Loran Integrity Performance Panel Analysis of ASF for RNP 0.3 Sherman Lo Stanford University International Loran Association Boulder CO Nov 3-7 2003 Loran Integrity Performance Panel 2 Additional Secondary Factors

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Slide1Loran Integrity Performance PanelAnalysis of ASF for RNP 0.3 Sherman Lo, Stanford University International Loran Association Boulder, CO, Nov 3-7, 2003

Slide2Loran Integrity Performance Panel2 Additional Secondary Factors • Additional Secondary Factor (ASF) Q Delay in propagation time due to traversing heterogeneous earth relative to sea water path Q Major source of error for Loran navigation • Why are we studying this? Q Need to understand effects of ASF to meet aviation requirements Q Integrity: Bound the worst case Haven’t we been here before? Hasn’t this been studied before?

Slide3Loran Integrity Performance Panel3 Aviation Requirements HAL •   Integrity: Does our protection level bound position error •  Requirement: 99.99999%  (1-10 -7 ) •   Availability: How often is the solution valid for RNP 0.3 •  Requirement: > 99.9% (HAL = 556 m) •   Continuity: Is solution available for entire approach if           initially available •  Requirement: > 99.9% (150 sec) HPL

Slide4Loran Integrity Performance Panel4 Calculating HPL •    i  is the standard deviation of a normal distribution that overbounds the randomly distributed errors Q SNR, transmitter jitter •    i  an overbound for the correlated bias terms Q  Correlated temporal ASF •    i  an overbound for the uncorrelated bias terms Q Uncorrelated ASF temporal errors, ASF spatial error • PB is a position domain overbound Q ASF spatial error

Slide5Loran Integrity Performance Panel5 Temporal & Spatial Effects • ASF is modeled in two components: temporal & spatial. • ECD is can be modeled similarly though with other components (transmitter effects, etc.)   1 ECD 1  2 ECD 2  3 ECD 3  4 ECD 4  5 ECD 5  6 ECD 6  7 ECD 7  8 ECD 8  N ECD N Varies temporally Varies spatially

Slide6Loran Integrity Performance Panel6 Average ASF Value At Calibration Point x o Provided At Aircraft Location User ASF will differ from provided ASF Variation of ASF • User has an average ASF • ASF look up table is to be provided to user (at each calibration pt) ASF used by receiver (rx ASF) Difference from rx ASF from using a different location Difference from rx ASF from seasonal changes

Slide7Loran Integrity Performance Panel7 One Important Concept … • Assumption: Time of Transmission (TOT) Q Eliminate effect of SAM Q Otherwise SAM induced changes need to be accounted for when using TOA • TOT control eliminates a potential source of error Q While the SAM may reduce the actual error, since we do not know its effects, we have to assume it does not TOT aids in reducing bound on ASF Results in better availability, continuity

Slide8Loran Integrity Performance Panel8 Data Collection • TOA and TOT monitors; FAATC/JJMA/USCGA flight tests • USCG data from transmitters, SAM (TINO, etc.) TOT Master TOT Monitor TOA Monitor TOA Monitor Spatial ASF Spatial ASF

Slide9Loran Integrity Performance Panel9 Temporal ASF

Slide10Loran Integrity Performance Panel10 Historical ASF Variation (Temporal)

Slide11Loran Integrity Performance Panel11 Temporal ASF Model ASF N,mean  = mean ASF used by the receiver  TOA N (t)  is the TOA relative to the nominal for the Nth signal (transmitter) at time t d N,land  are the relative amplitudes for the time varying components depending on distance (initially assumed known)  TOA(t) are the common time varying components that have different amplitudes for different signals (propagation) c(t) are the common time varying components that have the same amplitudes for different signals (mainly clock error)  N (t) are what remains after taking out the correlated part of the TOAs (residual error)

Slide12Loran Integrity Performance Panel12 Monitor Data Raw Data “Decimated” Data

Slide13Loran Integrity Performance Panel13 Modeling at Sandy Hook (Not Using Caribou)  TOA(t) c(t)  Car (t)  max

Slide14Loran Integrity Performance Panel14 Modeling at Sandy Hook (Not Using Nantucket)  TOA(t) c(t)  Nan (t)  max

Slide15Loran Integrity Performance Panel15 Temporal ASF at Other Locations Monitor Num Stations  TOA (All  Sta) Residual Error  (All  Sta) Cape Elizabeth, ME 5 1089 307 Sandy Hook, NJ 5 1116 297 Annapolis, MD* 7 299 390

Slide16Loran Integrity Performance Panel16 Conclusions on Temporal ASF • Bound on Temporal ASF Variations is a significant factor in the HPL Q Should be worst in NEUS • Important to divide temporal ASF into correlated and uncorrelated contributions Q Correlated error does not need to be treated in the worst possible manner • Current values used (NEUS) Q 1000 ns/Mm (correlated) Q 300 ns (uncorrelated) Q Are these values adequate for integrity? Q Can we do better with another model?

