衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)（十三）

+ 劉天雄

3.4.2.2 工作原理

EGNOS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高度冗余，EGNOS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足SBAS的標(biāo)準(zhǔn)要求，開展以下四方面的工作，一是接收GPS、GLONASS、及EGNOS-GEO衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)和電文數(shù)據(jù)；二是估計(jì)服務(wù)區(qū)的系統(tǒng)完好性數(shù)據(jù)和廣域差分（Wide Area Differential，WAD）改正數(shù)；三是通過(guò)GEO衛(wèi)星廣播類似GPS衛(wèi)星的增強(qiáng)信號(hào)，電文包含軌道和時(shí)鐘改正數(shù)、電離層延遲改正數(shù)及系統(tǒng)完好性數(shù)據(jù)，信號(hào)同時(shí)具有測(cè)距功能；四是驗(yàn)證上述完好性數(shù)據(jù)和改正數(shù)的正確性。

EGNOS系統(tǒng)工作原理和美國(guó)WAAS基本一致，EGNOS系統(tǒng)地面測(cè)距和完好性監(jiān)測(cè)站RIMS接收GPS、GLONASS導(dǎo)航信號(hào)以及EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星的增強(qiáng)信號(hào)，將原始數(shù)據(jù)送到4個(gè)任務(wù)控制中心MCC，每個(gè)任務(wù)控制中心MCC的中心處理設(shè)備CPF開展導(dǎo)航信號(hào)改正數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，包括衛(wèi)星星歷、星載原子鐘鐘差、電離層延遲改正數(shù)以及系統(tǒng)完好性信息，然后地面導(dǎo)航增強(qiáng)信息注入站NLES將EGNOS增強(qiáng)電文上行注入給GEO衛(wèi)星，最后由GEO衛(wèi)星將EGNOS增強(qiáng)信號(hào)透明轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，EGNOS系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖41所示。

EGNOS系統(tǒng)用3顆GEO衛(wèi)星覆蓋整個(gè)歐洲服務(wù)區(qū)，作為透明轉(zhuǎn)發(fā)器播發(fā)地面導(dǎo)航增強(qiáng)信息注入站NLES上注的增強(qiáng)信號(hào)。在一顆GEO衛(wèi)星鏈路出現(xiàn)失效時(shí)，EGNOS系統(tǒng)空間段還有兩顆GEO衛(wèi)星能夠正常工作，這種配置可以在整個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)具有較高程度的冗余度。EGNOS系統(tǒng)的運(yùn)行控制理念是確保在服務(wù)區(qū)內(nèi)任何位置都有兩顆GEO衛(wèi)星正常播發(fā)系統(tǒng)的增強(qiáng)信號(hào)。理論上，用戶只要接收到一顆GEO衛(wèi)星播發(fā)的系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)，就能獲得EGNOS位置解（需要同時(shí)接收GPS或者GLONASS導(dǎo)航信號(hào)），在剩下的兩顆衛(wèi)星中有一顆意外服務(wù)中斷情況下，系統(tǒng)通過(guò)切換鏈路就可以確保系統(tǒng)的可靠性。

作為GPS系統(tǒng)在歐洲的星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS，EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星在GPS系統(tǒng)的L1頻點(diǎn)（1575.42 MHz）播發(fā)增強(qiáng)信號(hào)，信號(hào)也是采用右旋圓極化（right-hand circular polarization，RHCP）方案。EGNOS系統(tǒng)播發(fā)每秒含有250bits信息的增強(qiáng)電文，原始導(dǎo)航增強(qiáng)電文采用與前向誤差修正碼（Forward Error Correcting，F(xiàn)EC）的1/2卷積編碼方案，增強(qiáng)電文數(shù)據(jù)流的信息速率是500symbol/second。增強(qiáng)電文再與1023-bit偽隨機(jī)測(cè)距碼模二和處理生成擴(kuò)頻信號(hào)，然后利用二相移位鍵控技術(shù)（biphase shift-keyed，BPSK）將擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制到L1載波信號(hào)上，信號(hào)碼速率1.023Megachips/second。EGNOS增強(qiáng)信號(hào)結(jié)構(gòu)符合ICAO SARPs制定的SBAS星基增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)http://www.navipedia.net/index.php/EGNOS_Messages。

