衛(wèi)星導航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（九）

+ 劉天雄

配備雙頻接收機的測距與完好性監(jiān)視站（RIMS）測量可見星（仰角大于15°）的電離層延遲數(shù)據(jù)，獲得的電離層延遲再轉(zhuǎn)換為對應電離層穿透點（IPP）的垂直延遲。所有RIMS站得到的垂直延遲送入主控中心（MCC），用于計算某一網(wǎng)格的4個網(wǎng)格點（IGP）的垂直電離層延遲。計算電離層延遲改正數(shù)的算法有很多，例如，對于第k個IGP，MCC在計算垂直電離層延遲時，首先以第k個IGP為圓心，以R（一般為1000km）為半徑畫圓，使用處于圓內(nèi)的電離層延遲采用距離倒數(shù)加權法計算該IGP的垂直電離層延遲。主控站獲得這些電離層校正數(shù)據(jù)經(jīng)導航注入站注入GEO衛(wèi)星，由衛(wèi)星將校正數(shù)據(jù)播發(fā)給服務區(qū)內(nèi)的用戶。

SBAS能夠測量出對流層的溫度、壓力和相對濕度等，因為這些量的空間相關距離很短，所以由MCC估算出該延遲發(fā)給用戶沒有太大意義。SBAS電文不含對流層校正值，延遲補償模型需要設置在接收機內(nèi)，一般可以消除90%的對流層延遲。

SBAS通過對各類改正數(shù)誤差的確定及驗證來完成對廣域差分改正數(shù)完好性的監(jiān)測，廣域差分改正數(shù)包括衛(wèi)星星歷改正、衛(wèi)星鐘差改正和電離層網(wǎng)格垂直延遲改正。衛(wèi)星星歷改正和衛(wèi)星星鐘改正都是與衛(wèi)星有關的誤差改正，這兩種改正數(shù)相應的誤差綜合給出，以用戶差分距離誤差（User Differential Range Error，UDRE）表示。電離層網(wǎng)格垂直延遲改正相應的誤差以GIVE表示。

用戶差分距離誤差（UDRE）指由經(jīng)差分修正后的空間信號誤差引起的用戶誤差。因此它是經(jīng)星歷誤差修正和衛(wèi)星鐘差修正后的真實用戶級誤差。考慮完好性的概率要求，UDRE可以定義為在系統(tǒng)服務區(qū)內(nèi)，可視衛(wèi)星星歷及鐘差改正數(shù)誤差相應的偽距誤差的置信限值。設置信度為99.9%，則有：

計算UDRE應考慮：

· 直接計算：UDRE計算應直接基于接收到的軌道及鐘差誤差影響的偽距觀測量，能夠使用戶得到更加嚴格的完好性保證，對系統(tǒng)所受到的異常影響會盡快做出反應；

· 置信度限制的完好性：UDRE應對系統(tǒng)服務區(qū)內(nèi)的所有位置，以99.9%的置信度給出衛(wèi)星軌道及鐘差改正誤差的置信限值；

· 告警時間：UDRE要能盡快對異常影響做出反應，且要盡快通過同步衛(wèi)星廣播給用戶，處理及播發(fā)的總時間不應超過系統(tǒng)規(guī)定的6s告警時間；

· 定位可用性：UDRE越小，可用性越高。用戶對UDRE的可用性有嚴格規(guī)定。

SBAS在廣播電離層網(wǎng)格點IGP延遲改正數(shù)時，還應廣播這些改正數(shù)對應的誤差信息。這種誤差信息定義為格網(wǎng)電離層垂直改正誤差(Grid Ionospheric Vertical Error，GIVE)。GIVE是網(wǎng)格點經(jīng)過電離層改正后的真實用戶級誤差。根據(jù)完好性需求，按99.9%的置信度給定。對于時刻的網(wǎng)格點延遲改正數(shù)將要應用的后一個更新間隔內(nèi)的任意時間，應以99.9%的置信度保證與實際是一致的。

用戶電離層垂直改正誤差（UIVE）是用戶視線穿透點處基于格網(wǎng)點延遲改正值計算得到的垂直延遲值與真實值之間差值的置信限制。已知GIVE值，則可內(nèi)插計算格網(wǎng)點包圍范圍內(nèi)的用戶穿透點的UIVE，UIVE與GIVE有同樣的置信度99.9%。GIVE和UIVE的計算必需滿足完好性、告警時間及精度要求。

