硕士毕业论文：QZSS 增强 GPS 亚太地区服务性能评估研究

硕士毕业论文：QZSS 增强 GPS 亚太地区服务性能评估研究第1章 绪论1.1 引言随着科技的发展,人类的活动遍及地球每个角落,人们对位置服务在军事和民用上的需求不断增长.二战后,航天技术有了飞速发展,各国科学家开始研究如何通过人造地球卫星,为人类提供位置服务.经过几十年的发展,由美国建设的 GPS 成为世界上第一个提供全球、全天候、高精度服务的卫星导航系统,在军事和民用均发挥了重要作用,也使卫星导航定位技术产生了巨大的市场,促使各国发展自己的卫星导航系统,共同组成了全球导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS).GLONASS 系统最早在苏联时期开发,后由俄罗斯继续建设,经历数年资金短缺的困境,该系统在 2010 年实现对俄罗斯领土的 100%覆盖,2011 年恢复了 24 颗卫星的完整轨道星座,实现了对全球的全面覆盖.GALILEO 系统建设计划由欧盟提出,并在 2002年正式启动,目的是建设由欧洲自主控制的全球导航系统.由于欧盟各国对该项目存在分歧,使计划数次延后,目前该系统仍在建设,能够初步提供服务.北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)由中国自主研制和建设,北斗二号于 2012年在亚太地区提供区域服务,北斗三号基本系统于 2018 年 12 月 27 日提供全球服务.除了 GPS、GLONASS、GALILEO 和 BDS 四大全球系统,一些国家还建设了星基增强系统,如美国的 WAAS、俄罗斯的 SDCM、欧洲的 EGNOS 等,日本和印度亦建设了自己的区域卫星导航系统 QZSS 和 NavIC.QZSS 是由日本政府和企业共同研制的区域卫星系统,目的是增强日本地区卫星信号难以到达的山区和高楼林立的城市用户的定位和通信能力.该系统于 2010 年发射首颗卫星,2017 年发射 3 颗卫星,2018 年 11 月 1 日正式提供服务.GNSS 技术的发展也推动了各种应用的不断扩展,由于其重要的经济和军事作用,各国展开了激烈竞争.由于卫星导航系统的一些应用涉及到生命财产安全,不同领域的用户对卫星导航系统性能十分关注,因此卫星导航系统的性能已成为各系统竞争的重点.对卫星导航系统性能的测试评估是与导航系统建设同步进行的.测试评估一方面可以对导航系统的各项功能和性能进行验证,判断能否达到系统设计要求;另一方面能够实时监测卫星导航系统的运行状态,及时发现异常情况为系统运行提供保障,并为系统下一步的发展提供依据.QZSS 是一个全新的区域系统,其覆盖范围包括我国东部和南海地区,可以作为我国北斗系统的一个补充.研究对 QZSS 系统的性能评估方法和评估指标体系,并用实测数据进行验证,为建立完善的 QZSS 系统评估方法积累一定的经验,这对我国利用 QZSS系统非常有必要,也可以为我国北斗系统的发展提供一些参考.1.2 国内外研究现状1.2.1 卫星导航系统性能评估美国的 GPS 系统最早开展系统性能的监测评估,它继承了无线电导航领域评估精度的一些方法,又加入或修改了一些指标,使其符合卫星导航系统的特点,满足对系统进行验证需求.美国自 1993 年起,发布数个版本的GPS 标准定位服务性能标准,对卫星导航系统标准定位性能的概念进行了全面说明并给出了评估指标和标准,形成一套相对完整的卫星导航系统性能评估体系1.除了美国官方,很多学者也对卫星导航系统的性能评估理论进行了研究.RemondiB W 对 GPS 广播轨道和精密轨道进行了比较研究,给出了轨道沿径向、切向、法向的精度对比图和统计数据2.Karl Kovach 着重研究了卫星导航系统的精度、可用性、完好性和连续性等概念,并在此基础上提出了四大性能指标的关系模型3.许多学者在 GPS 性能评估的基础上,也开展了对其他系统性能的评估.如Montenbruck O 等人,使用精密星历和精密钟差产品,对目前所有卫星导航系统的信号空间测距误差(SISREs)进行了分析,并用卫星激光测距数据独立评价轨道精度4.Li S 等人对GPS的Klobuchar模型和Galileo的NeQuick广播电离层改正模型性能进行了研究,从预测总电子含量(TEC)和单点定位电离层延迟改正两个方面对模型进行了评估,结果表明 NeQuick 模型优于 Klobuchar 模型5.Quan Y 等人通过观测多 GNSS 系统的零基线残差,对其信号质量进行评估,并研究了多 GNSS 多频信号对单历元定位精度和已知短基线下固定解的可用性6.