3.3　控制段描述

GPS控制段（CS）提供监测、指挥和控制GPS卫星星座的能力。在功能上，CS监控下行链路L波段导航信号，生成并更新导航电文，并且求解卫星异常。此外，CS监控每颗卫星的健康状况，管理与卫星轨道保持操作和电池充电相关的任务，并且根据需要控制卫星总线和有效载荷[36]。在简要概述之后，本节将详细讨论CS目前的配置及其主要功能，包括GPS导航任务的数据处理。接下来简要介绍GPS CS的最近变化，然后讨论近期的计划升级。这里不讨论针对卫星的控制和维护活动。

GPS CS是GPS的操作控制系统（OCS），它由三个子系统组成：MCS、L波段监控站（MS）和S波段地面天线（GA）。OCS的操作由MCS负责，由位于科罗拉多州科罗拉多斯普林斯的施里弗空军基地（AFB）的美国空军太空司令部第二太空作战中队（2 SOPS）负责运行。MCS提供每周7天每天24小时的持续GPS服务，并且是GPS运行的任务控制中心。位于加利福尼亚州范登堡空军基地的备用MCS（AMCS）为MCS提供冗余。OCS的主要子系统及其功能分配见图3.16。

2 SOPS支撑GPS星座的所有需要人为干预的操作，包括每天向卫星上传导航电文，以及GPS星座中所有卫星的监控、诊断、重新配置和轨道保持工作。空间飞行器的预发射、发射和入轨操作由不同的控制段元素——发射、异常和处置作业（LADO）系统执行，位于施里弗空军基地的预备役第十九空间作战中队（19 SOPS）对该系统提供支持。如果某颗卫星被确定为不能正常运行，那么卫星控制可被转移到LADO上，以便进行异常处理或测试监控。

3.3.1　OCS的当前配置

在撰写本文时，OCS配置由双备份的MCS、6个OCS MS、10个国家地理空间情报局（NGA）MS和4个GA组成（见图3.17[37, 38]）。MCS数据处理软件托管在一个称为架构演进计划（AEP）的客户机-服务器平台上，该平台运行一个兼容POSIX的操作系统[39]，通过多个高清晰图形和文本显示指挥和控制OCS。3.3.2节将描述OCS向AEP版本的过渡，以及其在传统精度改进倡议（L-AII）升级和完整精度改进倡议（AII）中的基础。

OCS MS和GA由活动的MCS远程操作（每个站点都有维护人员）。托管在一组混合计算平台上的OSC MS和GA数据处理软件，使用传输控制协议/因特网协议（TCP/IP）作为通信协议与MCS通信。MCS还具有许多内部和外部通信链路，它们也使用TCP/IP。

3.3.1.1　MCS描述

MCS提供对GPS星座的中心指挥和控制。具体功能包括：

• 监控并维护卫星的健康状态。

• 监控卫星的轨道。

• 计算和预测星钟和星历参数。

• 评估MS时钟的状态。

• 生成GPS导航电文。

• 维持GPS的授时服务及其与UTC（USNO）的同步。

• 监测导航服务的完整性。

• 对提供给GPS用户的数据进行端到端的验证与记录。

• 控制卫星的转移以维持GPS轨道。在卫星发生故障时，重新部署卫星。

如图3.16所示，OCS包含所有必要的支持GPS星座的地面设施。OCS使用美国空军卫星控制网络（AFSCN）和NGA的其他MS，在AEP中分享其他地面天线和自动远程跟踪站（ARTS）。为支持这些功能，MCS由数据处理、控制、显示和通信设备组成。

MCS的主要任务是生成和分发导航数据电文（有时也称NAV数据电文）[NAV数据电文的详细信息见在3.7.1.3节（传统NAV）和3.7.3节（CNAV）]。MCS使用了一系列步骤，包括收集和处理MS测量数据，生成卫星星历和时钟估计、预测，以及构建和分发NAV数据电文。MS提供由MCS平滑的原始伪距、载波相位和气象测量值。基于这些平滑的测量结果，使用卡尔曼滤波器生成精确的卫星星历和时钟估计。它是一个时间状态滤波器，其状态估计的时期与测量的时间不同。MCS滤波器是一个线性卡尔曼滤波器，星历估计在标称参考轨迹周围线性化。参考轨迹使用精确的模型来计算每颗卫星的运动。这些星历估计连同参考轨道构成精确星历预测，这是导航数据电文中星历参数的基础。具体而言，根据IS-GPS-200[29]，最小二乘拟合程序将预测轨道位置转换成导航轨道单元。由此产生的轨道元素被上传到卫星的导航有效载荷存储器中，并传送给GPS用户。

