【免费下载】GPS标准定位服务性能规范评估方法

GPS标准定位服务性能规范评估方法GPS标准定位服务性能规范是目前国际上比较成熟的卫星导航系统服务性能指标体系，该规范给出了服务性能指标的定义和GPS的实测结果，但没有给出具体的计算方法。本文全面分析了GPS标准定位服务性能规范中指标的意义，并给出了指标的具体计算方法。另外，利用2013年1月至11月的星历和观测数据，按照给出的方法对GPS的性能进行了统计结果证明利用本文中的计算方法可以得到和GPS标准定位服务规范一致的结果。随着各大导航系统的发展，卫星导航领域内的竞争日趋激烈，系统服务性能的优劣是竞争输赢的关键，开展卫星导航系统服务性能监测至关重要，有助于推动GNSS服务性能标体系和评估方法的发展，进一步提升卫星导航系统的性能。然而，GNSS服务领域内尚未形成的统一的服务性能标准体系，当前，GPS已发布了《GPS标准定位服务性能标准》（GlobalPositioningSystemStandardPositioningServicePerformanceStandard，GPSSPSPS）和《GPS精密定位服务性能标准》（GlobalPositioningSystemPrecisePositioningServicePerformanceStandard，GPSPPSPS）以及针对星基增强服务定义的《GPS广域增强系统性能标准》（GlobalPositioningSystemWideAreaAugmentationSystemPerformanceStandard，GPSWAASPS）等，GPSSPSPS为民用用户使用，GPSPPSPS为军事和特定用户使用。GLONASS未发布类似的标准体系。北斗于2013年12月27日以官方的形式正式发布了《北斗卫星导航系统公开服务性能规范V1.0版》。相对而言，《GPS标准定位服务性能标准》比较成熟，因此深入研究《GPS标准定位服务性能标准》具有重要的意义，为我国北斗卫星导航系统服务性能指标标准的完善提供参考，对指导北斗系统建设有借鉴意义。本文在全面研究《GPS标准定位服务性能标准》的性能指标的基础上，描述了各指标的定义和具体计算方法，利用CCDIS数据中心提供的星历和观测数据对GPS的空间信号覆盖性、空间信号精度、连续性、可用性和DOP可用性等性能指标进行了测试评估。1、性能指标定义及计算方法为满足航空、航海等各行业的需求，近几年来卫星导航系统性能指标体系不断发展完善。国外众多机构都对卫星导航系统性能指标体系进行了研究，如：美国交通部发布的《GPS民用性能监测标准》[1]，美国民航部发布的《GPS完好性对民航的潜在影响》[2]和美国国防部发布的《GPS标准定位服务性能标准》[3]等等。美国发布的第四版GPS标准定位服务性能标准中，卫星导航系统的服务性能指标主要分为两类：空间信号和定位授时精度，其中，空间信号包括覆盖性、空间信号精度、可用性、完好性、连续性等指标，定位/授时精度包括DOP可用性、定位服务可用性和定位/授时服务精度等。1.1覆盖范围GPSSPSPS中信号覆盖范围是指从地球表面到一定高度之间能够被卫星信号覆盖的近地空间区域（不包括被地球或障碍物遮挡的部分）。信号覆盖范围分为单星覆盖范围和基准/可扩展星座覆盖范围。单星信号覆盖范围示意图如图1所示。3、管路敷设技术通过管线敷设技术，不仅可以解决吊顶层配置不规范高中资料试卷问题，而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中，要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置.保护层防腐跨接地线弯曲半径标高等，要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，当不同电压回路交叉时，应采用金属隔板进行隔开处理；同一线槽内，强电回路须同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。4、电气课件中调试技术对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系，根据生产工艺高中资料试卷要求，对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验；对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作；对于继电保护进行整核对定值，审核与校对图纸，编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案，编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题，作为调试人员，需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。5、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术，电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时，需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全，并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围，或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理，尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作，并且拒绝动作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时，需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。覆盖范围计算公式如式（1），H为覆盖到地面以上的高度，h为卫星高度，r为地球半径，θ为半主波束角。H=（h+r)sinθ-r1.2空间信号精度空间信号精度即用户测距误差，根据导航信息注入后所经历过的时间而变化，是时间的函数。GPSSPSPS中统计的空间信号精度是基于全球平均URE来表示空间信号精度的，包含径向、切向、法向轨道误差和钟差，假设用户仰角为2度的情况下，SPSSIS中GPS空间信号精度计算公式如式（2），R、A、C分别代表轨道径向、切向、法向误差，T代表钟差，从误差系数可以看出，径向误差对空间信号精度的影响较大。