随着我国北斗卫星导航系统的建设,国内一些研究机构和学者开始对卫星导航系统监测评估的概念和评估方法及指标进行了一定的研究和探索.系统性的研究主要有:李作虎针对卫星导航系统的发展趋势,梳理了卫星导航系统性能评估的概念、内涵和外延,研究了卫星导航系统性能体系的基本框架、性能层次分解模型、性能评估的模型及关键算法,并进行了一系列实验分析7.胡志刚以北斗导航系统为主,兼顾其他系统,为导航系统从空间信号层到服务层的评估指标和方法提供了理论依据,并设计了卫星导航系统性能评估软件系统,对北斗系统的空间信号精度、PNT性能等指标进行了分析8.2018 年 12 月 27 日,随着北斗卫星导航全球系统正式运行,中国卫星导航系统管理办公室发布北斗卫星导航系统公开服务性能规范2.0 版,在北斗 B1I 信号基础上,增加了 B3I、B1C 和 B2a 信号,规定了现阶段的北斗系统公开服务性能9.此外,我国一些学者也对卫星导航系统监测评估某一方面进行了深入研究:香港学者刘志赵等人通过对全球 IGS 站 22 年的星历数据进行分析,对 GPS 广播电离层模型系数的异常进行了研究,分析表明该异常与太阳活动和 GPS 接收机类型有关系10.郭斐等人对多个卫星导航系统的精密轨道和时钟产品进行了质量评估.通过比较各个分析中心之间的轨道和时钟产品,从而客观地了解它们的一致性.此外,还利用卫星激光测距对精密轨道进行了验证,并进行了精密单点定位试验11.焦文海等学者结合北斗卫星导航系统的建设,设计了国际 GNSS 监测评估系统(iGMAS),作为独立第三方,以统一的标准,对各卫星导航系统的公开服务性能进行监测与评估,使用户能够实时地获取 GNSS 各系统的性能状态,并提供精密卫星轨道、钟差等产品12.目前,该系统已初步建成,各项工作正在稳步推进.综合来看,随着全球卫星导航系统的不断发展,国内外关于卫星导航系统性能评估方面的研究从针对单一的 GPS 系统,到多系统多指标的综合研究,研究内容逐步深入,研究成果逐步增多,为卫星导航监测评估的发展积累了一定的研究基础.1.2.2 QZSS 卫星导航系统对于 QZSS 系统,一些学者的研究对该系统的初期设计及建设起到了重要作用.Motoyuki Kon 等学者在 2003 年,对 QZSS 系统的轨道设计,应用前景进行了研究.提出可以利用 QZSS 提供高精度的定位服务,为智能运输系统、紧急医疗服务、应急通信服务提供保障13.2004 年,Falin Wu 通过软件仿真研究了三种 QZSS 卫星星座方案,给出了可见卫星数和 GDOP 的变化.结果表明, QZSS 不仅可以提高 GPS 的定位精度,延长定位的可用时间和区域,提供更好的 GDOP 值,而且可以提高日本及其周边地区的系统可靠性和载波相位定位能力.同时,作者还建议使用非对称8字形轨道方案14.在对 QZSS 的监测评估方面,除了对包含 QZSS 的多系统性能评估的研究,一些学者也对 QZSS 进行了单独的研究.Andr Hauschild 使用日本 QZSS 系统首颗卫星 Michibiki-在 5 个 GNSS 跟踪站,卫星播发的 6 个信号中的 5 个信号的数据,分析讨论了接收机对不同信号测量的载噪比,并利用双频和三频组合对多径进行了评估,以及 QZSS 使用的两个独立天线的信号,确定卫星姿态15.国内学者楼益栋从可用性、空间信号精度、用户动态精密单点定位几个方面对 QZSS 系统 L1-SAIF 与 LEX 两类增强信号在中国区域的性能进行较为全面的评估,结果表明 L1-SAIF 信号可以达到与目前的 SBAS 相同的精度,LEX 信号可以实现实时分米级定位16.2017 年 QZSS 系统发射 2-4 号卫星之前,国内外学者对 QZSS 系统的研究多集中在2010 年发射的 1 号星.2018 年 11 月 1 日 QZSS 系统正式运行,相信对该系统的研究成果会越来越多.1.3 研究目的及主要内容基于目前 QZSS 卫星导航系统性能评估的研究现状,本文旨在卫星导航系统性能评估的理论和方法的基础上,对 QZSS 卫星导航系统的系统概况、运行状态、多路径效应、广播电离层改正模型精度、广播星历精度及对 GPS 定位服务性能的增强这几个方面进行研究,为未来对该系统的研究与应用提供参考.