GPS与Galileo系统组合应用精度分析

赵金贤,陈金平,杜 燕,胡彩波

(中国人民解放军61081部队,北京100094)

0 引言

Galileo系统进行信号结构设计初期,GPS和Galileo系统民用信号已开始商讨两大系统共同合作问题。美国和欧盟经过长期协调、谈判,最终达成以下协议:Galileo系统公开服务(OS)信号与未来GPS民用信号共用L1频点,确定了在民用信号方面两大系统共用相同中心频点的合作关系,标志着Galileo系统的公共事业服务(PRS)信号与美国军用码M信号也共用L1频点。因此,GPS与Galileo系统组合应用将大大提高卫星导航系统的定位和导航性能。

1 Galileo系统频率和信号计划

Galileo系统计划在3个频段上发送导航信号,而为了解决无线电导航频率资源紧张问题,实现与GPs和GLONASS频率资源共享并最大限度地提高卫星导航性能,Galileo系统采用了新的信号调制体制—BOC调制,Galileo系统具体频率与信号计划如表1和图1所示。

Galileo系统将在下述3个载波频率上提供10种右旋圆极化信号,每个载波频率上的信号都存在I和Q分量、有数据信道和无数据信道、宽带和窄带交叉叠置现象,以便于其频率复用;所有Galileo卫星共用相同的频率,采用码分多址(CDMA)方式与GPS兼容。

表1 系统频率与信号计划

图1 Galileo系统频率与信号计划

目前,GPS在2个频段上发送导航信号,即L1和L2频段。2000年国际无线电频率大会增加划分无线电导航频率以后,GPS计划新增L5频段作为民用专用频段,为了实现L1和 L2频段的军民复用,GOS信号也将采用BOC调制体制,GPS的频率计划和使用情况如表1所示。

目前,GPS在L1和L2频段上发射3种右旋圆极化信号。GPS现代化以后,GPS将在L5频段上增发民用专用导航信号、在L2频段上增发民用导航信号和M码军用导航信号、在频段上增发M码军用导航信号。因此,GPS实现现代化后将在3个导航频段上提供7种信号,并提供相应的导航定位服务。所有GPS卫星共用相同的载波频率,采用CDMA方式与其他卫星导航系统兼容。

2 组合应用精度分析

评价卫星导航定位系统的导航应用精度需详细分析系统用户等效距离误差(UERE)。和卫星几何分布情况(用几何精度因子DOP表示)。

2.1 用户等效距离误差分析

影响卫星导航定位系统用户导航定位精度的主要误差源分为3类:与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差和与接收设备有关的误差。可以通过对上述误差源的分析评估卫星导航系统的用户等效距离误差。此外,还有一些其他可能的误差源,如地球自转、相对论效应和地球潮汐等,这些误差对定位精度的影响一般较小。在所有误差中,影响UERE的最大误差来源于电离层误差。但可通过星基增强系统的差分改正或双频线性组合修正消除大部分的电离层误差影响,此时多路径误差将成为影响UERE的主要误差源。

2.1.1 与卫星有关误差

与卫星有关的误差包括卫星钟差预报误差和卫星轨道预报误差。其大小主要依赖于地面监测站在全球的分布情况和数量、跟踪观测精度和卫星所受摄动力模型的精确程度、计算精度、卫星钟的稳定性等因素。对于GPS和Galileo系统,主要考虑2种情况:①一般情况下,与卫星有关的总误差取为0.6 m;②最坏情况,比一般情况高1倍,即1.2 m。

2.1.2 信号传播误差

与信号传播有关的误差包括电离层折射误差、对流层折射误差和多路径延迟误差。电离层折射误差、对流层折射误差是由电波传播模型的不准确引起的,多路径延迟误差与用户所处的环境和天线的仰角有关。

电离层延迟可通过不同的电离层模型进行修正,通常可以修掉50%以上的电离层误差影响,对于Galileo系统,电离层修正误差通常情况约为4～5 m左右,最坏情况下约为8 m左右。对于双频用户,采用双频电离层组合修正方法可以消除90%以上的电离层误差,此时电离层误差影响可以忽略。

卫星导航系统中,对流层对信号的折射影响,通常采用信号处理时加入对流层模型算法消除对流层误差。根据国内外的研究,一般情况下对流层误差取为0.2 m[4];最坏情况为仰角10°,此时对流层误差取为1.35 m。

多路径误差是影响UERE的主要误差源之一,并且,多路径误差随天线周围反射面的性质而异,很难通过建模消除其影响。经分析乡村或近郊区域多路径误差情况如表2所示[1]。

表2 多路径误差结果

2.1.3 接收机误差

与接收机相关误差主要包括伪随机码测距误差、接收机钟差和天线相位中心误差等。

接收机通过非相干延迟锁定环(DLL)对伪码进行跟踪实现距离测量,测距性能的 Cramer-Rao限为:

式中,C/N0为载噪比;T为单次估计的信号长度(要求T＞Tc);b为关于码率归一化的前端信道滤波器带宽;BL为环路滤波器的带宽(通常BLT＜＜1)。

一般情况下,单频接收机伪随机码测距噪声误差在0.03 m左右,在信号恶化情况下,伪随机码测距噪声误差在0.15 m左右。其中,DLL环路带宽取为0.01 Hz;N0取为-201.5 dB-Hz;一般情况下C/N0取为46.5 dB、信号恶化情况下 C/N0取为31.5 dB。

电离层误差可以通过双频线性组合方法消除,因此扣除电离层影响后的伪距表示为:

式中,f1＞f2。

式中,;σf1和 σf2分别为 f1频点和 f2频点伪距误差。

双频组合消除电离层影响后,伪随机码测距噪声误差结果在0.08～0.6 m。其中GPS采用L1和L2频点、Galileo系统采用L1和E6频点。

通过上述分析,GPS、Galileo系统单频和双频组合情况的UERE结果如表3所示。

表3 GPS和 Galileo单双频 UERE

2.2 组合应用的定位精度分析

从导航卫星星座分布情况可以知道,GPS和Galileo两大系统的组合应用将大大优化导航系统卫星几何分布。若用几何精度因子DOP表示卫星的几何分布。通过计算可以得出GPS、Galileo系统和GOS+Galileo系统组合情况下DOP值。通过表4可以看出,GPS与Galileo系统组合时,双系统的几何精度因子大大提高。

如果2个系统组合应用时的误差结果估算为:

式中,e为系统误差变量。

则GPS和Galileo两大系统的组合应用时,系统的导航定位结果如表4所示。

表4 两大系统DOP值及导航定位精度

3 结束语

通过对BOC调制体制下GPS和Galileo系统的用户等效距离误差分析,并结合GPS、Galileo系统和GPS+Galileo系统组合的卫星几何分布情况,计算给出了上述3种情况的导航定位精度,综合分析结果:①GPS和Galileo系统宽带信号的定位精度基本一致;②GPS和Galileo系统信号的组合应用将会使用户性能得到很大提高,水平定位精度可达0.34 m,比使用单系统导航信号时精度提高64%以上。因此具有十分突出的研究与应用前景。

[1]HEIN G W.Combining Galileo PRS and GPS M-Code[J].Inside GNSS,2006(1):48-56.

[2]邱致和.GPS原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.

[3]李 跃.导航与定位[M].北京:国防工业出版社,2008.

[4]贾东升.欧洲伽利略计划及其新技术概述[J].航空电子技术,2003(9):5-9.

[5]邱致和.GPS新民用信号 L2C及其应用[J].导航,2004(12):1-18.