空间信号精度主要取决于卫星的位置和星钟的精度，不会因为用户的飞行高度而变化[4]-[5]。1.3空间信号可用性空间信号可用性是指卫星发射健康信号的时间占总统计时间（包括发射健康信号时间、发射无法跟踪的、临界的、或不健康的SPSSIS的预先告警时间与没有预先告警的无法跟踪的、临界的、或不健康的SPSSIS的时间）的比例。GPSSPSPS指出空间信号可用性分为单星可用性和星座可用性，并用二项式概率分布模型计算星座可用性，如式（3），其中，p为单星发生故障的概率，n为星座中卫星数目，k为发生故障的卫星数。1.4空间信号连续性空间信号连续性在指定时间间隔内保持健康、不发生非计划中断的概率。GPSSPSPS中的计划中断是指由海岸警卫队导航信息中心控制段和联邦航空局飞行员通告系统提供的至少提前48小时通知的中断。根据可靠性基本原理，可推导出空间信号连续性的评估模型，如式（4），其中，P为空间信号连续性，MTBF（MeanTimeBetweenFailure）为平均非计划中断间隔时间。在GNSS航空领域内连续性指标采用1减去连续性损失风险的形式表示，其基本原理与式（4）是一致的。1.5空间信号完好性3、管路敷设技术通过管线敷设技术，不仅可以解决吊顶层配置不规范高中资料试卷问题，而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中，要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置.保护层防腐跨接地线弯曲半径标高等，要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，当不同电压回路交叉时，应采用金属隔板进行隔开处理；同一线槽内，强电回路须同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。4、电气课件中调试技术对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系，根据生产工艺高中资料试卷要求，对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验；对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作；对于继电保护进行整核对定值，审核与校对图纸，编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案，编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题，作为调试人员，需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。5、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术，电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时，需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全，并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围，或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理，尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作，并且拒绝动作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时，需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。完好性反映了对系统提供的定位、授时信息正确性的信任程度。GPSSPSPS中假设SPSSIS是健康的，任一小时的开始SPSSIS瞬时URE未超过NTE容许值，NTE容许值为URA最大值的正4.42倍或负4.42倍，延迟告警最坏为6小时，忽略单频电离层延迟，在这些假设条件下，统计了完好性，给出了任一小时内SPSSIS瞬时URE超过NIE容许值，而没有及时告警的概率和最坏情况下没有及时告警概率。完好性指标是航空导航系统的重要指标之一，为保证飞行安全，导航系统所提供的导航信息必须具有极高的可信度，航空中的完好性指标包括告警时间、告警门限和严重错误引导信息发生概率等等[6]。1.6DOP可用性DOP反映了可见卫星与接收机空间几何结构对用户测距误差的放大作用，是评估用户位置精度的重要内容GPSSPSPS中以PDOP=6.0作为一个经验界限值，来确定卫星与接收机的几何构型是否足够好，基于基本星座中24颗卫星正常运行以及星座中每一卫星无法使用或星座中一对卫星无法使用的前提条件，给出了全球平均PDOP和单站最坏PDOP统计结果。1.7定位精度由于实际布设跟踪站存在数量和位置方面的限制（即难以在服务区域内任意地点布设足够多的终端用于监测定位精度），GPSSPSPS中定位精度评估模型为UERE（UserEquivalentRangeError）与DOP相乘获得，水平定位精度计算方法如公式（5）所示，垂直定位精度计算方法如公式（6）所示，其中HDOP为水平精度衰减因子，VDOP为垂直精度衰减因子。UERE包含URE和UEE，UEE包含对流层、电离层等用户段误差。GPSSPSPS中用正常运行时所有数据龄期的URE值代替UERE值。UHNE=UEREXHDOP(5)UVNE=UEREXVDOP(6)2仿真分析2.1覆盖范围利用公式（1），统计GPS单星覆盖范围，其中，GPS卫星高度h为20200公里，半主波束角为23.5。代入公式（1），计算得到H为4224.2公里，即卫星可以从地球表面至表面以上4224.2公里处实现100%覆盖。当前，GPS已实现多重覆盖，故地面服务域任意位置（没有遮挡的情况下）都能够收到GPS信号，星座覆盖率为100%。2.2空间信号精度利用CCDIS数据中心提供的广播星历与精密星历（2013年1月1日至11月30日），考虑了天线相位中心误差（采用IGS于2008年发布的值），L1频率码偏差，L1频率群延迟时间改正，忽略了电离层延迟模型误差，剔