Slide17Loran Integrity Performance Panel17 Spatial ASF

Slide18Loran Integrity Performance Panel18 Spatial ASF – Cape Elizabeth from Nantucket (D. Last, P. Williams)

Slide19Loran Integrity Performance Panel19 Comparison of Spatial ASF Data vs. Model (G. Johnson) • Greg Johnson will present more about this next!

Slide20Loran Integrity Performance Panel20 HPL Contribution from Position Domain

Slide21Loran Integrity Performance Panel21 Cape Elizabeth Spatial ASF Bounds Situation Radius  (nm) Bound  PD  (m) Cape  Elizabeth  nominal 10 87.30 20 165.80 Cape  Elizabeth:  1  loss 10 220.94 20 373.78 Cape  Elizabeth:  1  loss 10 131.51      include  Nantucket 20 191.85 Cape  Elizabeth:  2  loss 10 344.02 20 546.06 Cape  Elizabeth:  2  loss 10 252.2      include  Nantucket 20 269.89

Slide22Loran Integrity Performance Panel22 Bounds for Spatial ASF Location Terrain  Type Number Sta Nom  PD  (m) 1  Loss  PD  (m) 10 nm 20 nm 10 nm 20 nm Cape Elizabeth, ME Coast 7 87 166 221 374 Destin, FL Coast 7 319 439 395 545 Grand Junction, CO Mountain 9 205 266 259 291 Point Pinos, CA Coast, Mountain 7 181 371 540 846 Spokane, WA Mountain 11 60 103 80 138 Plumbrook, OH Interior 9 22 39 28 63 Bismarck, ND Interior 7 36 55 64 67 Little Rock, AR Interior 9 36 48 51 65

Slide23Loran Integrity Performance Panel23 Conclusions on Spatial ASF • Bound on Spatial ASF Variations is a significant factor in the HPL Q Should be worst in mountainous and coastal regions • Position Domain Bound used Q Allows the incorporation of correlation Q Limits allowable station sets • Current values used Q 120 m (PD) for interior Q Good for up to 20 km with 1-2 station(s) missing Q How much an inflation factor is necessary?

Slide24Loran Integrity Performance Panel24 Availability & Continuity • Bound on ASF variations allows calculation of HPL Q  Need bound for noise, transmitter error • Availability occurs when: Q  Pass Cycle Resolution Test Q  HPL < HAL (556 meter) • Continuity occurs when: Q  Initially Available Q  Available over next 150 seconds

Slide25Loran Integrity Performance Panel25 Caveats • Models dependent on many assumed values Q Errors (ASF, tx, noise) Q Noise Q Algorithm (Cycle, etc.) Q Station availability • Need to aggregate for all scenarios Q  interference, early skywave, different noise levels Q Only one case shown: 99% noise level, etc. • Weighted by assumed regional ASF variations, etc. RESULTS SHOWN ARE NOT FINAL NOR NECESSARILY REPRESENTATIVE

Slide26Loran Integrity Performance Panel26 Test Case: Availability

Slide27Loran Integrity Performance Panel27 Test Case: Continuity

Slide28Loran Integrity Performance Panel28 Conclusions … • Need to bound ASF – largest error source Q TOT reduces error to be bounded Q Separate ASF into temporal & spatial • Temporal ASF Q Separate into correlated & uncorrelated terms • Spatial ASF Q Use position bound Q Bounds can be very high on coast, mountain • Have tools in place so that once we have results for all hazards, the continuity and availability can be quickly determined • Story is not complete – more to come

Slide29Loran Integrity Performance Panel29 Acknowledgements • Federal Aviation Administration Q Mitch Narins – Program Manager • Contributors Q Bob Wenzel, Ben Peterson Q Prof. David Last, Paul Williams Q Greg Johnson, CAPT Richard Hartnett, FAATC Q LT Dave Fowler, LT Kirk Montgomery • The views expressed herein are those of the presenter and are not to be construed as official or reflecting the views of the U.S. Coast Guard, Federal Aviation Administration, or Department of Transportation .