从根本上说，GPS导航精度是由一个连贯的时标得出的，即GPS系统时，其中一个关键部件是卫星的原子钟系统AFS，它为星钟提供稳定的参考源。如前所述，每颗卫星携带多个AFS。MCS操作卫星AFS，监测其性能，并且维持星钟偏差、漂移和漂移率（仅限铷钟）的估计，以支持NAV数据电文的时钟校正。GPS系统时由相对于选定的有效卫星和MS 原子钟系统AFS的集合定义[54]。整体或组合AFS改善了GPS时间稳定性，并在定义这种相干时间的尺度上，将任何单一AFS故障的脆弱性降至最低。

MCS的另一个重要任务是监控导航服务的完整性。这是L波段监控处理单元（LBMON）[40]的一部分。在从MCS到卫星的整个数据流中，MCS确保NAV数据电文参数被正确地上传和传输。MCS维护NAV数据电文的完整存储器映像，并将（从其MS接收到的）下行电文与预期的电文进行比较。下行电文与预期的导航电文之间的显着差异会使得2 SOPS发出警报和改正措施。除了导航比特误差，MCS还监测L波段测距数据，以便在卫星和MS之间保持一致。当在卫星或MS上观察到不一致时，MCS将在检测到的60s内产生L波段警报[40]。

OCS依赖于USNO和NGA的外部数据，包括与UTC（USNO）绝对时标的协调、精确的MS坐标和地球指向参数。

NGA在GPS中的作用如下（摘自文献[41]）。

NGA及其前身组织运营全球定位系统（GPS）监控站已有20多年历史。NGA GPS监控站网络（MSN）支持国防部参考坐标系WGS 84，并已扩展到包括对空军（AF）作战控制部门的直接支持。NGA的站点位于世界各地，战略上是为了配合更加接近赤道的空军监控站。这些台站使用大地测量型GPS接收机和高性能铯钟。NGA远程监控站点的活动，确保其数据完整性和高可用性。NGA GPS站点被严格配置和控制，以实现尽可能高的精度。

NGA在GPS完整性监测中发挥着至关重要的作用。自2005年9月以来，美国空军 GPS MCS卡尔曼滤波器就使用来自NGA GPS监控站的数据确定GPS卫星的广播轨道。NGA数据也为MCS提供了任何时间至少两个站的卫星可见性。近乎实时地向MCS发送NGA数据，提高了GPS的准确性和完整性。实际上，以美国国防部为后台的GPS精确星历计算是支持WGS 84的一个组成部分。使用NGA、美国空军和一些国际GNSS服务（IGS）站计算的星历表提供给美国空军，并发布在面向所有GPS用户的NGA网站上。

3.3.1.2　监控站描述

为了执行导航跟踪功能，OCS具有专用的、全球分布的L波段MS网络。在撰写本文时，OCS网络由16个MS组成，覆盖范围如图3.18所示（覆盖范围显示在正负55°之间）[42]。6个OCS MS位于阿森松岛、迭戈加西亚、夸贾林岛、夏威夷、科罗拉多州斯普林斯和卡纳维拉尔角。10个NGA观测站位于巴林、澳大利亚、厄瓜多尔、华盛顿特区美国海军天文台（USNO）、乌拉圭、英国、南非、韩国、新西兰和阿拉斯加州。OCS MS位于赤道附近，NGA MS位于中纬度和高纬度（北部和南部）位置，以最大化L波段覆盖。

每个OCS MS在MCS的控制下运行，由收集卫星测距数据、卫星状态数据和当地气象数据所需的设备和计算机程序组成。这些数据被转发给MCS进行处理。具体来说，一台OCS MS由一台双频接收机、双重铯原子吸收光谱仪、气象传感器、本地工作站和通信设备组成。每台接收机的天线单元由一个圆锥形的接地平面组成，底座上有环形扼流圈，对俯仰角高于151的信号路径产生高于14dB的多径直接信号抑制比（有关多径的深入讨论见第9章）。HP5071铯AFS为接收机提供5MHz的参考频率。AFS之间的连续相位测量值提供给MCS，以独立监控有效原子钟和支持AFS切换。MCS保持一致的MS时标。在AFS切换时，MCS向MCS卡尔曼滤波器提供（在AFS之间）相位和频率差估计，以便任何时标的中断最小。气象传感器为MCS卡尔曼滤波器提供地面压力、温度和露点测量，以便模拟对流层延迟。但这些气象传感器已年久失修，它们的测量值已被月度的表格数据取代[43]。本地工作站提供OCS MS和MCS之间的命令和数据收集。

