1、第一章前言1.1 全球定位系統(tǒng)1.1.1 系統(tǒng)概述The Global Positioning System（GPS） is a satellite-based radio system funded and operated by the United States Department of Defense.全球定位系統(tǒng) （GPS）是一種基于衛(wèi)星射頻導(dǎo)航的 系統(tǒng)，由美國國防部研制。 它幾乎提供了地球上任何地方、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(shè)計的，而今天卻覆蓋了全 球兩千萬用戶15。GPS offers two kinds of se

2、rvice:the Precise Positioning Service（PPS）and the Standard Positioning Service（SPS）.全球定位系統(tǒng)有兩大功能：準(zhǔn)確定位功能（PPS）和標(biāo)準(zhǔn)定位功能（SPS） 42。準(zhǔn)確定位功能包含一種防篡改”特性，用戶只有經(jīng)美國國防部授權(quán)獲得密鑰才能進(jìn)入。然而，準(zhǔn)確定位功能卻面向所有民用用戶開放。優(yōu)先利用性于2000年5月2日解除，它是用于降低標(biāo)準(zhǔn)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精確至IJ 10 米、100 納秒15。GPS is comprised of three main components:全球定

3、位系統(tǒng)由三個部分組成：1 .空間部分：全球定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)星由位于20200千米高空，運行時長近12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(jīng)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 槽。將對開普勒運動是對全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的運行的完整描述，見附件Ao每顆衛(wèi)星都發(fā)射加了時間標(biāo)記的測距信號和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。2 .控制部分：全球定位系統(tǒng)由GPS聯(lián)合規(guī)劃辦公室運行控制部監(jiān)控和操縱。共有 5個監(jiān)控站分布在世界各地，不間斷地追蹤監(jiān)控衛(wèi)星，通過地面和衛(wèi)星鏈接將原始數(shù)據(jù)和導(dǎo)航信號傳到主控制站（MCS）。衛(wèi)星通過S波段射頻從一條專用

4、的地面天線每天至少上傳一次星 歷表和時鐘參數(shù)，位于科羅拉多斯普林斯的主控制站對歷表和參數(shù)進(jìn)行計算。3 .用戶部分：全球定位系統(tǒng)接收機(jī)對衛(wèi)星信號進(jìn)行追蹤和解碼。它根據(jù)星歷表估計衛(wèi)星的位置并根據(jù)射頻信號的行駛時間測量衛(wèi)星的距離，然后根據(jù)一個簡單的數(shù)學(xué)原理（三維空間的三邊測量）推斷自身的位置。準(zhǔn)確計時是測量衛(wèi)星距離的關(guān)鍵，衛(wèi)星上的電子鐘幾乎是精確而且完全同步的。為了使用價格低廉的石英振子，接收器會額外用一種衛(wèi)星距離測量儀。 有了距離測量儀，接收器不僅可以測算其自身位置，還能消除時鐘偏倚。4 .1.2信號Each GPS satellite transmits signals on two L-ban

5、d frequencies: ?at 1575.42MHz and ?l 2 at 1227.60 MHz.每顆全球定位衛(wèi)星在兩個L波段頻率發(fā)送信號：？ 為1575.42MHz , ? L2為1227.60 MHz 42。圖1-1的第一個波形為載波？民用和軍用衛(wèi)星都增加了其他頻率的波段15,22。第三波段 L5的頻率為1176.45 MHz。Each satellite transmits two different ranging codes: 每顆衛(wèi)星都發(fā)送兩種不同的測距碼： 一個是調(diào)制載波 L1相位的粗略/接收（C/A）的偽隨機(jī)噪聲（PRN）碼，一個是調(diào)制載波 L1 和L2相位的精確（加

