问:GPS提供的NANUS和其他GNSS星座提供的类似警报的重要性是什么?他们是否需要使用这些系统,如果不是,他们是如何有帮助的?

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萨姆·拉伦,斯坦福大学

答:SI.NCE至少1997年,全球定位系统(GPS)控制段(CS)有发布了所谓的“通知顾问(IE)到Navstar用户”或“Nanu(S)”。

As originally reported in Section 3.5 of the 2001 version of the GPS SPS Performance Standard (GPS SPS PS), these provide “notification of changes in constellation operational status that affect the service being provided to GPS users, or if the U.S. Government anticipates a problem in supporting performance standards established in this document.”

最近第5版的GPS SPS PS [2]解释说,NANU的关键目的是提醒GPS用户可预见的未来GPS卫星中断,以便用户对他们感到惊讶并可能失去连续性。具体而言,[2]的第2.3.5节规定了以下内容:

“至少提前48小时宣布的预定中断并不会导致连续性的丧失。预定的SPS SIS中断通过控制段发出“Navstar用户通知”(NANU)的方式宣布。NANUs类似于“给飞行员的通知”(NOTAMs),是关于预定中断的地面空中导航设备。CS内部程序将至少提前96小时发布nnanu。”

“连续性损失”(LOC)是指预期存在的意外损耗GNSS导航(例如,基于哪种卫星在给定的地方和时间可以使用的预测)。在操作期间突然变得无法使用的GPS卫星是可能的原因。通过在已知的中断期间提供NaNus(“预定中断”),GPS CS为用户提供了一种预测卫星将不可用的方法,因此不受这些事件的连续性风险。

通过指出“预定中断预先宣布至少48小时不贡献连续性损失”,“SPS PS表示,GPS SPS对用户经历的任何LOC负责,因为它们没有接收或忽略纳米宣布a可能导致LOC的未来中断。这使得SPS和其他GPS用户可能面临的惩罚如果他们不访问或以其他方式占NANUS,则可以面临。

This penalty has nothing to do with integrity of safety of use, because satellites that are unhealthy due to scheduled outages indicate this by the health messages included in their navigation data fields (e.g., see Section 20.3.3.5.1.3 of the most recent GPS Interface Specification (IS) [3]). Instead, the disadvantage is potentially experiencing LOC that could have been avoided. The significance of this varies among user classes and will be discussed in the following sections.

纳米的类型和分布手段

如果在GPS卫星信号中包含的导航数据内编码NANUS,则用户忽略它们几乎没有原因。然而,这种情况并非如此。相反,NaNus由GPS CS分开提供,并且今天通过Internet通过来自GPS CS或通过专用网站的电子邮件来访问它们的主要方法。因为NANU不包括在广播导航数据中,所以它们不包括在GPS中是[3]。相反,它们在单独的文档的第3和10节中描述了ICD-GPS-240C [4]。

表格1([4]的表10-1)列出了与预定的GPS卫星中断相关的Nuanu消息类型。作为前两个行展示,预定的卫星维护分为两类:“Delta-v Smeuvers”,其中卫星在卫星上的小推进器短暂地调整卫星的轨道,以及“非Δ-v维护”的轨道覆盖所有其他活动,其中大部分都涉及卫星上的原子频率标准(“时钟”)。当卫星出乎意料地产生异常输出时,纳乌斯报告出意外的中断,并以几种方式中的一个被CS标记为不健康(有关详细信息,请参阅[3]和[2]的[2]部分),因此发生不帮助用户避免可预测的连续性损失。

美国海岸警卫队导航中心(Navcen)网站是GPS CS和民用用户之间的指定和方便的界面[5]。它维持GPS星座的活动NANU列表以及纳乌存档返回到1997年。它还具有易于读取的星座状态图,显示了星座中每个卫星的当前状态和有源NANU(如果有的话)。