OCS MS使用12通道测量型全视野接收机。这些接收机由Allen Osbourne Associates（AOA，现在的哈里斯）公司基于喷气推进实验室（JPL）的Turbo Rogue技术开发。AOA接收机在L1和L2跟踪环路之间完全独立设计，每个跟踪环路由MCS在各种跟踪采集策略下指挥。利用这样的设计，即使是在跟踪异常卫星（如非标准码或卫星初始化，需要额外的采集处理）时，也可以保持整体的接收机跟踪性能。这些全数字接收机没有可检测的通道间偏置误差（早期的OCS接收机由于采用独立的相关和数据处理卡进行模拟设计，需要外部的通道间偏置补偿，通道间偏置是通过接收机中不同硬件和数据处理路径处理普通卫星信号时产生的时间延迟差）。

OCS MS接收机与普通接收机的不同有如下几个方面。首先，这些接收机需要外部命令进行卫星捕获。尽管大多数用户设备仅用于捕获和跟踪符合适用规范的GPS信号，但OCS接收机即使是在不合规时也需要跟踪信号。外部命令允许OCS接收机获取并跟踪来自不健康卫星的异常信号。其次，所有的测量都被标记为卫星X1历元（X1历元的细节见3.7.1.1节），而典型的用户接收机时间标记测量范围相对于接收机的X1纪元。同步相对于卫星X1历元的测量有助于MCS处理来自整个分布式OCS L频带MS网络的数据。OCS接收机为MCS提供1.5s的伪距和累积的三角距离测量[分别又称P(Y)码和载波相位测量]。第三，MCS接收来自每个MS的所有原始解调导航比特（未处理用于错误检测的汉明码），因此可以观察到NAV数据电文中的问题。将返回的NAV数据电文与预期值逐位进行比较，可以提供MCS-GA-卫星-MS数据路径（LBMON的一部分）的完整系统级验证。另外，OCS接收机向MCS提供各种内部信号指示符，如跟踪环路的锁定时间和内部测量的信噪比（SNR）。这个附加数据被MCS用来丢弃来自OCS卡尔曼滤波器的无效测量结果。如前所述，OCS维持MS时标，以适应工作站时间的变化、故障和重新初始化工作站设备。GPS卫星的空军MS覆盖范围如图3.18所示，灰度代码表示可见卫星的数量[42]。卫星覆盖范围不同，从南美洲西部地区的1个到美国大陆地区的5个。

NGA MS使用由ITT Industries（现在的哈里斯）公司开发的与OCS MS接收机类似的12通道GPS接收机。事实上，原始的NGA MS接收机合同于2002年7月被授予AOA，但是AOA随后在2004年被ITT Industries公司收购。

3.3.1.3　地面上行天线描述

为了执行卫星指挥和数据传输功能，OCS包含一个全球分布的专用GA网络。目前，与空军MS共址的OCS网络由分布在阿森松岛、迭戈加西亚、夸贾林岛和卡纳维拉尔角的设施组成，卡纳维拉尔角的设施也是支持预发射卫星兼容性测试的预发射兼容站的一部分。另外，来自AF-SCN的世界各地的几个ARTS GA计划时用作GPS GA。这些GA提供OCS和空间段之间的TT&C接口，并用于上传导航数据。

这些GA是全双工的S波段通信设备，一次只对一颗卫星进行专用的命令和控制会话。在MCS控制下，可以同时与多颗卫星联络。每个GA都包括必需的设备和计算机程序，以便接收来自MCS的命令、上传导航数据、将有效载荷控制数据发送给卫星，并接收那些转发给MCS的卫星遥测数据。为保证冗余性和完整性，所有的OCS GA都是双系统。AFSCN ARTS GA还支持S波段测距。S波段测距为OCS提供进行卫星早期轨道和异常识别支持的能力。图3.19中显示了GPS卫星的GA覆盖范围，它在正负55°纬度之间，灰度代码表示对卫星可见的GA数量[42]。