6、密）P（Y）碼42。 C/A碼在一毫秒內(nèi)每 1023比特（或碼片）重復(fù)一 次，或者相當(dāng)于碼片率為1.023Mcps。圖1-1的第二個波形為 C/A碼的一部分。P（Y）碼是很長的一個序列（大約1014碼片）。每顆全球定位衛(wèi)星都有唯一的PRN碼；因此可以通過PRN碼識別任何一個全球定位衛(wèi)星。這些擴(kuò)展頻譜碼的自相關(guān)和交叉相關(guān)特性使GPS能夠測距。尤其是每個碼的自相關(guān)性能只有一個主峰，這有助于GPS接收機(jī)獲取定位信號。主峰的斜度直接決定了測距的精度。不同PRN碼之間缺乏相關(guān)性使得在同一頻率的衛(wèi)星可以同時發(fā)送信號而不互相干擾。Both GPS frequencies are also modulated

7、 by binary navigation messages transmitted at a rate of 50 bits per second（bps）.兩種GPS頻率要也經(jīng)過 50bps的二進(jìn)制導(dǎo)航信息調(diào)制 42。圖1-1 的第三個波形顯示出幾個導(dǎo)航數(shù)據(jù)。一個信號由五個 300比特的子幀組成，包含了衛(wèi)星的健康狀況、星歷表、時鐘偏倚參數(shù)和天文歷書。歷表數(shù)據(jù)描述了航天器目前的軌跡。年歷描述的是所有航天器歷表數(shù)據(jù)中精確度衰減的譯本。附件A詳細(xì)描述了導(dǎo)航信息的內(nèi)容。 Cnn-ier 乙"】575.42 MHz C/A afl.023 他臚19c國 /7=j-f300 m n 1 嶼；

8、一_-，、f Navigationirt 50 b最；20 ms C000 Im圖1-1全球定位系統(tǒng)信號結(jié)構(gòu)圖The structure of these three signal components, i.e., carriers, ranging codes, and navigation data, is diagrammed in Figure1-1.圖1-1所示為載波、測距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)這三種信號成分42。用模2加法將一個碼和一條信息組合，再合成二進(jìn)制信號，用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制載波。由于單位“米”與“秒”的差別僅僅是相當(dāng)于真空中光速（約 3X108m/s）的一個 換算系數(shù)

9、，為了方便，通常把“米”與“秒”互換。1.1.3測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 接收機(jī)追蹤衛(wèi)星，解碼導(dǎo)航信息，并為測定 即時位置、速度和時間而產(chǎn)生代碼、測量載波相。The GPS signal acquisition process consists of a search for both PRN code shift and local

10、 carrier frequency offset.全球定位系統(tǒng)信號的獲取包括搜索PRN碼轉(zhuǎn)換和本地載波頻率偏移。當(dāng)接收機(jī)“嗅”到一個信號，他會用延遲鎖定回路（ DLL ）繼續(xù)追蹤信號，用相位鎖定 回路（PLL）追蹤相位5,42。LateCofrelaECKF T 血 fEarly 工Ccmlator T 4圖1-2延遲鎖定回路Figure 1-2 shows the DLL structure. 圖1-2所示為延遲鎖定回路結(jié)構(gòu) 42。它與所接收到 的稍具早期和后期復(fù)制的信號相關(guān)。如果接收的信號被鎖定，早期相關(guān)因子就會在自相關(guān)波峰上升段顯現(xiàn)，而后期相關(guān)因子就會在波峰下降段顯現(xiàn)。鑒頻器的功能是區(qū)

11、分早期和后期相關(guān)性（圖1-2中的Ze和Zl）。延遲鎖定回路通過將鑒頻器信息反饋給本地代碼生成器來鎖定 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(jī)的時鐘確定，而“標(biāo)記”在信號上的發(fā)送時間是信號從衛(wèi)星到接收機(jī)的通行時間。測定的這一時間為偽距（p）,它被光速放大了。由于接收機(jī)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。Having removed the PRN code from the signal, the GPS receiver continues phase tracking with a phase lock loop. GPS接收機(jī)從信號中消除 PRN碼后

