新的Flex电源模式:来自GPS IIR-M和IIF卫星,具有扩展覆盖区域

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GPS卫星通常以恒定功率传输它们的信号。然而,预见到所谓的“柔性电源”,以提高各个信号的强度,以更好地满足操作约束。可以以载波到噪声密度比(C / N)检测弯曲功率操作0.)通过国际GNSS服务(IGS)的全球跟踪网络的GNSS接收者提供的观察。

F或打开服务信号,例如L1 C / A和L2C,信号功率的变化直接显示在测量的C / N中0.各自的观察。相比之下,P(Y) - 代码信号是加密的,并且通过公共大地测量仪GNSS接收器使用半无附带跟踪方法。然而,该技术导致测量的C / N中的显着损失0.与未加密信号相比并导致相同的C / N0.L1 P(Y)和L2 P(Y)的值。因此,确定频率特定的信号功率从C / N变化0.对于P(Y)信号不可能测量大地测量器。

具有高增益天线的测量提供了对发射配电的更详细分析。德国航空航天中心(DLR)在德国Weilheim的地面站运营了30米的高增益天线。该天线定期用于GNSS信号监测(Thoelert等人)并已用于最近的Flex功率分析。

表格1列出三种不同类型的先前的Flex电源操作。我在所有块IIF卫星上积极的区域Flex电源模式超过三年。它影响了L1 C / A码和L1 P(Y) - 代码信号,功率增加约2.5 dB。春季2018年春季发生了一段或几天的专用Flex电源活动。模式II是全局在所有健康块IIR-M和IIF卫星上全球活动的唯一的Flex电源模式。使用DLR的高增益天线的测量值,可以确定各个L1 P(Y)和L2 P(Y)功率变化。模式III没有此类测量值。因此,只能从C / N获得L1 + L2功率变化的总和0.分析。

从2020年2月14日开始,可以检测到一个新的Flex电源模式IV。它替换模式I,但影响L1和L2 P(Y)信号,而L1 C / A的功率不会改变。图1示出了IGS站Espargos,Cape Verde的Trimble NetR9接收器的载波噪声密度比。在正常操作期间,以红色绘制,P(Y) - 代码观察显示C / N0.值高达45 dB-Hz。根据高程,由于半无附带损耗,这些值比Civent L1 C / A信号较小5-20 dB。在柔性电源模式IV(以蓝色示出)的非标准期间,L1和L2 P(Y)载波噪声密度比大约为10dB,甚至超过L1 C / A C / N0.高达5 dB的高度高度。

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Flex电源模式IV

与Flex电源模式I一样,模式IV具有区域覆盖区域。但是,它更复杂,无法通过简单的中心点描述。Analysis of the satellites’ footprints at the flex power switching times revealed that the zone of non-standard power levels can be described in good approximation by superposition of the visibility areas for observers located at 37°E/35°N and 69°E/35°N, respectively, using a 3° elevation mask. The flex power mode IV coverage area as well as the locations of the Block IIR-M and IIF satellites at activation or deactivation of flex power are shown in图2.对于一个样本日。

使用Weilheim 30 M天线的测量显示为模式IV的L1 P(Y)和L2 P(Y)的+5 dB的发射功率变化,而L1 C / A和L2C功率水平基本恒定。由于L1和L2上的军用M代码完全停用,P(y)信号的功率增加是可能的,因为它在2018年4月的模式II中也完成了模式。

仔细检查高速C / N0.具有1 Hz采样的观测显示,从默认到增加发射功率的转换形状,反之亦然是块IIR-M和块IIF卫星的不同。块IIR-M卫星显示电源水平的瞬时变化。但是,块IIF卫星显示多个步骤,如顶层图所示图3.。持续时间约为50秒的中间功率水平是显而易见的,并且两个短时间为约10秒,并且在实际功率增加之前,几个分贝电源下降。从增加到默认功率级别,转换不存在这些液滴。在这种情况下,只发生中间功率水平。

