3.6　服务

GPS是双用途系统，即它为民用和军用用户分别提供服务，提供的服务分别称为标准定位服务（SPS）和精确定位服务（PPS）。SPS是为民用定制的，在撰写本文时，它是全球数千万人使用的主要卫星导航服务。PPS主要面向美国及其盟国的军方，供配有PPS接收机的用户使用[5]。GPS PPS的访问是通过密码来控制的。

美国政府保证SPS和PPS的特定性能级别。这些性能级别已在SPS性能规范[3]和PPS性能规范[5]中正式给出。

如本书后面特别是第11章中介绍的那样，GNSS的位置和时间精度是三个系统段的误差贡献的函数：空间段、控制段和用户段。在多数情况下，只有空间段和控制段的误差贡献在GNSS提供者的控制之下，原因是用户设备（即GNSS接收机）既包括手机中的单芯片设备，又包括测量所用的高精度接收机。因此，美国政府只保证GPS信号空间（SIS）的准确性和完整性。下面介绍SPS和PPS性能标准（PS）的关键属性。

3.6.1　SPS性能标准

3.6.1.1　假设

SPS PS[3]以使用SPS SIS的某些假设为条件。以下假设摘自文献[3]。

• SPS用户：SPS PS假设SPS用户使用SPS接收机。SPS PS假设GPS接收机符合由IS-GPS-200[29]建立的有关空间段和SPS接收机之间接口的技术要求。

• C/A码：SPS PS假定GPS接收机正在跟踪、处理和使用GPS卫星发送的C/A码信号。伪距测量假设通过C/A码跟踪，在1码片间隔处使用早-晚相关器，使用24MHz处理想截止滤波器带宽内的精确复制波形，线性相位中心在L1频点。不采用载波相位测量处理。

• 单频操作：SPS PS假设GPS接收机只有跟踪和使用卫星发送的L1上的C/A码信号的硬件能力。文献[3]的第3节中的性能标准，与GPS接收机是否使用卫星传输的电离层参数进行基于单频模型的电离层延迟补偿目的无关。SPS PS假定GPS接收机按照IS-GPS-200[29]的规定应用单频群延迟校正（TGD）项。

3.6.1.2　SPS SIS URE精度

文献[3]中的表3.4-1包含SPS SIS URE精度标准。以下是该数据龄期的函数表的摘录（AOD是SV时钟偏移的最新上传与从控制段到SV的星历数据之间的时间）。

• 总体AOD：正常运行期间95%的全球平均URE小于等于7.8m。

• 零点AOD：正常运行期间95%的全球平均URE小于等于6.0m。

• 任何AOD：正常运行期间95%的全球平均URE小于等于12.8m。

注意：读者可以参考文献[3]，得到其他性能标准的条件和限制（如可用性和完整性）。

3.6.1.3　GPS星座的几何特性

条件和限制如下：

• 为满足代表性用户条件的位置/时间解定义，且在任何24小时间隔内于服务范围内运行。

• PDOP可用性标准：大于等于不大于6的98%的全球PDOP，并且大于等于不大于6的88%的最坏站点PDOP。

3.6.1.4　SPS位置/时间精度标准

条件和限制如下：

• 为满足代表性用户条件的位置/时间解定义，且在任何24小时间隔于服务范围内运行。

• 基于服务量中所有点的平均24小时测量间隔的标准。

• 全球平均位置域精度：95%的水平误差小于等于9m，95%的垂直误差小于等于15m。

• 最差站点位置域精度：95%的水平误差小于等于17m，95%的垂直误差小于等于 37m。

• 时间转换域精度：95%的时间转换误差小于等于40ns（仅限于SIS）。

1. SPS测量数据

SPS测量数据包含在美国联邦航空管理局（FAA）每季发布的GPS SPS性能分析报告[83]中。该报告包含文献[3]中规定的如下性能类别的测量数据：PDOP可用性标准、服务可用性标准、服务可靠性标准，以及定位、测距和定时精度标准。

测量数据在如下28个广域增强系统（WAAS）参考站点收集：阿拉斯加州贝塞尔；蒙大拿州比林斯；阿拉斯加州费尔班克斯；阿拉斯加州冷湾；阿拉斯加州科策布；阿拉斯加州朱诺；新墨西哥州阿尔伯克基；阿拉斯加州安克雷奇；马萨诸塞州波士顿；华盛顿特区；夏威夷州檀香山；得克萨斯州休斯敦；堪萨斯州堪萨斯城；加利福尼亚州洛杉矶；犹他州盐湖城；佛罗里达州迈阿密；明尼苏达州明尼阿波利斯；加利福尼亚州奥克兰；俄亥俄州克利夫兰；华盛顿州西雅图；波多黎各圣胡安；佐治亚州亚特兰大；阿拉斯加州巴罗；墨西哥梅里达；加拿大甘德；墨西哥塔帕丘拉；墨西哥圣何塞德尔卡沃；加拿大伊奎特。

2. SPS URE测量数据

根据文献[3]中提到的约束和条件，由图3.27可以看出，从2010年4月1日至2016年3月31日，最大的实测URE从3.13m到5.96m不等。这些数据摘自FAA GPS性能分析（PAN）报告#70到#93[83]，报告的下载地址是http://www.nstb.tc.faa.gov。