12、，繼續(xù)用相位鎖定回路追蹤相位。 它在本地生成一個載波頻率，并試著將頻率與輸入信號的相位精確匹配。一旦鎖定載波相位，導(dǎo)航數(shù)據(jù)就會迅速被提取。載波相位的測量值（6 ）是接收機(jī)產(chǎn)生的載波與衛(wèi)星發(fā)送的載波的相位差。接收機(jī)能計算出部分循環(huán)，但不能計算衛(wèi)星與接收機(jī)全循環(huán)的數(shù)量。衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離等于與未知的全循環(huán)數(shù)量和測得的分段循環(huán)數(shù)之和。這一未知的全循環(huán)數(shù)稱為 “完整模糊度”。6的誤差是多普勒值，可用于確定接收機(jī)的速率。代碼與載波相位測量值可建模如下42:年r+c（b u-BS）+I+T+M+5（1-1）6 = r+c（bu-BS）-I+T+N + （1-2） p為測定的代碼相位值或偽距。 （

13、77;）為測定的載波相位值。 bu為接收機(jī)（或用戶）時鐘偏倚。bu和用戶位置都必須計算出來。- BS為衛(wèi)星時鐘偏倚。BS和bu代表衛(wèi)星時鐘和接收機(jī)時鐘相對GPS時間推進(jìn)的時間值。衛(wèi)星時鐘偏倚模型為時間的二次函數(shù)，這一模型的參數(shù)由主控制站估測并上傳到衛(wèi)星。他們作為導(dǎo)航信息的一部分被發(fā) 送42。- I為電離層延遲。- T為對流層延遲。- M為多途徑傳播誤差。我們將在 1.1.4詳細(xì)討論I、T和M。- N為整數(shù)模糊度。用戶通常不了解，但必要時它可以用幾種技術(shù)計算10,29 o用載波相位進(jìn)行精確關(guān)聯(lián)定位實際上就是解決整數(shù)模糊度42 o- 入為載波波長。對 L1來說，其波長 入產(chǎn)c/?L1 = 19cm

14、。- *代表其他代碼相位測量值誤差。外代表其他載波相位測量值誤差OIf is the pseudorange obtained after accounting for the satellite clock offset and the other measurement erros,若pc為計算衛(wèi)星時鐘偏倚和其他測量值誤差后得到的偽距，則等式（1-1）可以修正為偽距值，fc：r +c，bu= T(x(n) -x)2 +(y(n) _y)2 +(z(n) - z)2 +c ，bu(1-3)其中第n顆衛(wèi)星的位置(x,y,z)是根據(jù)星歷表計算的，用戶的位置(x,y,z)是未知的。加上接收機(jī)時鐘偏

15、倚bu,等式(1-3)中共有4個未知數(shù)。假如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(shù)就可以算出。We can sove these equations byfirst linearizing them at initial estimates, 我在初步估計中 可以通過線性化計算這些等式，然后用最小二乘法(如果有四個以上值，等式就會估計過度) 得出相關(guān)性，最后用這些相關(guān)性估計結(jié)果42。這一過程可以重復(fù)進(jìn)行，通常重復(fù)2-4次，估計的位置值會很快近似。1.1.4誤差來源Code and carrier phase measurements contain a variety

16、of biases and errors, as indicated in Equations(1-1) and (1-2).代碼和載波相位測量值中存在各種偏倚和誤差，如等式 1-1和1-2 中所示。這些誤差削減了定位的精確度。圖 1-3所示為GPS主要的測量誤差。基本上可以 分為三類：衛(wèi)星相關(guān)的誤差、接收器相關(guān)的誤差和傳播媒介相關(guān)的誤差42。 /AfuLtip 仙圖1-3 GPS測量誤差來源衛(wèi)星相關(guān)誤差:衛(wèi)星歷表數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生約為1-2米的均1 .衛(wèi)星歷表：衛(wèi)星的真實位置和速度與控制部分估算的值不同。 方根測量誤差。2 .衛(wèi)星時鐘：GPS控制部分不能夠糾正衛(wèi)星時鐘偏倚，其約為 1-2米的均方根

17、測量誤差。傳播媒介相關(guān)誤差：3 .對流層延遲：對流層為距海平面 8-13km的大氣層。對流程的干燥空氣和水蒸氣能夠折射GPS信號。用大氣模型可以估計流程延遲 42 o若不糾正誤差，那么結(jié)果對于正上方的衛(wèi)星到海平面的距離就會 偏差2m。4 .電離層延遲：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)中出現(xiàn)負(fù)號。除了這一代碼-載波偏離性，電離層也具有分散性，例如：電離層延遲的量與信號頻率成反比。根據(jù)衛(wèi)星高度的不同，電離層延遲所產(chǎn)生的測量誤差約為2-10m。GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)中