3.3.1.4　MCS数据处理

1. MCS测量数据处理

为了支持MCS估计和预测功能，OCS连续跟踪L1和L2 P(Y)码。在轨道捕获时，L1 C/A码在切换到P(Y)码的期间被采样，以确保它被广播（但OCS不连续跟踪L1 C/A码）。原始1.5s的L1和L2伪距和载波相位（也称累积增量距离）测量值在MCS处转换为15分钟的平滑测量值。为降低测量噪声，平滑过程使用载波相位测量值来平滑伪距数据。该过程提供平滑伪距和采样载波相位测量值，供MCS卡尔曼滤波器使用。

平滑过程包括数据编辑以消除异常值和周跳，将原始双频测量值转换为无电离层观测数据，有了足够数量的有效测量值后，就生成平滑测量值。图3.20中显示了由600次伪距和载波相位观测组成的15分钟数据平滑区间，其中595次观测用于形成平滑伪距负载波相位偏移，剩下的5次观测用于形成载波相位多项式。

MCS数据编辑限制检查伪距，并对原始的L1和L2观测量进行三阶差分测试。三阶差分测试比较L1和L2的连续观测量序列与门限。如果三阶差分测试超过这些门限，那么这些观测量将在该区间内的随后使用中丢弃。这种数据编辑保护MCS卡尔曼滤波器免受可疑测量值的影响。电离层校正后的L1伪距和相位测量值φc和φc分别使用标准的电离层校正（见10.2.4.1节）计算：

式中，α=(154/120)2，δi和δi, i=1, 2分别是验证后的L1和L2伪距和相位测量值。

电离层校正后的伪距和载波相位测量值由一个常数偏移关联。利用这个事实，平滑后的伪距测量值由载波相位形成如下：

式中，B是通过平滑区间中所有验证后的测量值，计算L1电离层校正的伪距ρc和载波相位测量值φc之间的差的平均值得到的未知常数，即

MCS在20世纪80年代早期开创了伪距的载波辅助平滑技术[49]。

MCS卡尔曼滤波器根据统一的GPS时标（即GPS系统时）每15分钟执行一次测量更新。平滑过程在这些卡尔曼更新时间附近产生二阶伪距和载波相位测量多项式。由偏差、漂移和漂移率组成的相位测量多项式是用平滑区间中最后5个相位测量值φc的最小二乘拟合形成的，即

式中，

式中。τ为1.5s，{zi, i=-2,-1, 0, 1, 2}表示与该区间中最后5个相位测量值相关联的时间标记。式(3.4)中的W是权重矩阵，其对角线上的权重值是由接收机报告的SNR值导出的。伪距测量多项式使用式(3.3)中的常数偏移形成：

式(3.6)和式(3.4)中的这些平滑后的伪距和相位测量值，是由星钟估计值分别通过MCS卡尔曼滤波器插值得到的普通GPS时标。

2. MCS星历和时钟处理

使用基于上述平滑测量值的15分钟更新的卡尔曼滤波器，MCS星历表和时钟处理软件持续估计卫星星历表、时钟和MS状态。MCS星历和时钟估计值用于预测卫星未来时间的位置与时钟，以便支持导航数据电文的生成。

MCS星历和时钟处理被分解为两部分：用于生成参考轨迹的离线处理；用于惯性-大地坐标变换、太阳/月球星历及维持MCS卡尔曼滤波器估计的实时处理。MCS离线处理取决于高精度的模型。MCS参考轨迹力模型[44, 45]包括1996年的地球重力模型（EGM 96）（重力谐波被截断为12度和12阶）、卫星独有的太阳辐射模型、太阳和月球重力效应（来自JPL太阳星历，DE200），以及IERS 2003太阳和月球固体潮汐效应，包括垂直和水平分量。表3.9中小结了这些力的大小及它们对GPS轨道的影响的分析[46]。

表3.9中左侧和右侧的差异量化了星历轨迹和轨道确定中由该分量引起的位置误差。由于描述GPS轨道的运动方程是非线性的，所以MCS线性化了关于标称参考轨迹的星历状态[47, 49]。为了支持星历预测，这些星历估计是相对于参考轨迹的历元状态和用于传播到当前或未来时间的轨迹部分（相对于历元）保持的。

