GPS系统（中）的关键性能分析

0501＆2 2014卫星教室GPS系统关键性能分析（中）第20讲可用性GPS系统可用性是指预期的定位精度在指定的时间范围内小于服务区域内的指定位置. 值的时间百分比. 表征系统可用性的定义还包括位置精度因子PDOP（位置稀释精度）可用性，标准定位服务空间信号可用性（SPS SIS可用性），单轨道位置可用性（每时隙可用性），星座可用性（星座可用性）和系统服务的可用性（Service Availability），相关定义如下. 位置精度因子PDOP的可用性是指位置精度因子PDOP在指定的时间范围内小于或等于指定值的时间百分比. 标准定位服务空间信号可用性是指GPS星座中指定轨道位置的导航卫星可以广播可跟踪的健康标准定位服务空间信号的概率. 导航信号的可用性与导航卫星的健康状态有关. 导航信号的可用性仅确保可以准确测量卫星和用户机器之间的伪距. PNT导航服务的可用性要求用户的GPS至少可以接收和锁定空间中3颗导航卫星广播的信号（用于二维平面定位，并为刘天雄051卫星网络标准定位服务空间信号提供导航卫星的信号） GPS星座中指定的轨道位置中的时间百分比.

轨道位置的可用性主要取决于卫星的设计以及地面操作控制部分的卫星在轨维护和卫星故障响应策略. 星座可用性是指能够在GPS星座中指定数量的轨道位置上广播可追踪的健康标准定位服务空间信号的导航卫星所占时间的百分比. 星座的可用性主要取决于各个轨道位置的可用性，卫星发射策略和卫星离轨处理标准. 系统服务可用性是指空间星座几何配置位置精度因子PDOP小于或等于6时的时间百分比. 服务可用性是系统的固有，可预测和可量化的特征. 可以建立数学模型来计算预期的可用性指标，而不是瞬时特性. GPS系统服务的可用性不仅包括星座几何，而且还包括预期的用户测距误差URE对用户性能的影响. 在综合考虑星座几何形状和用户测距误差URE的影响后，服务可用性必须保证在指定的公差范围内至少有最小的时间百分比，并且其预测的误差公差的置信度为95％. 服务可用性可以分为两类: 水平服务可用性和高程服务可行性. 同样，必须考虑水平精度因子HDOP和垂直精度因子VDOP以及用户测距误差URE的影响. GPS系统的可用性通常可以等同于定位，导航和定时误差. GPS系统仅在小于特定阈值时才可用. 因此，需要一个参考系统来独立测量上述误差.

对于某些应用程序，系统必须满足其他条件（例如，完整的可用性取决于环境的物理特性和设备的技术能力. 可用性是系统提供定位，导航和定时的能力的特征） （PNT）在指定覆盖区域内的服务能力如果不能保证PNT的可用性，则不可能在战时依赖武器系统的有效性，并且飞机也不能依靠卫星导航系统来进近和降落导航，尤其是精密进场. 052卫星教室1和2 2014年性）. 影响GPS系统可用性的因素多种多样. 三个最有影响力的因素是星座结构，导航卫星在用户上方的可见性以及用户周围的物理环境，例如山脉，高楼大厦，大树和用户附近的其他物体. 如图3所示，用户上方的一些甚至全部导航卫星将被遮挡. 如图4所示，从而影响用户上方的导航卫星的可见性. 单个轨道位置的GPS标准定位服务空间信号可用性标准空间信号可用性标准条件和约束条件是标称24个卫星轨道位置的星座配置. 每个轨道位置都有一颗卫星广播标准定位服务的健康空间信号. 轨道位置可用性概率0.957；在扩展24个卫星轨道位置的星座配置且某些轨道位置有两颗卫星广播标准定位服务的健康定位信号的情况下，单轨道位置可用性的概率为0.957；在该星座中，标称的24个卫星轨道位置被计算出来，所有单个轨道位置的可用性都被计算出来，并且计算出平均值，通常每年计算一次；卫星广播了健康的标准定位服务空间信号，还满足了其他标准定位能标准的要求.

