作者注:学员 Bridgham、Lambert、Moe 和 Morin 是美国军事学院四年级学生,分别来自系统工程系和数学科学系。系统工程系教授 Timothy Elkins 博士是该小组的顾问。摘要:可靠定位、导航和授时 (APNT) 是利用全球定位系统 (GPS) 进行作战使用的系统的高级储备。如果 GPS 性能下降或不准确,APNT 可提供备份以维持作战和准备状态。有关 APNT 的准确信息(重点是分配时间)是掌控战场和取得战术和作战成功的关键,因为如果时间不同步,通信、智能武器和安全系统可能会无法运行。研究小组着手寻找一种替代技术或系统,为军用旋翼飞机提供 APNT(重点是时间)。通过我们的分析,团队确定了具体的高级功能和目标,筛选了可能的解决方案,并权衡了最终的系统以确定最佳匹配。总体而言,铱星卫星得分最高,是经过深思熟虑的最佳解决方案。关键词:GPS、APNT、计时、IMU、航空、系统决策过程
作者要感谢以下个人对演示和本报告编写的贡献:研究和技术 (OST-R) 副助理部长 Diana Furchtgott-Roth;OST-R 定位、导航、授时和频谱管理主任 Karen Van Dyke;沃尔普国家运输系统中心的 Melanie Soares、Carl Snyder、Dan Leone、Pratik Gandhi 和 Mohammad Badr;美国海岸警卫队的 LCDR Daniel Davis、LCDR Harold Kiffer 和 LT Troy Robison;美国国家航空航天局 (NASA) 兰利研究中心的 Evan Dill 博士;国土安全部科学技术局的 Ernest Wong
i. 干扰和阻塞 从卫星接收到的 GPS 信号功率非常低,容易受到干扰,无论是有意还是无意的。手机搜索最近的蜂窝已经造成了问题,其他无意干扰源包括电视信号、一些 DME 频道和一些 VHF RT 传输的谐波。干扰设备可以破坏大面积的信号覆盖。包括 GPS 干扰在内的军事试验和演习经常在 NOTAM 中公布。
这款集成接收器提供完整的精确定位服务 (PPS) 精度,其同时进行的 L1/L2 操作可提供实时电离层校正,从而进一步提高精度。其主要通信接口是高速 LVCMOS 串行端口。集成的抗干扰解决方案利用数字调零来提高抗干扰能力。此外,该系统还具有超紧耦合 (UTC) 单元接口选项,可提高抗干扰性能和导航精度。
ARAIM 小组的起源和目标 2004 年签署的美国-欧盟 GPS-伽利略合作协议为美国和欧盟在卫星导航领域的合作活动确立了原则。该协议预见到一个工作组来促进在下一代民用卫星导航和授时系统的设计和开发方面的合作。这项工作成为工作组 C (WG-C) 的重点。WG-C 的目标之一是开发用于生命安全服务的 GPS-伽利略综合应用程序。为此,WG-C 于 2010 年 7 月 1 日成立了 ARAIM 技术小组 (ARAIM SG)。ARAIM SG 的目标是在双边基础上研究 ARAIM(高级接收机自主完整性监测)。进一步的目标是确定 ARAIM 是否可以成为支持全球空中导航的多星座概念的基础。具体来说,ARAIM 应该支持航路和终端区飞行;它还应支持进近操作期间的横向和垂直引导。在这些目标中,全球航空垂直引导是最雄心勃勃的目标。这些飞机操作称为定位器精密垂直或 LPV。LPV-200 表示这种引导应支持低至 200 英尺高度的进近操作,ARAIM SG 专注于支持全球 LPV-200 的 ARAIM 架构。该文件是三阶段工作中的第一个里程碑报告。它提供:ARAIM 概述、第 1 阶段的成就和后续步骤。该报告由来自美国联邦航空管理局 (FAA)、斯坦福大学 (SU)、MITRE 公司、伊利诺伊理工学院 (IIT)、德国航空航天中心 (DLR)、慕尼黑联邦航空学院 (UniBW)、欧洲空间局 (ESA) 和欧盟委员会 (EC) 的 ARAIM SG 成员编写。ARAIM 概述如上所述,ARAIM 必须确保航路飞行、终端和进近操作的导航完整性。对于后者,它必须在几秒钟内检测到底层全球导航卫星系统 (GNSS) 中的所有危险故障。用空中导航的语言来说,ARAIM 必须确保在导航传感器误差大于一定量(目前 LPV-200 为 35 米)之前,在出现任何危险误导信息 (HMI) 的六秒内警告飞行员。报告第 2 节确定了其他辅助条件。ARAIM 旨在支持空中导航数十年。因此,ARAIM 必须具有灵活性,以便空中导航不会对底层全球导航卫星系统(例如 GPS、伽利略、GLONASS、北斗/指南针等)的健康状况产生脆弱的依赖。因此,ARAIM 必须允许飞行员使用新的卫星和星座。它必须自动补偿这些新卫星和星座的故障率。对于新卫星和星座,这些故障率预计会很高