MCS卡尔曼滤波器跟踪地心惯性（ECI）坐标中的卫星星历，并使用一系列旋转矩阵将卫星位置转换成以地球为中心的地球固定（ECEF）坐标。这些ECI-ECEF坐标旋转矩阵解释了日月和行星进动、章动、地球自转、极移和UT1-UTC效应[65]（极移和UT1-UTC地球方位预测由NGA每天向OCS提供）。

MCS卡尔曼状态估计由三个ECI位置和速度值、两个太阳压力、每颗卫星至多三个时钟状态、每个MS的一个对流层湿高及两个时钟状态组成。两个太阳压力状态由一个对先验太阳压力模型的缩放参数和一个Y体轴加速度组成。卡尔曼滤波器时钟状态包括一个偏差、漂移和漂移率（仅限于铷钟）。为避免数值不稳定，MCS卡尔曼滤波器以U-D因式分解的形式建立，其中状态协方差（如P）维持为

式中，U和D分别是上三角矩阵和对角矩阵[48]。U-D滤波器改善了MCS滤波器估计的数字动态范围，其时间常数从几小时到几周不等。MCS卡尔曼时间更新的形式为

式中，和分别表示先验和后验协方差因子，Q(·)表示状态过程噪声矩阵，B(·)表示将过程噪声映射为合适状态域的矩阵。MCS过程噪声包括卫星和MS时钟、对流层湿高、太阳压力和星历速度（后者在径向、沿轨道和跨轨道坐标中[49]）。2 SOPS使用海军研究实验室提供的在轨GPS艾伦和阿达玛时钟特性，定期重新调谐卫星和MS时钟过程噪声[50, 51]。MCS卡尔曼滤波器对标量测量值进行更新，并进行统计上一致的测试以检测异常值（基于测量残差或创新过程[47]）。MCS测量模型包括时钟多项式模型（高达二阶）、Neill/Saastamoinen对流层模型[52, 53]、IERS 2003台站潮汐位移模型（垂直和水平分量）、周期相对论和卫星相位中心改正。

由于伪距测量值只是发射卫星和接收MS之间的信号传播时间，所以MCS卡尔曼滤波器可以估计星历和时钟误差。但是，所有时钟共有的误差都是不可观测的。从本质上讲，已知一个有n个时钟的系统时，只有n-1个可分离的时钟观测量，剩下的一个处于不可观测状态。早期的MCS卡尔曼滤波器设计通过人为地强制一个MS时钟为主时钟，并让所有的MCS时钟估计值都参考该工作站，避免了这种不可观测性。为了利用这种不可观测性，基于文献[54]开发的复合时钟理论对MCS卡尔曼滤波器进行了改进，并将GPS系统时建立为所选有源AFS的集合。在每次测量值更新时，复合时钟就会降低时钟估计的不确定性[49]。此外，使用复合时钟，GPS时间对时到UTC（USNO）绝对时标（考虑当前的闰秒差异），以便保持与其他授时服务的一致性。来自多个MS的卫星的共同视图对于估计过程很关键。时间传递函数的这种闭环提供了全球时标同步，以便实现亚米级的估计性能。鉴于复合时钟的这些优点，国际GPS服务（IGS）将其产品转换到了沿复合时钟线的IGS系统时[55]。

MCS卡尔曼滤波器有几个独特的功能。首先，MCS卡尔曼滤波器被分解成多个更小的小型过滤器，称为分区。由于20世纪80年代的计算限制，MCS分离型卡尔曼滤波器是必需的，但是现在这种形式的滤波器可以灵活地从主分区去除性能较差的卫星。在一个分区中，卡尔曼滤波器估计多达32颗卫星和所有MS状态，并通过分区间的逻辑关系来协调冗余地面估计的同步。其次，MCS卡尔曼滤波器具有恒定的状态估计，即具有零协方差的滤波器状态（这个特征用于铯和铷AFS模型，分别是线性和二次多项式）。经典的卡尔曼理论要求状态协方差是正定的。然而，由于式(3.8)中的U-D时间更新及相关的Gram-Schmidt因式分解[48]，后验协方差因子和被构建为正半定零协方差。再次，MCS卡尔曼滤波器支持卡尔曼备份。MCS卡尔曼备份包括恢复先前的滤波器状态和协方差（直到过去54小时），并在不同的滤波器配置下重新处理平滑的测量值。这种备份功能对于管理卫星传统算法或操作员引起的异常的2 SOPS至关重要。2 SOPS可以利用MCS卡尔曼滤波器的各种控制来管理特殊事件，包括AFS失效、自主卫星喷射点火、AFS的重新初始化和AFS之间的转换、参考轨迹和地球定位参数的变化。自20世纪80年代初以来，MCS卡尔曼滤波器一直在不间断地运行，不需要重启滤波器，2007年从传统系统到AEP系统的转换期间也是如此。

