統(tǒng)地面設施需要差分全球定位系統(tǒng)參考接收機以1-6所示為位于斯坦福HEPL試驗室屋頂的三個完整性監(jiān)多途誤差[30]NovAtelOEM4接收機，分別連接GPS12個衛(wèi)星。一個信道就是指一個參考接收機追蹤到的一個衛(wèi)星。如圖1-6描繪了一個信道〔參考接收機2,偽隨機噪聲者簡稱信道〔2,7。1-6完整性監(jiān)控試驗臺天線構造圖sEachreceiversamplesGPSsignalsandprovidesreceivermeasurementpacketsTs

everysseconds,每個接收機采集定位信號，每Ts

秒發(fā)出接收機測量值包，其中在現在的完整性監(jiān)控試驗中

sT=0.5 (1-4)sTheStanfordIMTisconfiguredbysoftwareinsuchawaythatitcanbeusedeitherinreal-timeorinpost-processing.1-71點關閉，GPS接收機測量值包直接進入完整性監(jiān)控試驗臺處理器單元。這一過程適用于實時完整性監(jiān)控試驗臺運行時。假設2點關閉，A點還是B點。這稱為后處理完整性監(jiān)控試驗臺的運行。一套固定數據包可以重復存儲到存儲器，這使得調試和檢測更簡潔進展。1-7實時和后處理完整性監(jiān)控試驗臺確證試驗LGFverificationtestingcanbedividedintotwocomponents:nominaltestingandtestingwithsimulatedfailures.檢測表現，詳見第四、五章。其他故障檢測例子見[28,33,34,89]。1-8故障與故障結果TotesttheIMTresponsetofailures,simulatederrorsareinjectedintothesystem.為檢測完1-8t1時間點發(fā)生的接線端故障。沒有完整性監(jiān)控，局域擴增系統(tǒng)用戶的〔VPE〕就會在t1開頭上升，最終在t3〔A21-8下端曲線顯示了一個完整性監(jiān)控檢測的統(tǒng)t超過了閾值，故障被檢測到。繼而用戶將在垂直位置誤差到達垂直錯誤信息。本文所爭論的是監(jiān)控器的設計以檢測各種故障。21-9兩種故障檢測方法TwomethodsareusedtoinjectfailuresintotheIMT,asillustratedinFigure1-9. 將故障引1-9WelNavigate40信道的定位信號模擬程序來生成錯誤的射頻信號注入完整性監(jiān)控試驗臺。盡管如此，如圖1-7中提到的，收集并存儲的接收機測量值，從而引入故障，然后讓完整性監(jiān)控試驗臺后處理這些數據包。同時，也可以在完整性監(jiān)控試驗臺處理過程中通過適當轉變源代碼直接引入故障。Inthisthesis,202331024小時收集的標定定位數據集進展檢測。前期工作TheU.S.FAAhasbeendevelopingtheLAASastheprimarynavigationsystemtosupportCategoryI,II,IIIaircraftprecisionapproaches. 美國聯邦航空治理局已在開發(fā)局域擴增系統(tǒng)，恩格博士闡述了局域擴增系統(tǒng)的根底運行并將周密度、完整性和持續(xù)性聯系起來[16]。InordertomeetthestringentintegrityrquirementshowninTable1-2, 1-2所示的嚴格的完整性要求，局域擴增系統(tǒng)需要執(zhí)行全套的完整性監(jiān)控算法以廣泛檢測可能的故/載波完整性監(jiān)控技術的開發(fā)見[75]。信號質量監(jiān)控C/A碼[1,61,82]位衛(wèi)星確證歷表和時鐘數據的方法[36,51]性監(jiān)控器也有爭論[27]。Pullen博士、Pervan和他們的團隊建立了初始局域擴增系統(tǒng)地面設施原型，被稱為完整性監(jiān)測試驗臺IMT本爭論就是以該試驗臺為依托。TheionosphereprovidesthemostworrisomechallengetoLAASandtheLAASintegrityalgorithms.電離層對局域擴增系統(tǒng)和局域擴增系統(tǒng)完整性算法來說是最大的令人苦惱的挑戰(zhàn)。Christie在局域爭論電離層對擴增系統(tǒng)構造的去相關效應中到達了統(tǒng)計學極限 [9]。Datta-Barua報道了2023年4月6日從廣域擴增系統(tǒng)〔WAAS〕超真數據中觀測到的電離層異態(tài)[12]。之后Dehel依據從國際全球定位系統(tǒng)效勞處〔IGS〕的獨立數據確證了這一電離層異態(tài)。Luo論述了電離層危害模型并估量了電離層對局域擴增系統(tǒng)的影響[32]。她的模型顯示電離層斜度可能會導致垂直定位誤差關注這一論題主要是為了探究快速的電離層斜度檢測方法。ThedivergenceCumulativeSummethodisdevelopedtoquicklydetectmarginalionospheicgraientsinthisthesis.偏移累計總數〔CUSUM〕法的爭論就是為了快速檢測該理論中的電離1954年[50]。已經廣泛應用于連續(xù)的質量掌握檢測。Pullen用累計總數確證全球定位系統(tǒng)擴增系統(tǒng)的保護水平[66]。累計總數法也被Lee成功運用在地σ均值誤差監(jiān)控[28]。奉獻Threemajorcontributionsaredescribedindetailinthetextofthisthesis.本文關于這一論題的具體論述做出了三大奉獻。以下是對這三大奉獻的簡要概括。圖1-10所示為它們的關系。第一大奉獻是全面分析了現有的局域擴增系統(tǒng)監(jiān)控程序組，暴露了他