衛(wèi)星導航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（十二）

+ 劉天雄

3.4.2 歐洲靜止軌道衛(wèi)星導航重疊服務

3.4.2.1 系統(tǒng)組成

歐洲地球靜止軌道衛(wèi)星導航重疊服務（European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS）是GPS在歐洲的星基增強系統(tǒng)（SBAS），目的是在歐洲民用航空委員會（European Civil Aviation Conference，ECAC）服務區(qū)域從定位精度和完好性兩個方面改善GPS的導航性能，其中完好性需要滿足導航服務的可用性和連續(xù)性指標要求。EGNOS系統(tǒng)通過GEO衛(wèi)星廣播GPS衛(wèi)星軌道和時鐘改正數(shù)、電離層延遲改正數(shù)、完好性信息，給出具有較高置信度的位置誤差邊界，達到增強GPS服務的目標。2002年，歐盟和歐空局（ESA）啟動EGNOS系統(tǒng)論證，2005年建設地面運行控制系統(tǒng)并同步部署衛(wèi)星，2008年1月份系統(tǒng)空間段衛(wèi)星播發(fā)導航增強信號，2010年EGNOS全面運營。

圖37 EGNOS系統(tǒng)組成

EGNOS系統(tǒng)由地面段、空間段、用戶段三部分組成，如圖37所示，地面段由4個任務控制中心（Mission Control Center，MCC）、41個地面測距和完好性監(jiān)測站（Ranging and Integrity Monitoring Station，RIMS）、6個地面導航增強信息注入站(Navigation Land Earth Station，NLES)和一套EGNOS系統(tǒng)廣域通信網絡（Wide Area Network，EWAN）組成。MCC負責任務控制和數(shù)據(jù)處理工作，4個MCC中1個工作，1個熱備，2個冷備；41個RIMS分布在歐洲20余個國家，負責監(jiān)測GPS和GLONASS衛(wèi)星信號?？臻g段包括3顆GEO衛(wèi)星，衛(wèi)星播發(fā)中心頻點為1575.42MHz的EGNOS增強信號。此外，EGNOS系統(tǒng)配置了系統(tǒng)性能評估和檢查機構（Performance Assessment and Checkout Facility，PACF）以及應用檢定機構（Application Specific Qualification Facility，ASQF），作為系統(tǒng)正常運行的支撐機構。用戶段由兼容GPS和GLONASS系統(tǒng)的EGNOS接收機組成，主要服務民用航空用戶，也可以擴展到航海和鐵路等交通領域用戶。

EGNOS系統(tǒng)每個任務控制中心配置一套中心控制設備（Central Control Facility，CCF），用來控制EGNOS系統(tǒng)的運行，由工作人員值守，并不是一個自動化系統(tǒng)，以監(jiān)控EGNOS系統(tǒng)的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)服務的可用性。CCF的主要功能包括監(jiān)控EGNOS系統(tǒng)所有地面系統(tǒng)的運行狀態(tài)；監(jiān)控EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星的運行狀態(tài)，監(jiān)控并預測EGNOS系統(tǒng)的服務性能；將所有接收到的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)存檔；為EGNOS系統(tǒng)性能評估和檢查機構、應用檢定機構以及為空中交通管理（Air Traffic Control，ATC）提供數(shù)據(jù)接口。四套CCF中，一個當班工作，兩個作為熱備份，一個作為冷備份。EGNOS系統(tǒng)的設計方案可以確保當其中一個CCF工作異常時，系統(tǒng)能夠做到無縫切換以確保EGNOS系統(tǒng)服務的連續(xù)性。

MCC的核心設施是中心處理設備（Central Processing Facility，CPF），CPF負責接收并處理來自地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的原始數(shù)據(jù)，精確給出監(jiān)測站視野范圍內每顆GPS衛(wèi)星的鐘差、星歷差分改正數(shù)、電離層延遲改正數(shù)，差分改正數(shù)的精度與面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的配置有關，EGNOS系統(tǒng)播發(fā)的電離層延遲改正數(shù)僅保證歐洲大陸用戶的可用性，CPF組織架構如圖38所示，