3. MCS上传电文的生成

MCS上传导航电文是由一系列步骤生成的。首先，使用当时最新的卡尔曼滤波估计值，MCS生成预测的ECEF卫星天线相位中心位置，记为。然后，对于传统的GPS信号，MCS使用导航数据电文星历参数对这些预测位置进行最小二乘拟合。最小二乘拟合的时间间隔为4小时或6小时，也称子帧（注意，对于扩展操作上传，子帧的拟合时间间隔更长）。15个轨道元素[29]可用矢量形式表示为

式中用到了一个相关的星历参考时间toe，它是使用非线性加权最小二乘拟合生成的。

对于给定的子帧，选择轨道元素X(toe)来最小化性能目标：

式中，geph()是一个将轨道元素X(toe)映射到ECEF卫星天线相位中心位置的非线性函数，W(·)是一个权值矩阵[29]。

如式(3.10)定义的那样，所有位置矢量及相关权重矩阵均在ECEF坐标系中。由于MCS误差预算是相对于URE定义的，因此将权值矩阵分解为径向、沿轨道和跨轨道坐标，其中径向的权值最大。式(3.10)的权值矩阵为

式中，ME←RAC(·)是一个从RAC到ECEF的坐标变换，WRAC是一个对角的RAC权值矩阵。

对式(3.9)中的轨道元素而言，式(3.10)中的性能目标可能会在小偏心率e时出现问题，此时引入一个替代轨道集来消除这种问题；具体而言，定义如下三个辅助元素：

这样，相对于其他轨道元素，式(3.10)中的目标函数可被最小化，具有以下形式：

三个轨道元素(e, M0, ω)通过逆映射与辅助元素(α, β, γ)关联：

式(3.9)中的X(·)与式(3.13)中的相比，最小化式(3.10)的优点是，辅助轨道元素对小偏心率有很好的定义

式(3.10)和式(3.14)中的最小化问题，可以通过线性化geph()约一个标称轨道元素集[记为]来简化：

然后，式(3.10)就可等价地变为

式中，

将经典最小二乘技术（见附录A中的描述）应用到式(3.16)中的性能目标，得到

式中，称为差分改正。由于geph()是非线性的，因此式(3.16)中的最优轨道元素是通过连续迭代得到的：首先从一个标称轨道矢量开始，然后使用式(3.20)进行一系列差分改正，直到差分改正收敛为0。

采用类似的方法，可以生成历书导航参数[29]。然后按照NAV数据电文格式缩放和截断这些生成的轨道元素。注意，这些轨道元素是准开普勒的，代表的是卫星ECEF轨迹的局部拟合，不能被用来计算整体轨道特征。

4. 导航上传曲线拟合误差

导航上传会导致来自最小二乘拟合及广播电文的LSB表示的一些误差。传统的LNAV和现代化的CNAV导航电文都存在这些误差源。图3.21给出了对每颗卫星的每天来说，上述实际测量的卫星钟差和星历拟合误差与传统NAV数据电文的生成[56]。对于2小时的广播时间间隔和4小时的使用（适合）时间间隔，从2016年8月17日起描述了8个性能指标：

• 对于轨道拟合：

• 每颗SV的平均上限误差（AVG UBE）。

• 每颗SV的最大UBE误差（MAX UBE）。

• 所有SV的平均误差（AVG UBE）。

• 所有SV的最大误差（MAX UBE）。

• 对于星钟偏移：

• 每颗SV的RMS（RMS CLK）。

• 每颗SV的最大值（MAX CLK）。

• 所有SV的RMS（RMS CLK）。

• 所有SV的最大值（MAX CLK）。

在图3.21中，轨道拟合RMS AVG和RMS最大误差分别为12.7cm和24.09cm。对于星钟偏移拟合，RMS CLK和MAX CLK分别为6.06cm和10.65cm。由于这个测量值的拟合误差数据为1天，所以不包括每日/季节变化。