GPS标准定位服务空间信号星座可用性标准空间信号可用性标准条件和约束在标称24个卫星轨道位置的星座中，至少21颗轨道导航卫星可以广播健康的标准定位服务空间信号条件星座可用性概率为当某些轨道上的两颗卫星足以广播健康的标准定位服务空间信号时，则为0.98. 在24颗卫星的星座中，星座可用性概率为0.98. 在至少有20颗轨道导航卫星可以广播健康标准定位服务空间信号的情况下，或者在24个卫星的扩展星座中，某些卫星有两颗卫星足以广播健康标准定位服务空间信号. 星座图可用性概率为0.9999. 在标称的24个卫星轨道位置的星座中，计算所有单个轨道位置的可用性并计算平均值，通常每年计算一次. 卫星广播健康的标准定位服务空间信号，并且还满足标准定位服务. 性能标准的其他要求. 053卫星网络（1）根据GPS系统标准定位能标准的可用性标准，2008年9月，第四版相关说明（全球定位系统，标准定位能标准，2008年9月4日，第4版），单个轨道位置包括标准它是指24个卫星轨道位置的星座，并且还包括扩展轨道位置的导航星座. 表4列出了单个轨道位置的GPS标准定位服务（SPS）空间信号（SIS）的可用性标准. 表5显示了星座可用性标准. 在24个卫星的名义星座中，表6列出了在轨卫星总数的标准. 只要在24个名义卫星位置星座中至少有21颗轨道导航卫星，它们就可以广播健康标准. 定位服务空间信号，或在扩展的24颗卫星的星座中，某些轨道上的两颗卫星足以广播健康的标准定位服务空间信号. 在5度的高度下，用户视场的位置精度因子PDOP. 该值将小于或等于6，在任何恒星日中，全球平均可信度为98％. 在任何一个星日中，世界上最糟糕的地方的置信度为88％；在扩展24个卫星星座时，某些轨道上的两颗卫星足以广播健康的标准定位服务空间信号，从而可以大大提高星座可用性的“稳健性”，也称为“稳健性”，从而提高了性能标准定位服务空间信号，但目前尚未进行定量评估.

标准定位服务空间信号的可用性测量时间范围必须长于星座服务中断和可用性恢复之间的平均时间. 在GPS系统空间段Walker24 / 6/2星座和相关服务范围的约束下，表7中显示了GPS系统位置精度因子PDOP可用性标准. 当满足GPS系统位置精度因子PDOP可用性标准时，空间使用信号可用性标准和约束. 不管在轨导航卫星是否在标称星座的轨道位置上，星座中至少有24颗卫星在轨的概率为0.95. 数据是任何一天的平均值，适用于星座中的所有在轨卫星. 在轨卫星被定义为能够广播导航星历表数据的卫星，无论卫星广播的标准定位服务空间信号是否健康，卫星广播的标准定位服务空间信号是否满足卫星的性能标准. 空间信号. 在轨标准054卫星教室卫星教室1和2的在轨工作卫星总数2014 GPS卫星导航系统空间段Walker24 / 6/2星座和卫星广播标准定位服务空间信号用户，其定位范围为URE精度（请参见下文）系统位置服务可用性标准如表8所示. 3.2 GPS系统星座可用性3.2.1 GPS星座简介美国政府的GPS系统卫星星座为Walker24 / 6/2星座. 基本配置由24颗MEO轨道卫星组成. 卫星位于六个在地心轨道平面中，每个轨道平面中有4个卫星，如图2所示. 5.