此外， MCC中的CPF根據(jù)系統(tǒng)播發(fā)的差分改正數(shù)還能進一步評估用戶關心的改正數(shù)的殘余誤差，殘余誤差由用戶差分測距誤差（User Differential Range Error，UDRE）和格網電離層垂直誤差（Grid Ionospheric Vertical Error，GIVE）兩個參數(shù)來表征，其中用戶差分測距誤差是用戶采用系統(tǒng)播發(fā)的衛(wèi)星的星歷和星鐘差分改正數(shù)后，對殘余測距誤差的估計值；格網電離層垂直誤差是用戶采用系統(tǒng)播發(fā)的給定地理網格點的電離層延遲改正數(shù)后，對格網電離層垂直殘余誤差的估計。用戶差分測距誤差和格網電離層垂直誤差可以用于確定水平和垂直定位誤差總的誤差邊界?？偟恼`差邊界對于涉及生命安全的應用以及想知道位置解算結果的不確定性的用戶是十分有益的。MCC的CPF能夠檢測出GPS、GLONASS以及自身GEO信號存在的任何異?，F(xiàn)象，如果誤差超出系統(tǒng)設定的門限，則在6s內可以給用戶報出告警信息。

圖38 任務控制中心MCC中心處理設備CPF組織架構

圖39 EGNOS系統(tǒng)3顆GEO衛(wèi)星覆蓋范圍

EGNOS系統(tǒng)用3顆GEO衛(wèi)星覆蓋整個歐洲服務區(qū)，包括兩顆Inmarsat-III通信衛(wèi)星 (AOR-E和IOR-W)和一顆ESA Artemis通信衛(wèi)星，其中Inmarsat-III AOR-E衛(wèi)星定點在15.5°W，GPS系統(tǒng)分配的PRN號為120；Inmarsat-III IOR-W衛(wèi)星定點在65.5°E，GPS系統(tǒng)分配的PRN號為126；Artemis衛(wèi)星定點在21.3°W，GPS系統(tǒng)分配的PRN號為124；3顆GEO衛(wèi)星覆蓋范圍如圖39所示，

EGNOS系統(tǒng)地面段地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的最重要任務是監(jiān)測GPS、GLONASS以及EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星信號，將監(jiān)測到的原始數(shù)據(jù)以每秒一次的頻度送給4個任務控制中心MCC的CPF，為了改善EGNOS系統(tǒng)性能同時擴大系統(tǒng)服務區(qū)域，EGNOS系統(tǒng)在歐洲大陸設置了41個監(jiān)測站，監(jiān)測站分布如圖40所示，

EGNOS系統(tǒng)地面導航增強信息注入站（NLES）接收各個MCC的CPF生成的增強電文，根據(jù)CPF給出的服務質量（quality of service，QOS）和完好性標識（integrity flags），NLES可以在4個CPF生成的增強電文中選擇最優(yōu)的一組數(shù)據(jù)。6個NLES中，每2個注入站對應一顆GEO衛(wèi)星，將任務控制中心MCC的中心處理設備CPF生成的增強電文上行注入給GEO衛(wèi)星，對應關系如表14.18所示，