3. SPS定位和时间测量数据

在测量URE的同一时段内，为了了解文献[3]中引用的条件和约束，PAN报告中测量并提供了以下位置和数据：

• 全球平均位置域精度，水平误差。

• 全球平均位置域精度，垂直误差。

• 最差站点位置域精度，水平误差。

• 最差站点位置域精度，垂直误差。

• 时间转换域精度（仅限于SIS）。

这些数据如图3.28所示。

3.6.2　PPS性能标准

PPS PS定义了DoD向授权PPS用户社区提供的SIS性能水平。它为航空仪表飞行规则（IFR）所用的PPS接收机提供认证，并建立了GPS星座必须支持的最低性能水平[5]。

3.6.2.1　假设

对于PPS用户操作，存在许多假设，它们包含在文献[5]的2.4节中。一些关键的假设如下：

• 拥有加密GPS接收机的授权用户。具体来说，假设GPS接收机包含当前有效的PPS密钥，并且具有能够正确使用这些PPS密钥的必要硬件/软件。

• 为得到最佳的PVT解，GPS接收机正在跟踪和使用卫星发送的Y码信号。

• 为实现双频、基于测量的电离层设计补偿，具有硬件能力的跟踪和使用L1和L2上卫星发射的P(Y)码信号的键控GPS接收机，将跟踪和使用这两种信号。

• 具有硬件能力的跟踪和使用L1上卫星发射的P(Y)码信号的GPS接收机，将跟踪和使用该信号进行PVT解算，接收机将使用卫星传送的电离层参数进行基于单频模型的电离层延迟补偿。

• GPS接收机将跟踪文献[5]中定义的健康卫星。

• PPS PS未考虑任何不直接控制空间段或控制段的误差源。可以排除的这些误差在文献[5]的2.4.5节中列出，包括接收机噪声、多径及接收机对流层延迟补偿。

3.6.2.2　PPS精度标准

PPS SIS URE精度标准见文献[5]中的表3.4.1。这些标准的一个子集如下：

• NAV电文中任何健康卫星的双频工作条件和限制：SIS精度标准，正常运行期间95%的总体AOD的全球平均URE小于等于5.9m，正常运行期间95%的零AOD的全球平均URE小于等于2.6m，正常运行期间95%的任何AOD的全球平均URE小于等于11.8m。

• NAV电文中任何健康卫星的单频工作条件和限制：忽略单频电离层延迟模型误差，包括L1处的群延迟时间校正（TGD）误差。

• SIS精度标准：正常运行期间95%的总体AOD的全球平均URE小于等于6.3m，正常运行期间95%的零AOD的全球平均URE小于等于5.4m，正常运行期间95%的任何AOD全球平均URE小于等于12.6m。

• 时域传输域精度[双或单频P(Y)码]。注意这也定义为UTC偏移误差（UTCOE）的精度。文献[5]中对PPS SIS UTC（USNO）时间精度的定义是：在USPS维护的PPS SIS中，将GPS时间和UTC关联起来的参数与GPS时间和UTC（USNO）的真差值的统计差（95%），也称UTC偏移量误差（UTCOE）。

• NAV电文中健康卫星的条件和限制，PPS SIS UTCOE精度标准：95%的时间转换误差小于等于40ns。

1. PPS位置和时间精度标准

上述SPS PS中提供的PDOP定义未变化（即SPS和PPS用户的PDOP的定义相同）。但是，美国政府并不承诺提供具体的PPS位置和时间精度。用户可以根据自己的位置和时间计算DOP，以及代表UE配置的合适用户等效范围误差值（UERE），进而确定预测精度。第10章中将提供UERE的示例，第11章中将介绍如何求用户位置和UTC（USNO）。

2. PPS URE测量数据

图3.29中显示了2016年7月的4个PPS的URE测量数据集[84]。观察发现，这些数据集均符合PPS PS精度标准，即在所有AOD正常运行期间，全球平均URE（95%）小于等于5.9m。注意，AF和NGA监控站测得的PPS URE已从NGA精密星历和星钟偏移数据中减去。如3.3.1.1节所述，这个NGA数据可以作为基准数据。由这些曲线，我们可以观察到URE的降低，部分原因是3.3.2节中介绍的L-AII和AEP升级与模型改进，以及发射具有稳定时钟技术的新卫星来替换不稳定的老卫星。在四条曲线中，两条曲线显示了星座中最差卫星（即最大URE的贡献者）对95%误差和RMS误差的贡献，另外两条曲线显示了对整个星座来说相同的误差表示。尽管如此，URE的稳步下降是由用户位置和时间精度的提升导致的。

图3.30中显示了2016年7月每颗卫星的URE贡献[84]。可以看到，SVN 44贡献了最大的URE，而SVN 55贡献了最小的URE。URE不同的主要原因是一些卫星具有更好的执行时钟。这些变化也可能是季节性的，因为目前的模型在日食期间往往会出现一些故障。整个星座95%的SIS URE为0.971m，RMS URE为0.491m。