圖41 EGNOS系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

對(duì)于地面5°以上仰角的用戶，EGNOS系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)的落地電平-161dBW～-153 dBW，在EGNOS系統(tǒng)開放式服務(wù)OS和生命安全服務(wù)SOL的接口控制文件中詳細(xì)定義了EGNOS系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)結(jié)構(gòu)，詳見(jiàn)MOPS DO 229相關(guān)規(guī)定，包括載波頻率、調(diào)制方式、電文結(jié)構(gòu)、電文協(xié)議和內(nèi)容，增強(qiáng)信號(hào)的主要特征如下：

·載噪比（Carrier Phase Noise）: 10Hz單邊噪聲帶寬時(shí)，單載波信號(hào)的相位噪聲譜密度要使接收機(jī)鎖相環(huán)路能夠跟蹤到載波信號(hào)的精度是0.1弧度（rms）；

·信號(hào)頻譜（Signal Spectrum）: 利用GPS系統(tǒng)的L1頻點(diǎn)播發(fā)EGNOS系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)，中心頻點(diǎn)1575.42MHz，信號(hào)帶寬2.2MHz，在中心頻點(diǎn)+/- 12MHz帶寬內(nèi)，信號(hào)功率不小于95%；

·多普勒頻移（Doppler Shift）: 在最壞情況下，穩(wěn)態(tài)用戶的多普勒頻移小于40m/s， 在L1頻點(diǎn)的多普勒頻移近似為210Hz ；

·載波頻率穩(wěn)定性（Carrier Frequency Stability）: 排除電離層延遲和多普勒頻移后，在用戶接收機(jī)天線的輸入端處的載波頻率短期穩(wěn)定性（Allan方差的平方根值）優(yōu)于5x10-11/1s～10s；

·極化方式（Polarization）: 右旋圓極化，軸比小于2 dB；

·相關(guān)損失（Correlation Loss）: 由于信號(hào)調(diào)制過(guò)程中的不理想或者轉(zhuǎn)發(fā)器濾波損失引起的相關(guān)損失小于1 dB；

EGNOS系統(tǒng)Inmarsat-III通信衛(wèi)星 (AOR-E和IOR-W)和ESA Artemis通信衛(wèi)星星載導(dǎo)航增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)器載荷的關(guān)鍵參數(shù)如表17所示，

地面段計(jì)算GPS和GLONASS衛(wèi)星精密的軌道、時(shí)鐘、電離層延遲差分改正數(shù)以及完好性誤差邊界，空間段3顆GEO衛(wèi)星作為冗余的增強(qiáng)信號(hào)播發(fā)通道，將地面段計(jì)算的增強(qiáng)信息透明轉(zhuǎn)發(fā)給地面段用戶。用戶利用EGNOS接收機(jī)計(jì)算當(dāng)前的位置并獲取完好性信息。地面段同時(shí)還要完成系統(tǒng)性能分析、運(yùn)行維護(hù)等任務(wù)。EGNOS系統(tǒng)依靠高精度的GPS接收機(jī)提供的系統(tǒng)1 PPS（one Pulse Per Second）同步秒脈沖實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間同步任務(wù)，即EGNOS系統(tǒng)時(shí)間與GPST保持時(shí)間同步。

地面段對(duì)GPS、GLONASS、及EGNOSGEO信號(hào)的監(jiān)控（Monitoring and Control，M&C）工作由任務(wù)主控中心MCC的中心處理設(shè)備CPF實(shí)施，MCC由工作人員值守，并不是一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，如果主控中心MCC工作異常，那么另一個(gè)熱備的主控中心MCC將立刻接管EGNOS系統(tǒng)信號(hào)監(jiān)控的任務(wù)，另外2個(gè)主控中心MCC處于冷備狀態(tài)，當(dāng)主份和熱備主控中心MCC都出現(xiàn)問(wèn)題后，2個(gè)冷備狀態(tài)的主控中心MCC則立即被激活。EGNOS系統(tǒng)是一個(gè)廣域分布的、冗余的系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流也具有不同程度的備份措施。

EGNOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分為信號(hào)處理環(huán)路（Processing cycle）和信號(hào)檢測(cè)環(huán)路（Check cycle），如圖42所示，信號(hào)處理環(huán)路通過(guò)地面測(cè)距和完好性監(jiān)測(cè)站RIMS的A通道接收GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)給出偽碼和載波偽距觀測(cè)量以及系統(tǒng)完好性信息，并生成增強(qiáng)信號(hào)，圖中紅線表示系統(tǒng)信號(hào)處理環(huán)路的實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流；信號(hào)檢測(cè)環(huán)路通過(guò)地面測(cè)距和完好性監(jiān)測(cè)站RIMS的B、C通道接收GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號(hào)，將原始數(shù)據(jù)送到系統(tǒng)任務(wù)主控中心MCC的中心控制設(shè)備（Central Control Facility，CCF），獨(dú)立開展偽碼和載波偽距觀測(cè)量以及系統(tǒng)完好性信息的驗(yàn)證和存檔工作，圖中綠線表示信號(hào)檢測(cè)環(huán)路數(shù)據(jù)流；兩個(gè)環(huán)路數(shù)據(jù)流閉環(huán)處理時(shí)間不超過(guò)6s，以滿足EGNOS系統(tǒng)完好性對(duì)告警時(shí)間的要求。

表17 星載導(dǎo)航增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)器載荷的關(guān)鍵參數(shù)

EGNOS系統(tǒng)信號(hào)處理環(huán)路完備地給出了GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號(hào)的差分改正數(shù)和系統(tǒng)的完好性信息，信號(hào)處理環(huán)路首先通過(guò)地面測(cè)距和完好性監(jiān)測(cè)站RIMS的A通道接收GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號(hào)，給出偽碼和載波偽距觀測(cè)量和與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTCop的偏差。巴黎地面測(cè)距和完好性監(jiān)測(cè)站RIMS的監(jiān)測(cè)接收機(jī)時(shí)鐘與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTCop保持同步，用于計(jì)算任務(wù)主控中心MCC中心處理設(shè)備CPF的EGNOS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間（EGNOS Network Time，ENT）與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的偏差，ENT與UTC的時(shí)間偏差信息則通過(guò)增強(qiáng)電文MT12播發(fā)給用戶，用戶可以據(jù)此溯源UTC時(shí)間。

然后這些數(shù)據(jù)被送到任務(wù)主控中心MCC的中心處理設(shè)備CPF，生成差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性信息，具體處理流程分為四步，一是數(shù)據(jù)預(yù)處理和有效性驗(yàn)證，包括剔除電離層和對(duì)流層延遲等系統(tǒng)誤差量，監(jiān)測(cè)并剔除載波相位周跳觀測(cè)量，數(shù)據(jù)平滑處理以減少隨機(jī)噪聲，濾除殘余多徑干擾信號(hào)分量；二是計(jì)算EGNOS增強(qiáng)數(shù)據(jù)，包括GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星星歷和時(shí)鐘差分改正數(shù)、各網(wǎng)點(diǎn)電離層延遲改正數(shù)、用戶差分測(cè)距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE殘余誤差估計(jì)及其差分改正數(shù)據(jù)；三是系統(tǒng)內(nèi)部增強(qiáng)數(shù)據(jù)檢查和質(zhì)量估計(jì)，包括衛(wèi)星完好性評(píng)估、應(yīng)用差分改正后用戶差分測(cè)距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE殘余誤差估計(jì)的一致性、中心處理設(shè)備CPF以服務(wù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)形式反映結(jié)果的一致性，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)，地面導(dǎo)航增強(qiáng)信息注入站NLES可以選擇主用中心處理設(shè)備CPF的數(shù)據(jù)；四是根據(jù)ICAO SBAS標(biāo)準(zhǔn)生成格式化的增強(qiáng)電文，并確定增強(qiáng)電文的最優(yōu)播發(fā)順序。EGNOS系統(tǒng)信號(hào)處理環(huán)路實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流如圖43所示，