18、包含電離層模型，大約可以消除一半延遲18。接收機(jī)相關(guān)誤差：5 .多途徑：地面GPS天線的反射信號會干擾衛(wèi)星的直射信號。由于現(xiàn)實中反射面的存在，因此難以避免多途徑誤差，使用限制多途徑誤差的天線并將它放置在遠(yuǎn)離強(qiáng)反射環(huán)境能夠減少多途徑誤差48 o多途徑誤差同時影響著代碼和載波的相位值。在偽距測量中會產(chǎn)生1-5m誤差。另一方面，僅有約1-5cm的載波相位測量誤差是多途徑誤差。由于這個值很小沒有單獨列在等式（1-2）中，電就包含多途徑誤差。6 .接收機(jī)噪聲：熱噪聲、多路存取干擾和信號量化噪聲產(chǎn)生接收機(jī)誤差42。用現(xiàn)代微處理器和芯片技術(shù)，GPS接收機(jī)產(chǎn)生的代碼測量誤差低于0.5m,而接收機(jī)噪音產(chǎn)生的載體

19、相位測量誤差僅為1-2mm。7 .2差分全球定位系統(tǒng)As noted before, the position accuracy of stand-alone SPS users is about 10m horizongtallyand 15m vertically. 如我們之前所關(guān)注的，獨立準(zhǔn)確定位功能用戶的定位精度為水平向10m,垂直向15m。使用差分 GPS （DGPS）可以達(dá)到更高的精度。圖1-4差分GPS構(gòu)造圖DGPS takes advantage of the fact that differential users in the same region have common

20、 measurement errors in general. DGPS充分利用同一地區(qū)用戶的測量誤差相同這一現(xiàn)實。如圖 1-4所示，用已知位置坐標(biāo)的參考站計算測量的偽距與預(yù)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(yīng)用DGPS用戶可以排除大多數(shù)偽距誤差以獲得更高的精度。表1-1總結(jié)了 GPS中的誤差和 DGPS中的誤差偏移42。在不同的模式中，假設(shè)用戶與參考 接收機(jī)的距離為幾十千米，信號等待時間為幾十秒。表1-1 GPS和DGPS的測量誤差總覽誤差來源GPS的誤差值DGPS的殘差衛(wèi)星時鐘模型1-2m （均方根）0.0m衛(wèi)星歷表預(yù)測值1-2m （均方根）0.1m （均方根）對流

21、層延遲海平面向天頂方向 2m0.2m （均方根）加緯度影響電離層延遲2-10m向天頂方向0.2m （均方根）多途徑代碼：1-5m 載波：1-5cm兩天線之間無相關(guān)性接收機(jī)噪音代碼：0.5m （均方根）載波：1-2cm （均方根）兩接收機(jī)之間無相關(guān)性Since the reference and user receivers are tracking signals from the same GPS satellite at the same time,由于參考站接收機(jī)和用戶接收機(jī)同時追蹤同一全球定位衛(wèi)星信號，衛(wèi)星時鐘誤差在差分模式中幾乎完全被消除，因而衛(wèi)星歷表誤差也幾乎能夠消除。但要注意的是

22、的差分歷表殘差會使拉大衛(wèi)星到用戶和衛(wèi)星到參考站的視線間距。當(dāng)用戶距參考站100米時，距離殘差小于 0.05cm42。DGPS can also reduce the range error due to ionospheic and tropospheric effects. DGPS 也能 減少電離層和對流層產(chǎn)生的誤差。顯然，相應(yīng)的殘差取決于電離層和對流層的相關(guān)性。當(dāng)參 考接收機(jī)與用戶接收機(jī)相隔甚遠(yuǎn)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。DGPS effectively mitigates satellite clock error,satellite ephemeris e