关于现代化的信号，CNAV数据电文的表示已用附加的参数和减少的量化误差实现。实际测量的星钟偏差和与改进的NAV数据电文相关的星历拟合误差如图3.22所示[56]。对于2小时的广播时间间隔和3小时的使用（拟合）时间间隔，从2016年6月7日起，给出了与图3.21中相同的8个性能指标。在图3.22中，轨道拟合RMS AVG和RMS最大误差分别为0.47cm和0.82cm。对于星钟偏移拟合，RMS CLK和MAX CLK分别为0.28cm和0.42cm。类似地，就传统的NAV数据而言，现代化测量值的拟合误差数据为1天，因此不包括每日/季节变化。与图3.21的结果进行比较发现，现代化的拟合误差显著降低。

5. MCS上传电文的传播

一般来说，每颗卫星的NAV数据电文至少每天上传一次。传统的LNAV和CNAV数据电文（见3.8.1节和3.8.2节）是根据IS-GPS-200[29]生成的。另外，在导航数据载入卫星存储器后，要检查MCS-GA卫星上传的过程。为保证完整性，错误检查过程存在于整个导航服务路径。卫星上传通信协议使数据内容成功传输到卫星机载存储器的可能性最大化。

NAV数据基于MCS卡尔曼滤波器估计的预测，质量随着数据龄期降低。2 SOPS监控导航精度，并在精度超过特定门限时执行应急上传。遗憾的是，NAV数据电文的传播是上传频率与导航精度的折中。为了尽量减少上传的频次，同时维持可接受的导航服务，人们评估了各种上传策略[15, 72]。GPS导航精度取决于许多因素，包括卫星AFS的性能、MS的数量和位置、测量误差、星历模型和滤波器调整。零日数据龄期（ZAOD）精度的显著提高归功于添加了具有L-AII和AEP的NGA MS（如下节所示），以及IIR中更稳定的AFS和IIF卫星。

3.3.2　OCS的进化

20世纪80年代初，MCS操作软件就在IBM大型机上运行。2007年9月，传统大型机上的MCS操作被转移到AEP OCS，托管在POSIX客户端和服务器的分布式架构上[57-60]。AEP更新是一个面向对象的软件设计，使用跨1GB以太局域网（LAN）连接的工作站之间的TCP/IP通信协议。AEP分布式架构将MCS操作数据维护在Oracle数据库中（使用故障切换策略）。

主要升级构成了这一转变的基础。L-AII于2005年被添加到了传统的MCS中[38]。L-AII升级为传统系统提供了额外的功能，并且帮助传统系统向AEP过渡，包括完整的AII能力[61, 62]。对于L-AII和AEP，MS的数量可以增加到共6个空军OCS MS及多达14个OCS处理的NGA MS。这些附加的NGA MS为OCS提供了连续的L波段星座跟踪覆盖。在L-AII之前，存在一个长达2小时的卫星L波段覆盖中断，但此后这个位于南太平洋的空白区不复存在。

L-AII升级修改了现有的MCS大型机方案，以支持分区卡尔曼滤波器中的附加MS和卫星。20世纪80年代，MCS使用了一个由多达6颗卫星组成的分区卡尔曼滤波器，每个分区最多可以有6个MS。这种分区滤波器设计是由于计算能力的限制阻碍了MCS导航精度。L-AII升级使得MCS能够在一个分区中支持多达20个MS和多达32颗卫星（注意，为支持卫星异常处置，L-AII MCS卡尔曼滤波器保持了划分和备份能力）。NGA为MCS提供了额外的MS，包括15分钟的平滑、1.5s的原始伪距和来自哈里斯（前身是ITT）公司的MS SAASM型接收机的载波相位测量值。这些平滑和原始测量值分别用于MCS卡尔曼滤波和LBMON[40]处理。随着这些改进的实施，MCS卡尔曼滤波器的零龄期数据URE减少了近一半[15, 64]，L波段监测能见度覆盖从1.5MS/卫星增加到3～4MS/卫星。图3.18中显示了组合的OCS和NGA MS网络。