圖40 EGNOS系統(tǒng)監(jiān)測站分布

表14.18 地面注入站NLES與GEO衛(wèi)星的對應關系

指定同一顆GEO衛(wèi)星的兩個注入站完全可以互為備份，一主一備，由于注入站的內部設備原因或者系統(tǒng)完好性機制導致其中一個注入站不能正常工作時，MCC的CPF負責實施主備注入站的切換，EGNOS系統(tǒng)在設計上可以避免兩個注入站同時給一顆衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)。由于EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星在軌沒有配置星載原子鐘，不能向GPS衛(wèi)星那樣在軌生成精確的偽隨機測距碼，需要在NLES利用預先分配的GPS系統(tǒng)C/A碼族的偽隨機測距碼擴頻處理EGNOS系統(tǒng)增強電文，再利用與GPS L1 C/A信號時間完全同步的輔助信號生成EGNOS增強信號，最后利用變頻調制技術將EGNOS增強信號變頻到C頻段并上行注入給GEO衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星作為透明轉發(fā)器，將EGNOS系統(tǒng)C頻段增強信號下變頻到L頻段，仍利用GPS的L1頻點將增強信號播發(fā)給用戶。

除了MCC、RIMS、NLES、EWAN維持EGNOS系統(tǒng)正常運控外，EGNOS系統(tǒng)地面段還配置了一些輔助的支撐機構，開展系統(tǒng)維護和性能驗證等方面的工作。其中系統(tǒng)性能評估和檢查機構PACF對EGNOS系統(tǒng)運行提供支持，包括性能分析、運行維護、系統(tǒng)功能的升級和驗證等工作；應用檢定機構ASQF提供民用飛行和航空認證管理工作，對不同的EGNOS系統(tǒng)應用開展資格驗證和認證工作，這兩個機構由EGNOS系統(tǒng)服務中心（EGNOS Service Provider，ESP）負責運行和管理。另外，EGNOS系統(tǒng)建設前期設置了系統(tǒng)發(fā)展和驗證平臺（Development & Verification Platform，DVP），由于確認和驗證EGNOS系統(tǒng)設計階段的設計要求，由仿真平臺、實時測試平臺、總裝集成和部裝平臺三部分組成，目前EGNOS系統(tǒng)發(fā)展和驗證平臺DVP已合并到系統(tǒng)性能評估和檢查機構PACF。

EGNOS系統(tǒng)用戶段由EGNOS接收機組成，同時接收GPS信號和EGNOS增強信號后才能為用戶提供增強服務，EGNOS系統(tǒng)采用GPS系統(tǒng)L1頻點（1575.42MHz）播發(fā)增強信號，因此，EGNOS接收機可以采用一套RF模塊和接收天線，就能同時接收GPS和EGNOS信號，內置特殊的軟件可以分別解調EGNOS系統(tǒng)增強電文和GPS電文，根據(jù)電文中的快變和慢變WAD廣域差分修正數(shù)據(jù)，EGNOS接收機計算衛(wèi)星軌道、時鐘誤差和電離層延遲的改正數(shù)，EGNOS接收機內置軟件根據(jù)接收機的位置和當?shù)貢r間還能進一步減緩對流層延遲的影響，提高GPS系統(tǒng)PNT解算精度。

EGNOS系統(tǒng)提供三種服務模式，一是開放服務（Open Service，OS），2009年10月1日，EGNOS系統(tǒng)向歐洲公眾用戶免費提供OS等級的增強服務，連續(xù)監(jiān)測表明在99%時間內，EGNOS系統(tǒng)可以將GPS系統(tǒng)的定位精度提高到1～2米。二是生命安全服務（Safety of Life Service，SOL），2011年3月2日，歐洲衛(wèi)星服務提供商（European Satellite Services Provider，ESSP）宣布在歐洲委員會（European Commission，EC）的授權下，EGNOS系統(tǒng)向歐洲航空用戶提供最高等級的SOL增強服務，在6s內給出系統(tǒng)增強信號不可用完好性告警信息。三是商業(yè)數(shù)據(jù)發(fā)布服務（Commercial Data Distribution Service，CDDS），2010年4月，EGNOS系統(tǒng)向商業(yè)和專業(yè)用戶提供高精度的雙頻偽距和載波相位觀測信息、實時差分改正數(shù)以及系統(tǒng)完好性信息，用戶必須付費方可使用該服務。SATNET