23、rroe, ionospheric delay,and tropospheric delay in its service coverage. DGPS 在其覆蓋范圍內(nèi)有效地削弱了衛(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(jī)和用戶接收機(jī)的多 途徑誤差和接收機(jī)噪音是無法校正的，因此DGPS也不能校正。相反地，DGPS用戶的多途徑誤差和接收機(jī)噪音誤差卻增加了，是因為分別來自參考站和用戶的兩種誤差在一起產(chǎn)生了疊加。8 .3局域擴(kuò)增系統(tǒng)The U.S. Federal Aviantion Administration（FAA） is developing the Local

24、Area Augmentation System（LAAS） to supprot air craft precision approaches.美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）正在開發(fā)局域擴(kuò)增系統(tǒng)（LAAS ）以支持飛機(jī)精密進(jìn)場。這一局域地面DGPS負(fù)責(zé)生成經(jīng)差分校正的載波平滑碼和接近目標(biāo)航跡信息并發(fā)送給飛機(jī)用戶81。同時它也負(fù)責(zé)探測局域擴(kuò)增系統(tǒng)地面設(shè)施的空間和地面兩部分的故障并發(fā)出警報。地面設(shè)施必須確保所有局域擴(kuò)增系統(tǒng)校正后傳播的測距數(shù)據(jù)都能安全使用。若發(fā)生故障威脅到用戶的安全，地面設(shè)施一定會探測到并在報警時間內(nèi)向用戶發(fā)出警報。Figure1-5 describes how LAAS oper

25、ates.圖1-5為局域擴(kuò)增系統(tǒng)運行圖。地面設(shè)施裝有四個參考接收機(jī)（RR）、接收機(jī)天線、連接獨立天線的冗余超高頻數(shù)據(jù)傳輸器和局域擴(kuò)增系統(tǒng) 在機(jī)場設(shè)白儀器架79。地面設(shè)施對全球定位衛(wèi)星信號進(jìn)行跟蹤、解碼和監(jiān)控，并進(jìn)行差分 校正。它也對產(chǎn)生的校正值進(jìn)行完整性檢驗。之后，校正信息與適合的完整性參數(shù)和接近目標(biāo)軌跡信息又地面發(fā)送器經(jīng)冗余超高頻數(shù)據(jù)傳輸器傳給飛機(jī)用戶。傳送類GPS信號的尖晶石形滑石可有效應(yīng)用在機(jī)場地面以改善衛(wèi)星的幾何位置。圖1-5局域擴(kuò)增系統(tǒng)組成圖（美國聯(lián)邦航空管理局提供）局域擴(kuò)增系統(tǒng)精密運行一類二類三類精確度m95%水平16.06.96.1垂直7.72.02.0完整性報警時間s322報警

26、BM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 /進(jìn)場一-72X 1072X 10-82X 10-9持續(xù)性故障率5X10-5/進(jìn)場4 X 10-6/15 秒10-7/最后15秒有效性0.99-0.999990.99-0.999990.99-0.99999表1-2局域擴(kuò)增系統(tǒng)精密進(jìn)場條件The performance of all navigation systems, including LAAS,can be evaluated with respect to accuracy, integrity, continuity, and avail

27、ability.所有導(dǎo)航系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，包括局域擴(kuò)增系統(tǒng)，者B可以用精確度、完整性、持續(xù)性和有效性來評估16,99。1 .精確度：衡量導(dǎo)航結(jié)果與真值的偏差。2 .完整性：系統(tǒng)不能導(dǎo)航時及時報警的能力。3 .持續(xù)性：導(dǎo)航系統(tǒng)在預(yù)定的持續(xù)運行時間內(nèi)支持精確度和完整性需求的可能性。4 .有效性：系統(tǒng)在開始進(jìn)場之前支持精確度、完整性和持續(xù)性需求的時間百分率。The currently suggested requirements for LAAS precision approaches are summarized in Table 1-2.表1-2中總結(jié)了當(dāng)前對局域擴(kuò)增系統(tǒng)精密進(jìn)場的要求16,19,8