卫星的轨道几乎是圆形的，轨道半径（从地球质心到卫星的距离）为26600 km，它们沿赤道均匀地以60个间隔分布. 相对于赤道平面的倾角为55. 卫星轨道周期为半个星日，准确时间为11h 58m. 卫星轨道周期是恒定的标准定位服务定位可用性标准定位服务可用性标准条件和约束条件的一半gps系统结构分析，平均条件，水平定位服务可用性平均位置和高程定位服务可用性仅取决于空间导航信号，并且水平定位精度阈值为17m（置信度9 5％）；仅依靠空间导航信号，高程定位精度阈值为37mgps系统结构分析，（置信度为95％）；在服务区域（从水面到大海的3,000公里）内的任何24小时范围内，计算出的定位和计时结果均满足典型的用户要求；最坏的情况，水平定位服务的可用性最坏的情况，高程定位服务的可用性90％PDOP可用性标准条件和全球PDOP6约束的概率98％最坏的情况PDOP6概率在任何24小时范围内在服务区域（从地面到海拔3000公里）级别），计算出的定位和计时结果符合典型的用户要求. 位置精度因子PDOP可用性标准055卫星网络. 因此，在接下来的12小时内，卫星的覆盖范围将反复出现在地球上. 当地球自转180度时，另一侧12h，卫星覆盖区将交换），GPS系统的空间卫星星座将为全球用户提供全天候，全天候的PNT服务.

GPS系统空间段是指由导航卫星组成的空间星座. 每个卫星广播的L波段基本导航信号包括伪随机噪声代码PRN（伪随机噪声）测距信号，并包括卫星轨道位置（星历和年历）和其他导航消息，其中，导航消息会定期注入以进行过渡导航地面控制部分的卫星，以及卫星星历表和星载原子钟的时钟校正数据都进行了更新，因此用户可以准确地测量恒星与地面之间的距离. 3.2.2 GPS卫星导航信号简介每个GPS导航卫星广播信号/ BlockIIA卫星标准定位服务SPS导航信号的生成和广播过程的伪随机噪声代码是一个唯一的056 Satelite教室卫星教室1和2 2014对于测距，它还用于识别星座中的哪颗卫星. GPS导航卫星标准定位服务SPS测距信号的生成，处理和广播过程如图6所示. GPS卫星同时广播L1（1575.42 MHz）和L2（1227.6 MHz）扩频测距信号. 目的是支持精确定位的PPS用户，以实现双频电离层校正. GPS系统空间部分中的Block II系列导航卫星的设计寿命为7.5至10年. 卫星的设计寿命取决于产品设计状态，关键子系统的多重备份和冗余设计，卫星的自主健康管理以及合格的空间识别产品.

Block II系列导航卫星几乎不需要地面干预，并且可以独立执行许多在轨维修工作. 在此期间，它不会影响下行链路测距信号的正常广播. 在定期上传星历表，机载原子钟和电离层校正数据之后，尽管Block II / IIA系列导航卫星将在6至24秒内中断生成新导航消息的过程，但不会影响下行链路测距信号的正常性. 3.2.3 GPS星座卫星的可用性分析GPS系统星座卫星的可用性是两个变量的函数，一方面是每个GPS卫星在其整个生命周期内的可靠性（可靠性），可维护性（可用性）和可用性（可用性）. 特性，称为RMA特性；第二个方面是每个卫星生命周期尽头的可更换性. GPS卫星被设计为能够在其整个生命周期中连续工作. 但是，由于卫星电子设备的随机故障和计划中的事件（例如维护卫星的位置），GPS卫星将发布GPS卫星RMA特征参数实际值理论/设计每颗卫星每年的所有估计短期中断（小时）35.6每年每颗卫星的所有计划短期中断（小时）18.7 24每年每颗卫星的计划外短期中断（小时）39.3 64每颗卫星每年的实际总短时中断时间（小时）58.0 88平均正常工作两次卫星中断之间的时间（小时）/ MTBF 10749.4 2346.4平均两次卫星维修时间（小时）/ MTTR 48.2 17.1两颗卫星出现的时间平均中断间隔时间（小时）/ MTBDE 3255.9 1528.8平均卫星中断时间（小时）/ MDT 21.5 15.4计划外每颗卫星每年的短期干扰0.9 3.7每颗卫星每年的计划的短期干扰1.9 2.0平均而言，每颗卫星的支出每年短暂中断2.7 5.7卫星年度平均可用率（计划中断）99.79％99.73％卫星年度平均可用率（所有中断）99.34％99.00％GPS卫星RMA特性比较（1994年1月-2000年7月）057卫星网络运行状况短暂中断

