3sNews讯 一直以来，全球导航卫星系统主要是为全球海陆空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精度位置、速度和时间信息。目前应用最广泛的两个导航卫星系统是美国的GPS和俄罗斯的GLONASS(尽管GLONASS目前还不是一个完整的系统)。现在，全球导航卫星系统技术已被公认为是现代运输、能源和通讯基础设施的重要组成部分。然而，它却很容易在系统、信号和服务等方面出现漏洞或者故障，这些都可能会降低系统性能，从而严重影响服务质量。
随着人们对全球导航卫星系统技术依赖性的增强，一些分析其性能缺陷对安全、保密和商业方面造成影响的研究也不断出现，最著名的当属美国的沃尔皮报告(Volpe Report)和英国的OFCOM研究。OFCOM研究调查了GPS信号失灵对英国商业和家庭服务的影响力，这项研究着重强调了基础活动对GPS的依赖性逐渐增强，建议“发展一个长效、稳定的GPS信号信息通报机制。”
但是面对全球导航卫星系统可能出现的漏洞和故障，怎样才能避免或减少其发生呢?这些都将通过对全球导航卫星系统服务、定位质量的监测来体现。
GNSS不同类型的漏洞和问题
全球导航卫星系统是基于对卫星信号时间编码的接收和处理来实现定位的。然而，GNSS定位是一个非常复杂的过程，很容易受到外界及自身错误的干扰。在各个阶段，系统都存在着潜在的漏洞和问题，从信息生成、上行链路至卫星到信号传输，再到接收器接收并处理信息都是如此。
右表为全球卫星导航系统潜在漏洞和问题类型概述，包括系统误差和导航误差。系统误差是指那些由GNSS地面和空间系统产生的问题，取决于卫星信号传输地点;导航误差则是因环境影响或者接收器失灵引起的。
系统误差
●卫星星历误差
●卫星钟差
●SA干扰误差
●硬件漂移误差
●频率间偏置
●轨道运行偏差
●信号格式异常
●状态信息异常
●参照坐标误差
导航误差
●多路径效应
●伪距和载波相位
●频率偏差
●电离层折射误差
●电离层校正误差
●对流层折射误差
●信号接收误差
●导航信息读取误差
●接收器计算错误误差
遗憾的是，现有系统(如GPS)并不具有精良的监测能力，因此系统问题可能会不断积累而且很难察觉。
比如卫星钟差是GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别，GPS卫星钟差可造成数千米的误差。信号调制误差会导致卫星信号失真，观测到的垂直导航系统误差在2到8米之间。由不正确的卫星轨道模型引起的误差会导致卫星广播坐标出现偏差。该误差还会导致测距误差在大约两周的时间里逐步累积，测距误差可能会高达40米。
一些未知的轨道调整也会影响定位的精度。在太阳风暴期，电离层闪烁会使航天器进入探测模式，而此时航天器将会偏离其正常轨道。
对漏洞和问题的预防
基础设施的更新、数学算法的引入等方法可以防止故障的发生，比如差分系统会对比GNSS观测数据，如果与预期或已知值出现偏差，就表明存在测量或者位置误差。在广域差分系统中，误差被分解到卫星轨道、时钟和大气等方面。
欧洲对地静止导航覆盖系统(EGNOS)等系统已经取得了一些不错成果，EGNOS由欧空局全面负责系统的技术设计和工程建设，覆盖整个欧洲大陆。在为用户提供误差改正信息的同时，该系统还会在特定应用程序引起系统错误的时候发出警告。
最有名的数学处理方法当属接收器自主完整性监测(RAIM)算法，它利用接收机自身多余的观测值来监测用户定位结果的完备性，并对卫星故障进行一致性检测和识别。其目的是在导航过程中检测出发生故障的卫星，并保障导航定位精度。RAIM的核心内容是粗差的探测和定位。
目前利用GPS信号进行检测的RAIM算法分为3种：距离比较法、奇偶矢量法和最小二乘残差法。3 种算法都要求可见卫星数在5 颗以上才可进行GPS 完整性检测;6颗以上才可能辨识出故障卫星。
