GPS系统的关键性能分析（中）

卫星教室GPS系统关键性能分析（中）+刘天雄第二十次演讲图4山区和城市摩天大楼阻挡了导航信号3可用性GPS系统可用性是指在指定时间范围内，对于服务区内的任何位置，定位精度低于指定值的估计时间百分比. 系统可用性的定义还包括位置精度因子PDOP（精确度位置稀释）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）和系统服务可用性定义如下. 位置精度因子PDOP可用性是指位置精度因子PDOP在指定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且健康的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特定卫星与用户机器之间的伪距. 在锁定空间中由3个导航卫星广播的信号（用于2D平面定位和定时）.

单轨位置可用性是指根据环境物理特性和设备技术能力广播可跟踪且健康的0501和2 2014可用性的能力. 可用性表征系统在指定覆盖范围内提供定位，导航和定时（PNT）服务的能力. 如果不能保证PNT的可用性，就不可能依靠战时武器系统的有效性，而且飞机也就不可能依靠卫星导航系统进行进近和着陆导航，特别是精确进近. 具有标准定位服务空间信号的导航卫星处于GPS星座中指定的轨道位置的时间百分比. 轨道位置的可用性主要取决于卫星设计策略和地面运行控制部分的卫星在轨维护和卫星故障响应. 星座可用性是指能够广播可跟踪且健康的标准定位服务空间信号的导航卫星在GPS星座中指定了一定数量的轨道位置的时间百分比. 星座的可用性主要取决于单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系统服务可用性不仅包括星座几何形状，还包括预测的用户测距误差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，在指定的公差范围内，服务可用性必须至少保证最小的时间百分比，并且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. 还应综合考虑水平精度因子HDOP和垂直精度因子VDOP以及用户测距误差URE的影响. 当且仅当它小于某个阈值时，GPS系统才可用，GPS系统的可用性通常可以等同于定位，导航和定时误差. 因此，需要参考系统来独立测量上述误差. 对于某些应用，系统必须满足其他条件（例如，完整的051 Satellite＆NetworkSatelite教室卫星教室表4 GPS标准定位服务空间信号单轨道位置可用性标准空间信号可用性标准？在标称24个卫星轨道位置中的星座）配置，如果健康的空间信号具有由每颗卫星广播的标准定位服务，则单个轨道位置的可用性概率≥0.957；在具有24个卫星轨道位置扩展的星座配置中，有两个卫星广播某些轨道位置的标准在用于定位服务的健康空间信号的情况下，单个轨道位置的可用性概率≥0.957 ；?条件和约束条件根据名义上24个卫星轨道位置的星座，计算所有单个轨道位置的可用性并计算平均值erage，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，也满足其他标准定位能标准的要求.

??表5 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在标称24个卫星轨道位置的星座中，至少有21颗轨道导航卫星可以广播健康的标准定位服务空间. 如果是信号，或者在扩展24个卫星的星座中，并且在某些轨道中有两个卫星足以广播健康的标准定位服务空间信号，在标称的24个卫星轨道位置的星座中，星座可用性的概率≥，至少20颗轨道导航卫星可以广播健康的标准定位服务空间信号，或者在24个卫星的星座中，两个在某些轨道上的卫星足以广播健康的标准定位服务空间信号. 在星座图可用性概率≥0.99999的情况下； 0.98;条件和约束？在一个名义上的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，同时还满足标准定位能标准的其他要求. ??性别）视为可以使用. 影响GPS系统可用性的因素很多，其中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度以及用户周围的自然环境，例如山脉，高楼大厦，如图3所示，用户上方的部分或什至全部导航卫星将被遮挡. 4，从而影响用户上方导航卫星的可见性.

0521＆2 2014表6在轨运行的卫星总数标准空间信号可用性标准条轨道上的导航卫星是否处于标称星座的轨道位置，即星座中至少有24颗卫星的概率轨道上运行的卫星≥0.95，约束数据是一天中的平均值，并且适用于星座中在轨工作的所有卫星. 轨道卫星被定义为能够广播导航星历表数据的卫星，而与卫星广播的标准定位服务空间信号是否健康以及卫星广播的标准定位服务空间信号是否满足空间信号性能无关标准. （1）可用性标准根据GPS系统标准定位能标准2008年9月第四版（全球定位系统，标准定位能标准，2008年9月第四版），单个轨道位置包括标称的24个卫星轨道位置，包括导航在扩展轨道位置星座中，GPS标准定位服务（SPS）空间信号（SIS）单轨道位置可用性标准如表4所示；星座可用性标准如表5所示；标称24颗卫星在导航星座中，在轨卫星总数的标准如表6所示. ●只要星座中至少有21颗卫星gps系统结构分析，标称24颗卫星的轨道位置，即健康的标准位置可以广播服务空间信号，或者在扩展了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. 在高度为5°且遮挡角较高的情况下，用户视野的位置精度因子PDOP值将小于或等于6. 在任何恒星日和任何恒星中，全球平均置信度均为98％当日全球最差地区的信心水平是88％； ●在24个卫星星座的扩展中，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，从而可以大大提高星座可用性的鲁棒性. “”，也称为“鲁棒性”，从而提高了标准定位服务空间信号的性能，但目前尚无定量评估.