28、1。 Phmi是出現(xiàn)危險錯誤信號（HMI）的可能性。例如，如果危險錯誤信號導(dǎo)致出現(xiàn)用戶垂直導(dǎo)航錯誤而超過垂 直警報限10米，地面設(shè)施必會檢測故障并在一類局域擴(kuò)增系統(tǒng)精密進(jìn)場的3秒警報時間（TTA）內(nèi)警告用戶。值得注意的是，二類和三類局域擴(kuò)增系統(tǒng)對完整性和持續(xù)性的要求比 一類更加嚴(yán)格。The FAA commenced the LAAS CA T I development phase in April 2003 and expects to have this system operational in 2006.美國聯(lián)邦航空管理局于 2003年4月開始開發(fā)一類局域擴(kuò)增系 統(tǒng)，并預(yù)期于2006

29、年運行。基于在研發(fā)二類和三類局域擴(kuò)增系統(tǒng)所做出的努力，聯(lián)邦航空 管理局將在2005年初判斷簽訂全面開發(fā)和生產(chǎn)協(xié)議的可行性78。1.4 完整性監(jiān)控試驗臺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 precisi

30、on approach. 斯坦福大學(xué)的完整性監(jiān)控試驗臺（IMT ）是局域擴(kuò)增系統(tǒng)地面設(shè)施的原型，用于評價地面設(shè)施是否能夠滿足應(yīng)用于一類飛機(jī)精密進(jìn)場的完整 性要求33,48,49,64,67,89。完整性監(jiān)控試驗臺使用一套廣泛應(yīng)用的監(jiān)控算法以檢測GPS空間、地面部分和地面設(shè)施本身可能出現(xiàn)的一系列故障。一些故障會觸發(fā)不止一個監(jiān)控算法，因此地面設(shè)施具有一種復(fù)雜的故障處理強(qiáng)制力，稱為執(zhí)行監(jiān)控（ EXM）,它能夠協(xié)調(diào)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)控將在第二章進(jìn)行論述。1.4.2 硬件配置The LGF requaires redundant DGPS reference redeive

31、rs to be able to detect and exclude failures of individual receivers.局域擴(kuò)增系統(tǒng)地面設(shè)施需要差分全球定位系統(tǒng)參考接收機(jī)以 便檢測和排除個別接收機(jī)故障。圖1-6所示為位于斯坦福 HEPL實驗室屋頂?shù)娜齻€完整性監(jiān)控試驗臺天線。它們盡管受的屋頂空間限制，卻彼此充分分隔以最大程度減小個體接收機(jī)的多途誤差30。如今的完整性監(jiān)控試驗臺天線使用了三個NovAtel OEM 4接收機(jī)，分別連接三個獨立的GPS針輪天線。每個接收機(jī)能同時追蹤多達(dá)12個衛(wèi)星。一個信道就是指一個參考接收機(jī)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(jī)2,偽

32、隨機(jī)噪聲7）,或者簡稱彳t道（2, 7）。IHT他FCflssfngHigh RootLow Rocrf(Antftima#O, 1)fAntenna 線)圖1-6完整性監(jiān)控試驗臺天線構(gòu)造圖Each receiver samples GPS signals and provides receiver measurement packets Ts every seconds,每個接收機(jī)采集定位信號，每Ts秒發(fā)出接收機(jī)測量值包，其中在現(xiàn)在的完整性監(jiān)控試驗中(1-4)Ts=0.5也就是說，采樣率等于每秒兩次。這些定位測量值進(jìn)入完整性監(jiān)控試驗臺處理器進(jìn)一步計算。The Stanford IMT is

33、configured by software in such a way that it can be used either in real-time or in post-processing.斯坦福完整性監(jiān)控試驗臺配置了如此高端軟件，從而能夠用于實時檢測或后處理。圖1-7展示了它的機(jī)制。當(dāng)1點關(guān)閉，GPS接收機(jī)測量值包直接進(jìn)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。若2點關(guān)閉，測量值包就會存儲到固定的存儲器中。存儲的數(shù)據(jù)包用于標(biāo)定還是故障檢測取決于關(guān)閉的是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(shù)據(jù)包可以重復(fù)存儲到 存儲器，這使得調(diào)試和檢測