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单向载流子相残

Sgammini和Martini已经报道了与传输功率水平过渡有关的无电离层的载体相残留的尖峰。在下文中,分析了单向载流子相(OWCP)分析L1 C / A和L2C相位信号的残留物。对于该OWCP分析,使用连接到氢气波塞的GNSS接收器的单频载波相位观察。在基于已知的卫星轨道和站位置减去几何范围变化之后,剩余值由一阶多项式缩小。以这种方式,高稳定的外钟以及大气延迟的时钟偏移和漂移可以充分地在几分钟的短时间内拆下。由此产生的OWCP残差基本上包含有关卫星时钟的信息以及通过信号生成的变化引入的效果。图3的中间和底部图显示了L1 C / A相的约1.5cm的相毛,对于L2C相约1cm。毛刺的持续时间约为10s,并且在图3的顶部图中所示的载体到噪声密度比中的液滴重合。当第一故障发生在L1 C / A相中,它是合理的首先提高L1功率,然后稍后一分钟升高。对于从增加到默认电源的转换,不可见这种毛刺。

图4.示出了三个L1 IQ星座图,示出了用于默认和增加功率水平的相位(I)和正交(Q)信道组件的分布,以及L1相位故障期间的短时间段。该图基于与Weilheim高增益天线的块IIF卫星GPS-71(G26)的测量值。左侧图显示了三种不同信号的传输,即Q-Channel上的C / A代码和I通道上的P(Y)和M代码。用于三个信号组合的连接调制引入了八个固定点。然而,I轴旁边的四个静止点彼此如此接近,它们看起来与样品数量增加的两个点。在中间图中,不再存在M代码以及Interpleple调制,并且仅可见C / A-A和P(Y)-Code的二进制相移键控(BPSK)信号。然而,在该中间功率阶段期间,两个信号在正交,并且所得到的静止点未对齐w.r.t.i-and q轴。在右图中,C / A和P(Y) - 代码再次对齐,导致标称正交相移键控(QPSK)调制的四个均匀分布的静止点。

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DCB更改

发射功率变化不仅可以在载波到噪声密度比中可见,而且在差分码偏差(DCB)估计中也是可见的。图5.以蒙斯布鲁克等人的方法为2月10日至关重要的时间间隔的时间间隔进行15分钟的DCB估计。贡献信号由其rinex标识符表示,即L1 C / A代码的C1c,以及用于L1 P(Y)的半无附带跟踪的C1W。在模式I期间,没有C1C-C1W DCB更改可以看到块IIR-M卫星作为模式I仅限于阻止IIF卫星。从2月14日开始,可以看到常规DCB改变约0.4ns与L1增加的L1发射功率相关联的变化,可用于块IIR-M卫星GPS-57。对于另一个块IIR-M卫星,DCB的变化范围从近于零到0.6 ns。

对于块IIF卫星,在模式i中,可以已经看到发音C1C-C1W DCB更改,例如,用于GPS-69的0.5 ns图5.(底部)。这些变化小于2月14日转换到模式IV的转换开始的一个倍数约为2020年。块IIF卫星的一半显示出类似的行为,四颗卫星在模式IV中显示了更高的C1C-C1W DCB变化与模式相比模式我,以及两个卫星,没有变化是明显的。模式IV的不同空间覆盖的影响也可以在图5.(底部)。除了在MODE I I以及IV的每天早晨的大约8小时的L1 P(Y)电量,由于额外的时间仅具有增加的模式IV的电源,因此可以在14:00左右看到额外的DCB峰值。

模式IV的DCB变化的级别不超过之前观察到的其他柔性电源模式。因此,Steigenberger等的结论。高精度GPS用户可能不会受到Flex Power的不利影响仍然有效。

承认

国际GNSS服务(IGS)被承认提供GNSS观察数据。作者希望感谢他们的同事来自德国的太空运营中心(GSOC),在德国DLR的地面站的高增益天线支持和运营。

制造商

c / n0.并且OWCP分析基于使用Trimble NetR9和Javad TRE_G3TH接收器获得的GPS跟踪数据。用螺旋GSS6450 GNSS RF记录和播放系统记录IQ星座图的输入数据。