GNSS性能监测可以预防一些漏洞和问题（3sNews配图）
监控全球导航卫星系统的性能
然而，在现今的大多数GNSS应用程序中，信号有效性、信号调节能力、执行增强算法等技术都还不完备。不过已经有越来越多的公司和组织注意到GNSS信号稳定的重要性，并采取了很多的举措来进行监测和维护。
NSL是一家英国卫星导航公司，专门为各种应用程序提供可靠而完善的全球导航卫星系统技术。为了解决这个问题，NSL公司已经开始通过使用一种名为GNSS信号监测台(GISMO)的显示工具。GISMO可为任何特定应用程序提供GNSS定位和定时的全面分析。该软件套件可与任意提供双频解码和载波数据的GNSS网络同时运行。
通过监测与预报的结合，GISMO还可以识别GNSS中可以预见的影响服务可用性和准确性的故障，以及不可预见的可能影响服务连续性的故障。GISMO生成的图像和说明性结果可以实现在线显示，也可以生成周期性报告。该系统可提供卫星可用性、准确性和完整性、信号接收和信号质量统计、识别故障和问题、已发布的导航星用户通告咨询(NANU)记录、卫星测距误差分析、站点误差分析与建模等监测服务。
GISMO数据分析工具可以从GNSS卫星所有记录信号中把错误锁定在一定范围内，并提供每一个监测站的定位错误、完善性以及精度保障。利用先进算法和模型将误差可以分为卫星轨道误差、卫星钟差、卫星多路径效应、星历误差、电离层折射误差等，这些误差可以用来确定每个监测站的定位误差，它们可能会因差分GNSS接收器的改变而发生变化。例如对有些GNSS接收器来说，定位引擎会通过标准算法来模拟并消除电离层和对流层的折射误差;与此同时，有些接收器则不会使用大气模型，而是通过完善定位技术来提高定位精度。GISMO 是一种商业服务，可根据特定用户的需求为其量身定制，如接收器使用类型、网络分布和输出类型需求等，还包括季度报告和不间断的网络托管服务。
GPS的未来?
下图是GNSS Assurance网站的一幅截图。图中的分析结果包括定位误差、RAIM完整性、以及GNSS接收器输出的其它记录等(如可见卫星信息、水平精度因子)。网站提供了对GNSS质量非常具体的描述信息，并列举每日统计量和当前性能。
GNSS Assurance网站上面的分析结果（3sNews配图）
目前，GNSS正在进入一个剧烈变动的时期，它将影响到相关的应用程序和用户。多年来，GPS和GLONASS是仅有的两个全球导航卫星系统。不过，随着新的全球和区域系统、增值服务和试验卫星的出现，这一局面很快就会被打破。此外，随着GPS第三阶段计划以及GLONASS M和K计划的实施，GPS和GLONASS都将进入其自己的高级发展阶段。
在未来5到10年里，伽利略系统和北斗系统将会实现全面运作，并与GPS和GLONASS一起通过现代调制技术和创新服务来传播新信号。就区域级系统而言，印度和日本都正在加快各自导航卫星系统计划的实施，分别为印度区域导航系统(IRNSS)和准天顶卫星系统(QZSS)，其中，QZSS已进入集成和测试阶段。
同时，IRNSS和 QZSS都将提供新的信号和服务。加上这些系统，轨道上同时可能会有120颗导航卫星运行，也就是说在任一时刻用户都有大约40颗可用卫星，以及至少两个频率的信号。
显然，这将提高定位精度和卫星的可用性。依赖于环境和接收器的复杂性，系统将能够执行厘米级的实时定位，或在许多因信号堵塞而无法定位的地方达到米级的定位精度。
NSL公司认为，随着政府对GNSS依赖性的增强，像GISMO这样的监测工具的重要性将会进一步提高。例如在英国，GNSS已经被考虑用于民用航空、精密导航、列车控制、道路收费、犯罪追踪和危险货物监控等。(编译 刘丽)
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