34、更容易進(jìn)行。圖1-7實時和后處理完整性監(jiān)控試驗臺1.4.3 確證試驗LGF verification testing can be divided into two components: nominal testing and testing with simulated failures.地面設(shè)施確證試驗分為兩部分：標(biāo)定試驗和模擬故障試驗。標(biāo)定實驗是為了檢驗完整性監(jiān)控試驗臺是否產(chǎn)生錯誤警報而危及系統(tǒng)持續(xù)性。標(biāo)定試驗結(jié)果將在第二章進(jìn)行大篇幅講解。由于監(jiān)控算法的復(fù)雜性，就更有必要用實例說明完整性監(jiān)控試驗臺能夠 滿足各種可能的故障狀態(tài)下的特殊要求。若要對比新近設(shè)計的和現(xiàn)有的完整性監(jiān)控器的故障檢測

35、表現(xiàn)，詳見第四、五章。其他故障檢測例子見28,33,34,89。Vertical Position EnvrTest Statistic圖1-8故障與故障結(jié)果To test the IMT response to failures, simulated errors are injected into the system.為檢模 U 完整性監(jiān)控試驗臺對故障的應(yīng)答，向系統(tǒng)引進(jìn)模擬故障。圖1-8上端曲線為t1時間點發(fā)生的接線端故障。沒有完整性監(jiān)控，局域擴(kuò)增系統(tǒng)用戶的（ VPE）就會在t1開始升高，最后在 t3 超過額定的垂直警報限（VAL）,如中間曲線所示。若在既定的警報時間內(nèi)故障未被檢測到，用

36、戶沒有得到警告，此接線故障就會引發(fā)。圖1-8下端曲線顯示了一個完整性監(jiān)控檢測的統(tǒng) 計量。該統(tǒng)計量大小在t2超過了閾值，故障被檢測到。繼而用戶將在垂直位置誤差達(dá)到垂直 警報限前被警告勿使用錯誤的測量值。此圖舉例說明了完整性監(jiān)控功能用于防止用戶接收危* Note: Rjw data p傳仰訴cwn k itafy 11gM應(yīng)? 口力tn failure /t iuchlded.險錯誤信息。本文所討論的是監(jiān)控器的設(shè)計以檢測各種故障。Fiuhw 丁幽出足 Ha GPS Signal Gffiaratoi5 l現(xiàn)il同e T更施g 叫克 Sofhi 現(xiàn)eetM圖1-9兩種故障檢測方法Two method

37、s are used to inject failures into the IMT, as illustrated in Figure 1-9.將故障引入完整性監(jiān)控試驗臺有兩種方法，如圖1-9。一種是編制一個 WelNavigate 40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，后處理完整性監(jiān)控試驗臺還提供了另一種引入故障的方法。有一種程序可以更改標(biāo)定狀態(tài)下收集并存儲的接收機(jī)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(shù)據(jù)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(dāng)改變源代碼直接引入故障。In this thesis,在這

38、一理論中，后處理完整性監(jiān)控試驗臺用于對2003年3月10日24小時收集的標(biāo)定定位數(shù)據(jù)集進(jìn)行檢測。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.美國聯(lián)邦航空管理局已在開發(fā)局域擴(kuò)增系統(tǒng)，作為一代導(dǎo)航系統(tǒng)它將支持一類、二類和三類飛機(jī)精密進(jìn)場。對局域擴(kuò)增系統(tǒng)已有很多研究。 恩格博士闡述了局域擴(kuò)增系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行并將精密度、完整性和持續(xù)性聯(lián)系起來16。In order

39、 to meet the stringent integrity rquirement shown in Table1-2,為了滿足表 1-2 所示的嚴(yán)格的完整性要求，局域擴(kuò)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 障。多數(shù)監(jiān)控算法已編制出。例如，代碼/載波完整性監(jiān)控技術(shù)的開發(fā)見75。信號質(zhì)量監(jiān)控的調(diào)查是為了瞄準(zhǔn)由全球定位衛(wèi)星發(fā)送的變形C/A碼1,61,82。人們還研究了幾種為每個定位衛(wèi)星確證歷表和時鐘數(shù)據(jù)的方法36,51。除了距離領(lǐng)域的完整性監(jiān)控器，位置領(lǐng)域的完整性監(jiān)控器也有研究27。Pullen博士、Pervan和他們的團(tuán)隊建立了初始局域擴(kuò)增系統(tǒng)地面設(shè) 施原型，被稱為完整性監(jiān)測