· 完好性是指由GIVE得到的UIVE必須以99.9%的置信度限定用戶電離層改正誤差；

· 告警時間是指對電離層異常的處理，必須在規(guī)定時間內(nèi)到達用戶；

· 精度需求來自全面的系統(tǒng)精度需求，包括垂直及水平定位精度和定位保護限值需求。

GIVE和UIVE既要能確實反映所受的誤差影響，以保證為服務區(qū)內(nèi)的所有用戶提供安全，并能對電離層異常影響及時作出反應；又要不能估計得太大，以保證連續(xù)性、可用性。不同導航用戶，定位誤差都有最大限值規(guī)定，而定位誤差基于GIVE和UIVE得到，因此，GIVE和UIVE也必須在規(guī)定的門限以下。

國際民航組織ICAO GNSSP SARPs相關文件定義完好性為SBAS系統(tǒng)提供增強信息正確性可信任程度的度量措施，這種完好性度量措施還應具備當系統(tǒng)不可用時能夠給用戶及時有效提供告警的能力。完好性包括水平保護門限HPL和垂直保護門限VPL以及給用戶告警的時間。完好性風險（integrity risk），定義為在給定服務時間期間，信號誤差超出規(guī)定的容差時而沒有給用戶告警的概率。

圖25 HMI、MI和系統(tǒng)不可用的關系

SBAS的增強電文數(shù)據(jù)格式需要滿足國際民航組織ICAO SARPs附錄B有關空間導航信號的規(guī)定，詳見The EGNOS SBAS Message Format Explained相關說明，同時機載SBAS設備最低性能要求需要完全滿足RTCA MOPS DO-229標準。GEO衛(wèi)星播發(fā)的導航增強信號與GPS系統(tǒng)的民用L1(1574.42 MHz)信號類似，調(diào)制C/A測距碼，SBAS系統(tǒng)L1(1574.42 MHz)信號特征如表10所示，采用卷積編碼，編碼方案如表11所示，

GEO衛(wèi)星播發(fā)的導航增強信號包含測距信號、差分修正改正數(shù)以及完好性信息，其中測距信號的偽隨機測距碼與在基本導航系統(tǒng)偽隨機測距碼的碼族中選擇；播發(fā)的增強信號與基本導航信號類似，差分修正改正數(shù)包括基本導航系統(tǒng)衛(wèi)星的星歷、鐘差及電離層延遲；GNSS地基完好性通道（Ground Integrity Channel，GIC）用來通報GPS/GLONASS/GEO安全導航服務的可用性。此外， GEO衛(wèi)星播發(fā)的增強信號含有測距信號分量，可以進一步降低基本導航系統(tǒng)的GDOP值，由此，進一步改善衛(wèi)星導航系統(tǒng)的連續(xù)性和可用性。

表10 SBAS系統(tǒng)L1 (1574.42 MHz)信號特征

表11 卷積編碼方案

3.3.3 完好性說明

定位精度體現(xiàn)了誤差的空間分布特性，完好性體現(xiàn)了誤差超出門限的概率，連續(xù)性體現(xiàn)了定位誤差的時間分布特性，可用性表征了系統(tǒng)導航精度滿足服務要求的可靠性或者說可信度。衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度降低后，系統(tǒng)可用性也隨之降低。系統(tǒng)告警門限變小后，可用性也同樣隨之降低。對于飛機垂直引導進近而言，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的垂直定位精度是較為重要的指標之一，由于衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段衛(wèi)星星座的幾何特性，導致系統(tǒng)高程解算誤差比水平解算誤差相對較大。國際民航組織ICAO的衛(wèi)星導航系統(tǒng)委員會專家組（GNSS Panel，GNSSP）一直在研究如何確保SBAS用戶安全地使用衛(wèi)星導航系統(tǒng)，同時又滿足用戶對系統(tǒng)可用性的要求。2000年6月，GNSSP專家組以GNSS標準和推薦操作規(guī)范（SARPs）方式確定了SBAS完好性相關算法，2002年11月，SARPs正式對外發(fā)布。

國際民航組織修正案77附錄10定義地基增強系統(tǒng)（GBAS）、星基增強系統(tǒng)（SBAS）、機載增強系統(tǒng)（ABAS）均能提供衛(wèi)星導航系統(tǒng)完好性服務，ABAS通過機載用戶接收機接收多個衛(wèi)星的信號，獲取冗余的偽距觀測來估算系統(tǒng)完好性，而GBAS和SBAS則是借助地面參考站網(wǎng)絡來估算系統(tǒng)完好性。此外，GBAS和SBAS還能提供基本導航系統(tǒng)的差分改正數(shù)，以進一步提高系統(tǒng)的定位精度，而SBAS的GEO衛(wèi)星除了播發(fā)增強信息，還能提供測距服務，進一步提高系統(tǒng)的可用性。因此，SBAS的完好性服務應該從以下兩個方面保護用戶，