1-1 Navstar GPS 主要部分.................................................................................................................1-1 1-2 GPS 卫星星座....................................................................................................................1-3 1-3 GPS 控制部分位置.................................................................................................................1-4 1-4 监测站和地面天线.......................................................................................................1-5 1-5 导航信息....................................................................................................................1-8 1-6 卫星信号调制....................................................................................................................1-9 1-7 GPS 信号频谱....................................................................................................................1-10 1-8 扩频生成和重建....................................................................................................1-11 1-9 通用 GPS 接收器跟踪系统....................................................................................................1-12 1-10 GPS 接收器操作理论....................................................................................................1-16 2-1 模拟 GPS 接收器架构.....................................................................................................2-7 2-2 数字 GPS 接收器架构............................................................................................................
实现良好的安全性对于航空业至关重要:英国批准用于航空业的每一个系统都必须经过正式审查,然后才能准备“安全案例”。这是一个文档系统,可以证明该系统可以安全使用。深入了解故障模式是先决条件。这样,安全案例就可以记录所采取的步骤,以确保以充分保护飞机的方式控制此类故障的影响。作为深入了解 GPS 故障模式过程的一部分,NATS 开展了本文所述的两个项目。第一个项目检查了安装在盈利的波音 747-400 上的 GPS 接收器的可靠性数据。该项目于 1994 年 4 月至 1995 年 12 月期间运行,之后因有更好的 GPS 设备可用而关闭。第二个项目涉及从位于伦敦机场的 4 个 GPS 接收器收集数据,数据收集时间从 1995 年底到现在。可以从这两个项目中吸取重要的教训。
A. 任务描述和预算项目理由定位、导航和授时 (PNT) 解决方案对于国防行动至关重要,因为它能够实现精确火力、安全空中导航和跨多个平台和子系统的时间协调。面对不断出现和演变的电子和网络威胁,必须维持 PNT,这需要提高系统的弹性和快速适应性,类似于历史上对电子战系统的要求。不断变化的威胁将推动升级,例如全球定位系统 (GPS) 接收器的现代化、标准导航系统格式/接口的开发、更多地使用开放系统架构设计原则、将替代导航源纳入导航解决方案、先进的抗干扰天线、天线电子设备、射频监控/定位/报告功能以及精密时钟改进,以维持当前和未来的部队能力。
• MGUE 增量 1 – 采购类别 IC 计划于 2017 年 1 月进入里程碑 B(解除里程碑 C 要求)。该计划旨在提供 M 代码功能,这将提高威胁减弱环境中的 GPS 信号可用性。MGUE 增量 1 供应商的最终软件和硬件版本持续延迟,继续导致 MGUE 增量 1 主导平台测试计划延迟,这增加了寻求实施 MGUE 的平台的风险。因此,陆军和海军陆战队决定不将地面 MGUE 增量 1 卡部署到各自的平台上。由于专用集成电路过时且产量有限,各军种已转向市售的 MGUE 衍生 M 代码接收器,以继续满足 PNT 要求。这些系统将在 MGUE Increment 1 计划之外进行操作测试。
旨在补充现有目视飞行规则 (VFR) 和仪表飞行规则 (IFR) 的功能。DF 在其自己的一套规则和程序的支持下,将采用先进的自动化进行自我分离和飞行路径管理,通过信息共享和数据连接实现共享态势感知,以及代替目视程序和 ATC 分离服务的合作行为。