40、試驗臺（IMT）,并用于評價地面設(shè)備能否滿足一類完整性要求。 本研究就是以該試驗臺為依托。The ionosphere provides the most worrisome challenge to LAAS and the LAAS integrity algorithms.電離層對局域擴(kuò)增系統(tǒng)和局域擴(kuò)增系統(tǒng)完整性算法來說是最大的令人煩惱的挑 戰(zhàn)。Christie在局域研究電離層對擴(kuò)增系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的去相關(guān)效應(yīng)中達(dá)到了統(tǒng)計學(xué)極限9。Datta-Barua報道了 2000年4月6日從廣域擴(kuò)增系統(tǒng)（WAAS ）超真數(shù)據(jù)中觀測到的電離層 異態(tài)12。之后Dehel根據(jù)從國際全球定位系統(tǒng)服務(wù)處（IGS）的

41、獨立數(shù)據(jù)確證了這一電離 層異態(tài)。Luo論述了電離層危害模型并估計了電離層對局域擴(kuò)增系統(tǒng)的影響32。她的模型顯示電離層斜度可能會導(dǎo)致垂直定位誤差。關(guān)注這一論題主要是為了探索快速的電離層斜度檢測方法。The divergence Cumulative Sum method is developed to quickly detect marginal ionospheic graients in this thesis.偏移累計總數(shù)（CUSUM）法的研究就是為了快速檢測該理論中的電離 層邊緣斜度。累計總數(shù)法創(chuàng)造于1954年50。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于連續(xù)的質(zhì)量控制檢測。Pullen用累計總數(shù)確證全球定位系

42、統(tǒng)擴(kuò)增系統(tǒng)的保護(hù)水平66。累計總數(shù)法也被Lee成功運用在地面設(shè)備的b均值誤差監(jiān)控28。1.6 貢獻(xiàn)Three major contributions are described in detail in the text of this thesis.本文關(guān)于這一論題的詳細(xì)論述做出了三大貢獻(xiàn)。以下是對這三大貢獻(xiàn)的簡要概括。圖 1-10所示為它們的關(guān) 系。第一大貢獻(xiàn)是全面分析了現(xiàn)有的局域擴(kuò)增系統(tǒng)監(jiān)控程序組，暴露了他們的局限性。因此要將累計總數(shù)法加入監(jiān)控程序組以加強(qiáng)對電離層斜度的檢測，這是第二項貢獻(xiàn)。根據(jù)全面分析結(jié)果，將特定的監(jiān)控器檢測統(tǒng)計量結(jié)合組成故障專用檢測是第三項貢獻(xiàn)，進(jìn)而可以提高系統(tǒng)完整性

43、。1.6.1 第一次對監(jiān)控器程序組的全面分析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.本文創(chuàng)建了一個類故障模型，該模型將一個通用故障引入了一個接收機(jī)信道（一個信道指被接收機(jī)追蹤到的一顆衛(wèi)星）的代碼和載波測量值。所有完整性監(jiān)控器的向地面設(shè)施提交的故障應(yīng)答均源于對這一通用測量值故障模型的分析。對模型的分析包括信道碼階段故障、信道相階段故障、衛(wèi)星時鐘階段故障、衛(wèi)星時鐘接線故障、接收機(jī)時鐘階段故障和電離層斜度。本研究鑒別了每個完整性監(jiān)控器能檢測的相應(yīng)故障類型，并清晰得地呈現(xiàn)出一系列潛在威脅對應(yīng)的的各個監(jiān)控器功能的全圖。這些結(jié)果對于如何建立有效的特異故障檢測（FST）統(tǒng)計量提供了寶貴的信息。 更重要的是,A 專 GPSM* 令號令故障分析也是一種定量評價和比較完整性監(jiān)控器的表現(xiàn)的工具。F9iloi安£沖配jfik TWts出血盜ct ondte