L-AII升级（和AEP）包括针对MCS处理的几个模型改进。表3.10中小结了传统模型和AEP模型。过去30年来，美国各个政府机构、研究实验室和国际GPS界都开发了改进的GPS模型。这些L-AII/AEP模型更新的重力场、台站位移和地球定向参数使得MCS处理符合IERS的规定[65]。JPL开发的太阳能压力模型改善了卫星星历动态建模能力，其中包括Y轴和β相关力，其中β是太阳-地球连线与卫星轨道面之间的夹角。Neill/Saastamoinen模型改善了低海拔地区的对流层的模拟[67]。

1. 数据的零龄期

分析MCS建模、估计和上传数据生成的性能的主要方法是计算ZAOD[37, 70]。ZAOD的测量值是在传播到未来纪元之前对性能下限的最佳估计（即导航电文的预测）。ZAOD分析将特定时间的MCS卡尔曼滤波器状态与独立的真值标准进行比较。这个度量是根据URE计算的。ZAOD URE性能指标是有价值的，因为它代表了MCS卡尔曼滤波器的基精度。这是GPS NAV数据电文可以提供给GPS用户的最高质量的星历和时间。ZAOD URE有助于区分MCS卡尔曼滤波状态和广播导航数据电文中的问题，以及它们对GPS用户总体误差的影响。

图3.23中显示了在2005年安装L-AII软件和硬件后，ZAOD URE的改进[37,71]，包括总体、星历和时钟RMS URE值，以及总体URE的7天移动平均值。标记了几个L-AII里程碑，并指出了这些里程碑相对于数据的位置。在安装L-AII之前，平均URE约为0.45m；在L-AII安装之后，它改进为0.25m。

生成NAV数据电文后，即使在上传到SV之前，ZAOD状态也会预留，且数据的龄期（及其NAV数据错误）会增大。一般来说，GPS上传每天都要进行。多项分析和研究表明，用户受益于更加频繁的上传导致的导航误差减小，进而减小数据的上传龄期及伴随的广播导航电文错误[72, 73]。

2. OCS的最近改进

AEP提供了一系列商用货架（COTS）产品和改进的图形用户界面显示。AEP设计时考虑到硬件和软件的可扩展性，增加了对IIF卫星和现代化信号的支持。近年来，OCS的可扩展性已经实现了如下的额外升级：

• SAASM的实施为GPS系统提供了下一代安全性。

• AEPMODNAV改进将现代化导航信号的能力作为一系列端用货架（GOTS）产品的实现。

• 对GPS入侵保护强化（GIPR）的修改提供了多级通信安全功能，用于保护数据和基础设施，提高系统的可持续性并满足未来的GPS运行要求[74]。

• 对COTS升级（CUP）的修改完成了正在进行的OCS维护的初始阶段，以便更新或替换过时的COTS计算机硬件和软件产品。

• 对AEP进行了修改，增加了与IERS技术说明第36号（TN36）[75]一致的摄取地球定位预测数据的能力。未来，AEP将支持以GPS III SV上传为目的TN36坐标转换。完整的TN36转换将纳入MCS的未来更新。

• CUP二期（CUP2）对软件和硬件进行了全面修改，改善了OCS的信息保障态势和可扩展性。它改进了服务器硬件及操作系统、数据库、网络管理及命令和控制软件。

• MODNAV二期删除了GOTS，并将能力集成到了OCS中。

随着AEP的不断发展，OCS将增加额外的特性和功能。

3.3.3　OCS未来计划的升级

在接下来的几年内，OCS将进行几个主要的升级：

• CUP第三阶段（CUP 3）修改将完成AEP服务器的现代化，并提供OCS集成以提高OCS的可扩展性。

• GPS地面天线/AFSCN接口技术刷新（GAITR）修改将取代GA计算设备的过时硬件。

• 监控站技术和能力改进（MSTIC）将提供软件接收机来替代现有的OCS MS接收机。

• 新一代操作控制段（OCX）将全面更新和替换当前的OCS，提供指令、控制和导航数据上传到GPS Block IIR/IIR-M和Block IIF卫星及全新GPS III卫星的全面功能支持。

• OCX的初始阶段将支持GPS III发射、早期在轨测试和异常解决。这个阶段称为启动和结账功能/启动和结账系统（LCC/LCS）。

• GPS III应急操作（COPS）更新将为AEP提供遥测、指挥和导航数据上传功能，以支持前几颗GPS III卫星[76]。