· GNSS/SBAS-GEO衛(wèi)星失效，利用地面參考站網(wǎng)絡監(jiān)測導航衛(wèi)星信號，檢測并剔除故障導航信號；

· SBAS系統(tǒng)播發(fā)錯誤的或者不準確的差分改正數(shù)，這些不正確的差分改正數(shù)由未檢測出的地面段故障引起，或者由地面段測量噪聲及算法執(zhí)行過程中異常導致；

上述第二種類型的失效模式，系統(tǒng)仍然處于正常工作狀態(tài)，空間段GNSS/SBASGEO衛(wèi)星工作正常，地面段和用戶段設備也正常工作，即所謂的“無故障工況（fault free case）”，在“無故障工況”情況下發(fā)生這類非完好性事件是數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理過程中的固有現(xiàn)象，為了給用戶提供基本的精確的差分改正數(shù)需要定義所謂的統(tǒng)計誤差邊界——水平保護門限HPL和垂直保護門限VPL。

HMI、MI和系統(tǒng)不可用的之間關系還可以用Stanford圖用來表征，Stanford圖用在給定測量期間系統(tǒng)的垂直定位誤差（Vertical Position Error，VPE）和垂直保護門限VPL的關系來說明系統(tǒng)完好性和可用性之間的權衡關系，例如，2005年3月，歐洲EGNOS星基增強系統(tǒng)在法國Toulouse的實際測試結果如圖26所示，圖中橫坐標表示垂位置誤差VPE，縱坐標表示垂直保護門限VPL，對角線將采樣點分成兩個大的區(qū)域，對角線的左面表示是系統(tǒng)安全操作區(qū)（位置誤差PE在保護門限PL范圍內(nèi)），對角線的右面表示系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)（位置誤差PE在保護門限PL范圍外），測試結果表明EGNOS星基增強系統(tǒng)在測試期間一類垂直引導進近APV-I是100%可用的。

通?？梢苑謩e給出水平位置Stanford圖和垂直位置Stanford圖。Stanford圖可用來快速檢查系統(tǒng)完好性狀態(tài)，只要簡單確認采樣點是否在Stanford圖的對角線軸上方即可，同時也可借助Stanford圖判斷系統(tǒng)定位結果的安全等級，例如，如果采樣點在對角線上方，但是很接近對角線，說明系統(tǒng)在發(fā)生完好性事件的邊緣。Stanford圖還可以用來評估系統(tǒng)的可用性是否滿足要求，圖中縱坐標在告警限以上的區(qū)域表征系統(tǒng)“不可用”。

表12 美國聯(lián)邦航空管理局FAA定義衛(wèi)星導航系統(tǒng)用于航空導航時的性能要求

圖26 EGNOS星基增強系統(tǒng)一類垂直引導進近APV-I實測Stanford圖

3.4 當前星基增強系統(tǒng)介紹

增強系統(tǒng)不僅要對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完好性進行監(jiān)測，還要對差分改正數(shù)的完好性進行監(jiān)測，如果是星基增強系統(tǒng)還要對播發(fā)測距信號的同步衛(wèi)星的健康狀況及其播發(fā)的誤差改正數(shù)的完好性進行監(jiān)測。對衛(wèi)星狀況的監(jiān)測技術就是完好性通道（IC）監(jiān)測，對廣域差分改正數(shù)的監(jiān)測則是通過各類改正數(shù)誤差的確定及驗證來完成的，包括用戶差分距離誤差（UDRE）和格網(wǎng)電離層垂直誤差（GIVE）兩部分數(shù)據(jù)。UDRE是用戶差分距離誤差，指的是經(jīng)差分修正后的空間引號引起的用戶誤差。因此，它是經(jīng)過星歷誤差修正和星鐘修正后的真實用戶級誤差。GIVE是電離層格網(wǎng)點垂直延遲改正誤差，指的是經(jīng)過電離層改正后的真實用戶級誤差。UDRE及GIVE對應一定的置信度,這種置信度根據(jù)導航系統(tǒng)完好性需求給出，一般為10-7/h。美國聯(lián)邦航空管理局FAA定義衛(wèi)星導航系統(tǒng)用于的航空導航時的性能要求（Required Navigation Performance，RNP）如表12所示，詳見咨詢通告Advisory Circular 90-101A相關章節(jié)。

國際民航組織將利用星基轉(zhuǎn)發(fā)器，在播發(fā)增強信息的廣域增強系統(tǒng)稱為星基增強系統(tǒng)SBAS，SBAS的目標是滿足民航從航路飛行階段到垂向引導精密進近階段的導航需求。從星基增強系統(tǒng)認證及應用情況來說，目前美國WAAS、歐洲EGNOS、日本MSAS、印度GAGAN系統(tǒng)已取得一定規(guī)模的民航應用，而俄羅斯SDCM及韓國的KASS也在部署之中，未來多個SBAS將在亞太地區(qū)形成高密度覆蓋趨勢，競爭十分激烈。