●标准定位服务空间信号的可用性测量时间范围必须大于星座服务中断到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，而GPS系统位置精度因子PDOP可用性标准为053Satellite＆NetworkSatelite教室卫星教室表7位置精度因子PDOP可用性标准PDOP可用性标准？全球PDOP≤6≥98％的概率最坏情况下PDOP≤6≥88％的条件和约束条件在服务区域内（地面到海拔3000公里以内）的任何24小时范围内，所计算出的定位和计时结果均满足典型用户. 表8标准定位服务定位可用性标准定位服务可用性标准？？？平均位置，水平定位服务可用性≥99％平均位置，海拔定位服务可用性≥99％最坏情况，水平定位服务可用性≥90％最坏情况，海拔定位服务可用性≥90％条件和约束？？？仅依靠空间导航信号，水平定位精度阈值为17m（置信度为95％）；仅依靠空间导航字母，高程定位精度阈值为37m，（置信度为95％）；在服务区域内（从地面到海拔3000公里）的任何24小时内，计算出的定位和计时结果均满足典型的用户要求；和卫星广播标准定位服务空间信号用户测距URE精度（见下文）前提下，GPS系统定位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Walker24 / 6/2星座，基本配置由24颗MEO轨道卫星组成，这些卫星位于6个地心轨道平面中，每个轨道平面有4颗卫星，如图5所示.

卫星轨道接近一个圆，轨道半径（从地球质心到卫星的距离）为26600 km，它们沿赤道以60°的间隔均匀分布，倾角为相对于赤道平面为55°，卫星轨道周期为一半对于一个恒星日，确切的时间是11h 58m. 卫星轨道周期是一个常数的一半. 图5 GPS卫星导航系统的空间段Walker24 / 6/2星座0541和2 2014 2014图6 IIA块卫星标准定位服务SPS导航信号的产生和广播过程处于星日，因此卫星覆盖范围将在接下来的12h周期内反复出现地球的另一侧（地球将在12h旋转180°，并且将交换卫星覆盖区域）. GPS系统的空间卫星星座为全球用户提供全天候和全天候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码PRN（伪随机噪声）测距信号和卫星轨道位置（星历和年历）. 该信息的导航消息，其中该导航消息被周期性地从地面控制部分注入到过境导航卫星中，从而更新卫星星历和星载原子钟的时差校正数据，从而使用户可以准确测量星星与地球之间的距离. 3.2.2 GPS卫星导航信号简介每个GPS导航卫星广播信号的伪随机噪声代码/ 055Satellite＆NetworkSatelite教室卫星教室GPS卫星RMA特征参数所有卫星均预期每个卫星每年（小时）的短中断时间短期每年所有计划的中断时间（小时）每年所有计划中所有卫星的短期中断时间（小时）/ MTBF平均卫星中断修复时间（小时）/ MTTR两次卫星中断之间的平均时间（小时） / MTBDE平均卫星中断时间（小时）/ MDT每年每颗卫星的意外发生临时中断事件计划的每颗卫星每年的中断事件计划的每颗卫星每年的平均中断事件的平均年度卫星可用性（计划的中断）平均卫星的年度可用性（所有中断）实际值35.6 18.7 39.3 58.0 10749.4 48.2 3255.9 21.5 0.9 1.9 2.7 99.79％99.34％不是理论/设计值24 64 88 2346.4 17.1 1528.8 15.4 3.7 2.0 5.7 99.73％99.00％表9 GPS卫星RMA特性比较（1994年1月至2000年7月）一方面PRN是独特的另一方面，它还用于识别星座中的卫星. GPS导航卫星标准定位服务SPS的测距信号生成，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. 其目的是支持PPS用户的精确定位，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，独立于卫星的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，并且可以独立完成许多在轨维修和维护工作. 在此期间，它们不会影响下行链路测距信号的正常广播. 在定期上传星历，星载原子钟和电离层校正数据之后，尽管Block II / IIA系列导航卫星在生成新导航消息期间会中断6至24秒，但不会影响下行链路测距信号的正常性. 广播. 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，一方面是整个生命周期中每个GPS卫星的可靠性（可靠性），可维护性（Maintainability）和可用性（可用性）特性，称为RMA特性；第二个方面是每个卫星寿命结束时轨道相位的可替换性. GPS卫星旨在具有在其整个使用寿命中连续工作的能力. 但是，由于卫星电子设备的随机故障以及维持卫星位置的机动性，计划中的事件（例如GPS卫星）将导致0561＆2 2014短暂中断.