2001年10月发布的标准SPS性能标准给出了1994年1月至2000年7月Block II / IIA卫星的RMA特性的理论和实际统计比较，如表9所示. MTBF是平均故障间隔时间的缩写，表示卫星中断之间的平均正常工作时间. MTTR是MeanTime Repair的缩写，表示平均卫星中断修复时间； MTBDE是“ Downing两次事件之间的平均时间”的缩写，表示中文. MDT是MeanDown Time的缩写，它表示卫星中断的平均时间. 请注意，尽管每颗卫星的实际总短期中断时间的实际值小于理论设计值，可以满足卫星系统的设计要求，但平均卫星中断时间MDT的实际值仍大于设计寿命结束后的理论上设定的卫星运行时间. 通常，卫星的功能会降低，性能指标也会降低. 但是，地面运行控制系统将尽一切努力采取必要措施，以延长卫星在轨服务时间，同时保持其功能和性能. 更换故障卫星的时间点取决于相应的轨道平面中是否有在轨备用卫星. 目前，美国军方有两个原则来更换失效的导航卫星. 一种是如果相应轨道平面上的轨道上有备用卫星，则应在30天内将备用卫星操纵到故障导航卫星的相位； ，备用卫星应在120天内到达故障导航卫星的轨道位置.

美国政府的目的是最小化导航卫星在轨道上发生故障的可能性对GPS系统可用性的影响. 如果地面运行控制系统认为需要在某个轨道平面的某个相位上补充备用导航卫星，则该项目将开始启动新的导航备用卫星计划节点要求，并将备用卫星安排为根据时间节点的要求，所需的轨道平面. 在特定的相位位置. 美国政府管理导航卫星星座的目的是确保MEO轨道上的24颗标称卫星中有22颗在标称阶段正常运行（健康）. 例如，从1995年1月1日至1999年4月30日，为了满足正常运行（健康）的导航卫星数量的要求，将根据时间节点将备用卫星的百分比安排到所需的轨道平面上要求如下图所示. 显示了图7. 为了减轻导航卫星停运时对GPS系统星座几何形状和服务可用性的潜在影响，美国政府要求地面运营控制系统每月评估一次全球精度因子DOP值分布图. 美国空军的GPS运营中心每天24小时内在全球范围内发布位置精度因子PDOP（最大值）的变化信息，如图8所示. 如果PDOP值接近或大于大于6，则意味着当前卫星卫星在空间上的几何分布非常差，接收机的解算结果将具有较大的误差.

位置精确度因子PDOP是用于计算定位结果的“自2014年以来058个卫星教室1和2类GPS导航卫星星座大小分布统计信息”. 如果PDOP值为2，则给出的定位结果的精度为: 当PDOP值为1时，则为一半. 最大可接受精度因子PDOP值的阈值取决于用户要求的精度级别. 因此，GPS可用性将取决于精度要求的严格性. 通常，GPS可以用于一天之内的全球位置精度因子PDOP的分布. 该选项指定为PDOP6，通常在GPS性能指标中用作服务可用性阈值. 在全球范围内评估精度因子DOP值时，地面运行控制系统会从星座中移走两颗正在工作的导航卫星，以识别哪个轨道平面上的哪个相位对系统服务可用性产生更大的影响，并制定维护措施. 在实施维护措施之前，地面运行控制系统还应采取相关的安全保证措施，以避免对用户造成不必要的影响. 如果将来发现影响系统的问题，则地面操作控制系统需要尽可能采取必要的对策. 如果无法采取任何措施，美国政府应在预计系统服务降级或不可用之前48小时通知GPS用户. GPS系统关键性能分析（上）作者: 刘天雄作者: 职务: 卫星网络英文标题: Satellite 2014（1）引用格式: 刘天雄GPS系统关键性能分析（上）[论文]-卫星与网络2014（1）

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/shumachanpin/article-150158-1.html