表2.显示此图表(覆盖A-和B平面卫星)的部分版本在5月1,2011中。在轨道插槽B5中的SVN 71(PRN 26)的突出显示的行具有“FCSTDV”类型的Active Nanu,该报告预计该卫星在特定日期和时间间隔(朱利安日(小组)126,对应于5月6,2021,在0240和1440 Zulu时间之间,参考UTC)。该Nanu被编号为“2021024”,参考2021中发布的第24纳乌.NANU类型表示在该计划的维护期间将被操纵(改变其轨道)的SVN 71。

在NAVCEN网站上查看完整的NANU文本显示,NANU是在UTC时间4月30日1453发布的,大约比预计的中断时间提前5.5天(132小时)。这一提前时间大大超过了SPS PS中预先警告的48小时,这足以避免连续性的丧失。即使是48小时的警告也足以让用户每天检查一次或两次NANU更新,而不需要连续监控它们。

然而,正如德克萨斯大学奥斯汀(ARL:UT)所报告的,德克萨斯大学(ASTIN(ARL:UT)[11],在2014年和2017年之间的年份偶尔违反了48小时的最低报告时间。结果,表3.6-3(第3.6.3节)的报告标准是最新的SPS PS的旨在提前至少48小时发布的Nanus,以获得95%的事件。偶尔延迟警告的原因是可接受的,它们只能防止不断造成诚信的连续性丧失。此外,需要考虑因其他更高优先级的活动而对维护计划的延迟变更(例如其他卫星)。

[4]的第10.1节中描述了其他类型的纳米消息类型,包括在开始之后出现未安排(“惊喜”)中断的报告。这些NANUS向用户确认,GPS CS检测出看起来是不健康或无法使用的卫星并正在评估(消息类型“UNUSUFN”)。一旦停电并解决,卫星返回健康运营,另一个纳乌说明中断时期用作事件的记录(消息类型“不可用”)。[4]第10.2节中的通知时间表赋予意外停电后的标称和最大延迟时间为15和60分钟。

南乌避免丧失连续性的有用性

这使我们提出了预定纳米的定量价值的问题,帮助用户避免丧失应预测的连续性。答案取决于NaNUS提前警告的预定中断的频率。表3,这是最近的SPS PS的表A.7-1,为这些卫星占据GPS星座中的24个主要或“基线”槽的卫​​星的这些事件提供了保守的数量[2]。此表的早期行是指在体验寿命结束之前的操作卫星寿命(EOL)失败。

表3,Nanus应该警告每年约为2.0(每种卫星)的平均短期预定(STS)中断,这与不能预测的短期计划中断(STU)中断的平均数量大致相同。这表明以下和使用NANU允许人们避免从大约一半的卫星中断潜在的连续性损失。如果24个基线卫星中的每一个都有2个预定的和每种类型的48个或48个出现的25个,但任何类型的中断的速率约为48/8766 = 5.5×10-3每小时。

对于在特定地点和时间的给定用户,计算LOC概率的重要因素是他或她可见的“关键卫星”的数量。关键卫星是其突然丢失本身(没有其他变化)将导致LOC[6]的卫星。具有良好天空能见度的GPS用户通常一次可以查看8至12颗GPS卫星,但在大多数情况下,这些卫星都不是至关重要的,因为任何一颗卫星的丢失都不会显著降低导航性能。

偶尔,其中一个卫星可能是至关重要的。保守假设一个关键的卫星作为分析的基础,预定或未划分的中断的概率率在那个关键卫星上的预定停电约为2.0 / 8766 = 2.3×10-4每小时。同样,由于即使是一个关键卫星也不常见,两种类型的卫星中断造成的实际连续性风险要小得多。但是,对于包含4至7颗可见卫星的较弱卫星几何形状(例如,在城市峡谷和天空能见度受阻的其他区域),可以有多个关键卫星。