2001年10月发布的标准定位服务SPS性能标准对1994年1月至2000年7月Block II / IIA卫星的RMA特性进行了理论和实际的统计比较，如表9所示. ●MTBF是平均故障间隔时间的缩写，中文表示两次卫星中断之间的正常工作平均时间； ●MTTR是平均维修时间的缩写，中文是平均卫星维修时间； ●MTBDE是事件之间的平均间隔时间，中文表示两次卫星中断之间的平均时间； ●MDT是平均停机时间的缩写，中文是指卫星中断的平均时间. 注意，尽管每年每颗卫星的实际总短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的实际值仍大于理论设计值. 当卫星的工作时间达到设计寿命的终点时，一般卫星的功能将下降，性能指标将下降，但是地面运行控制系统将尽最大努力采取必要措施，延长卫星的轨道服务时间，同时保持其运行时间. 功能和性能. 发生故障的卫星的更换时间取决于相应轨道平面上的轨道上是否有备用卫星. 目前gps系统结构分析，美军更换无效的导航卫星有两个原则. 一个是如果相应的轨道飞机有在轨备用卫星，则备用卫星应在30天内调动到故障导航卫星的相位；第二个是是否需要发射新的备用卫星. ，则备用卫星应在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大程度地减少在轨导航卫星故障概率对GPS系统可用性的影响. 如果地面运行控制系统认为有必要在某个轨道平面的相位位置补充备用导航卫星，则该项目将启动新的导航备用卫星计划节点要求的发射，并将安排备用卫星根据时间节点要求，在特定的相位位置到达所需的轨道平面. 美国政府对导航卫星星座进行管理的目的是确保24个标称MEO轨道卫星中的22个在标称阶段运行（正常）. 例如，从1995年1月1日到1999年4月30日，为了满足在轨正常（健康）导航卫星的数量要求，备用卫星将根据时间节点的要求安排在所需的轨道平面上. 所示为7. 为了减轻导航卫星停运时对GPS系统星座几何结构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全球精度因子DOP值分布图. 美国空军的GPS运营中心在过去24小时内发布全球位置精度因子PDOP（最大值）的每日变化，如图8所示. 如果PDOP值接近或大于6，则表示导航卫星在空间中的几何分布非常差，接收机的计算结果误差会更大.

定位精度因子PDOP是定位结果的一种解决方案. “由于057Satellite＆NetworkSatelite教室卫星教室图7 GPS导航卫星星座尺寸分布统计”，如果PDOP值为2，则接收机给出的定位结果的精度为PDOP值为1时的一半. 最大可接受精度因子PDOP的值取决于用户要求的精度等级. 因此，GPS可用性将取决于精度要求的严格性. 通常，GPS可以在0581和2 2014中使用. 图8.一天中全球范围内的位置精度因子PDOP的分布. 性能选择指定为PDOP≤6，通常在GPS性能指标中用作服务可用性阈值. 在评估全局精度因子的DOP值时，地面操作控制系统从星座中移走了两颗正常的导航卫星，以确定哪个轨道平面上的哪个相位对系统的服务可用性产生更大的影响（维护措施）. 在实施维护措施之前，地面运行控制系统还必须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. 如果确定了将来会影响系统的问题，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，美国政府应在预期的系统服务降级或无法提供服务之前48小时通知GPS用户. 关键性能分析（中）059Satellite＆NetworkGPS system作者: 作者: 职务: 英文职称: 年，体积（时期）: Liu Tianxiong卫星网络Satellite＆Network 2014（1）引用格式: Key Liu Tianxiong GPS系统性能分析（中） [期刊论文] -Satellite and Network 2014（1）

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