由于GPS卫星中断由于NANUS被忽略的GPS卫星中断引起的概率,因此许多GPS用户这样做,从而避免分开接收GPS信号的纳米的成本和复杂性。对于诸如GBA的安全性关键系统(如GBA),这尤其如此,要求GBA接地设施访问互联网可以将其暴露于安全威胁。这些系统因预定的中断而接受了LOC的可能性,并将其包括在其连续性风险预算中,表明它们的整体连续性风险要求(例如,整体座位概率不大于8×10-6尽管如此,每15秒为Cat I飞机精确接近)。

纳乌有用性避免丧失可用性

在结合NANUS的同时可能难以实时GPS用户,它们对离线GPS计划服务至关重要,以持续模拟GPS星座性能,以便在特定区域和时间和中继的情况下预测近期的中断并将其传递给用户。例如,航空服务提供商为驾驶者(NOTAM)提供指示何时何地存在或特定的服务级别的何时何种何时可以不可用。在这些预测中结合NaNus是简单的和逻辑,即使预定的中断是罕见的。

一个GPS相关的可用性预测服务朝向航空,但可用于所有内容,是FAA服务可用性预测工具(SAPT)网站中包含的Raim预测工具[7]。It provides predictions of potential outages for aviation users of GPS RAIM (in accordance with the rules for Terminal and En Route Area Navigation, or RNAV, in FAA AC 90-100A) due to satellite geometry as and other causes (e.g., planned RF interference tests by the Department of Defense). This tool provides graphical outputs along with .kml data files designed to interface with user flight planning software.

其他GNSS星座的南路的警报

其他GNSS服务提供商已经认识到,需要对GNSS星座性能下降发出类似nanu的警报。例如,Galileo根据最新Galileo开放服务-服务定义文档(OS SDD)[8]第1.6.4.1.1节的要求,发出“给Galileo用户的通知通知”(NAGUs)。OS SDD的3.6.1节规定,针对影响OS space Signal-in-Space (SIS)事件的规划和通用nagu应该在服务受到影响之前至少24小时发布。OS SDD附录E详细定义了nagu的类型和格式。

俄罗斯GLONASS星座www.beplay1235.com还提供了自己的NAGUs,或“GLONASS用户通知通知”,来自“定位信息和分析中心,导航和计时(PNT IAC的中央机械制造研究所)和俄罗斯国防部的SPOCD“至少在“预定中断”前48小时,遵循GPS的先例。该信息来自GLONASS开放服务性能标准[9]第3.6.2节,其中有一个表反映了GPS SPS Pwww.beplay1235.comS[2]第3.6.3节中的表。

中国北斗星座还提供“用户通知”作为警报机制。北斗开放服务性能标准[10]第8.3节规定了预定中断提前通知的时间标准。本节中的表格似乎与Galileo OS SDD的第3.6.1节中的表格相同,这意味着计划中断的提前通知应该至少提前24小时提供。[10]附录C提供了北斗发布的两类用户通知模板。

校正:GPS扩展的插槽行为

ARL的Brent Renfro:UT指出,第1月/ 2月份第23页的标有“GPS连续性和可用标准”部分的最后一句话beplay体育下载地址写作的误导是误导。这句话读取:“表3.7-1下的音符[GPS SPS PS]阐明,而24个基线插槽应由至少一个卫星占用,表3.2-2中所示的这24的六个可扩展插槽是并不总是被两颗卫星占据,如果他们有两个卫星,则失去其中一个卫星的可用性并不构成从该插槽的可用性损失。“可扩展的插槽可用性的精确定义在A.7.2.4和GPS SPS PS的A.7.2.5和A.7.2.5中给出。当满足以下三种条件之一时,认为可扩展插槽可用:

•可扩展插槽处于基线配置,具有单个可销售和健康的卫星填充标称(非扩展或“折叠”)插槽,如[2]的表3.2-1中定义。

•可扩展插槽处于其扩展配置,其中一对位置在表3.2-2中定义了[2],该位置对于可跟踪和健康的卫星占用。

•可扩展槽处于"非标准"配置,有两颗可跟踪的健康卫星,但不在[2]表3.2-2中定义的位置,这两颗卫星的性能超过该槽基线配置中的一颗卫星的性能。

注意,该定义不包括上面引用的句子的最后一个组件所暗示的案例,其中在两个可扩展槽中的一个中的单个可跟踪和健康的卫星存在,而不是移动到该槽的基线位置。

概括

本文介绍了其他星座提供的GPS NANU和类似警告消息的一个关键目的:允许用户避免不必要的连续性损失,并通过考虑计划的GPS卫星中断来改善GPS可用性的近未来预测。由于NANU必须与GPS卫星信号中包含的信息单独访问,因此它们需要额外的步骤将其集成到GPS接收器中。因此,大多数缺乏互联网访问的用户忽略它们并接受计划中的中断作为连续性和可用性损失的贡献者。然而,具有因特网连接的用户支持系统,例如支持蜂窝通信的服务可用性预测和辅助GPS(AGPS)基站的提供者,并且应该在其操作中包含NANUS。

参考

(1)全球定位系统标准定位服务绩效标准,华盛顿特区,DC,美国部门,第3届(超越),2001年10月.WWPS.GOV/TECHNICAL/PS/2001-SPS-PERFormance -standard.pdf

(2)全球定位系统标准定位服务绩效标准,华盛顿特区,美国部门的防御,5日,4月2020年4月.WPPS.Gov/Technical/PS/2020-SPS-Performance -standard.pdf

(3)接口规范文档:Navstar GPS空间段/导航用户段接口,EL Segundo,CA,GPS企业空间和导弹系统中心(SMC),IS-GPS-200L,10月2020年10月.GPS.Gov/Technical/ICWG/IS-gps-200l.pdf.

(4)接口控制文档:Navstar GPS控制到用户支持社区接口,EL Segundo,CA,GPS企业空间和导弹系统中心(SMC),ICD-GPS-240C,2019年5月。GPS.Gov/Technical/ICWG/ICD-GPS-240C.PDF.

(5)美国海岸警卫队导航中心(NAVCEN)网站,美国国土安全部,navcen.uscg.gov/。GPS星座状态在navcen.uscg.gov/?Do=constellationStatus。NANU的信息请访问navcen.uscg.gov/?pageName=gpsAlmanacs

(6)C.热闹,“卫星态度概念,无效和不可靠性的GNSS卫星导航,”导航,Vol。40,4,4,1993-94,第429-450页。ion.org/publications/abstract.cfm?articleid=100164

(7)美国联邦航空管理局(U.S. Federal Aviation Administration), https://sapt.faa.gov/raim-start.php。也可以在SAPT的主页https://sapt.faa.gov/default.php上看到“RAIM预测工具”

(8)伽利略开放式服务定义文件,欧洲全球导航卫星系统机构(GSA),版本1.1,2019年5月。Gsc-europa.eu/sites/default/files/sites/all/files/galileo-os-sdd_v1.1。PDF。活跃的伽利略族族在Gsc-europa.eu/system-status/user-notifications,以及当前的星座状态(具有相关的活跃的Nagus)总结在Gsc-europa.eu/system-service-status/constellation-information

(9)www.beplay1235.comGlonass开放服务性能标准(OS PS),俄罗斯国防部和Roscosmos State Corp.,Edition 2.2,6月2020年6月20日。Glonass-iac.ru/en/Glonass/Documents.php

(10)北欧航行卫星系统开放服务性能标准,中国卫星导航办公室,版本2.0,2018年12月。北斗.Gov.cn / xt/gfxz/201812/p020181227529449178798.pdf

(11)B. Renfro,N. Boeker,A. Terry,2014年GPS SPS性能分析,TR-SG1-17-02,GPS.Gov/Systems/GPS / Performance/。同样的URL:2016年表现,TR-SGL-17-06和2017,TR-SGL-18-02,加入第二作者M. Stein。