任務(wù)主控中心MCC的中心處理設(shè)備CPF的核心是一套復(fù)雜的系統(tǒng)完好性算法及其軟件，決定了EGNOS系統(tǒng)的性能，其中對(duì)于用戶差分測(cè)距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE的計(jì)算是至關(guān)重要的，它們的誤差邊界確定了系統(tǒng)完好性，算法同時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的連續(xù)性和可用性指標(biāo)評(píng)估結(jié)果。CPF將生成并核對(duì)后的EGNOS電文通過(guò)系統(tǒng)廣域通信網(wǎng)絡(luò)EWAN送到地面導(dǎo)航增強(qiáng)信息注入站NLES，將EGNOS電文上行注入給系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星，由衛(wèi)星播發(fā)給用戶。

圖42 EGNOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

圖43 EGNOS系統(tǒng)信號(hào)處理環(huán)路的實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流

EGNOS系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)環(huán)路完備地通過(guò)地面測(cè)距和完好性監(jiān)測(cè)站RIMS的B、C通道接收GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號(hào)，在任務(wù)主控中心MCC的中心處理設(shè)備CPF生成EGNOS電文之前以及GEO衛(wèi)星將其播發(fā)給用戶之后，任務(wù)主控中心MCC的中心控制設(shè)備CCF獨(dú)立開展系統(tǒng)完好性的驗(yàn)證工作，CCF同時(shí)開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，以驗(yàn)證差分改正數(shù)及其相應(yīng)殘余誤差的可靠性。

對(duì)于用戶等效測(cè)距誤差（User Equivalent Range Error，UERE）和用戶差分測(cè)距誤差（User Differential Range Error，UDRE）來(lái)說(shuō)，由多個(gè)地面測(cè)距和完好性監(jiān)測(cè)站RIMS同時(shí)觀測(cè)一顆衛(wèi)星，然后開展偽距觀測(cè)誤差數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析工作，獲得用戶等效測(cè)距誤差UERE及其殘余誤差——用戶差分測(cè)距誤差UDRE。中心處理設(shè)備CPF計(jì)算的差分改正數(shù)及其殘余誤差與中心控制設(shè)備CCF獨(dú)立計(jì)算的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)兩者計(jì)算結(jié)果偏離較大時(shí)，系統(tǒng)給出完好性告警標(biāo)識(shí)“not monitored”。對(duì)于格網(wǎng)電離層垂直誤差（Grid Ionospheric Vertical Delay，GIVD）和格網(wǎng)電離層垂直誤差（Grid Ionospheric Vertical Error，GIVE），中心處理設(shè)備CPF計(jì)算的差分改正數(shù)及其殘余誤差同樣也要和中心控制設(shè)備CCF獨(dú)立計(jì)算的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)兩者計(jì)算結(jié)果偏離較大時(shí)，系統(tǒng)也給出完好性告警標(biāo)識(shí)“not monitored”。

對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)和電離層格網(wǎng)點(diǎn)延遲對(duì)應(yīng)的用戶差分測(cè)距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，EGNOS系統(tǒng)完好性有“可用”和“不可用”兩種級(jí)別的標(biāo)示，UDRE和GIVE表征系統(tǒng)采用WAD廣域差分修正后，衛(wèi)星信號(hào)和電離層格網(wǎng)點(diǎn)延遲殘余誤差的統(tǒng)計(jì)估計(jì)值。在用戶位置計(jì)算結(jié)果完好性評(píng)估中，UDRE和GIVE用于計(jì)算誤差邊界?？熳兒吐僕AD廣域差分修正關(guān)系建立了不同誤差源的時(shí)間差分改正模型，快變WAD廣域差分修正模型表征了衛(wèi)星星歷和星載時(shí)鐘誤差等快速誤差變化量的改正關(guān)系，慢變WAD廣域差分修正模型表征了衛(wèi)星星歷和星載時(shí)鐘漂移等長(zhǎng)期誤差變化量的改正關(guān)系，電離層延遲改正量在預(yù)先定義的各網(wǎng)點(diǎn)上給出改正數(shù)據(jù)。

EGNOS系統(tǒng)接收機(jī)研制商采用標(biāo)準(zhǔn)、開放的數(shù)據(jù)格式，主要包括NMEA, RTCM, NTRIP,SiSNET和RINEX。EGNOS系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)的載波頻率與GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)（1575.42MHz）一致，采用GPS系統(tǒng)的測(cè)距碼，但是增強(qiáng)電文的數(shù)據(jù)格式不同，目前定義了16個(gè)不同的電文類型以廣播系統(tǒng)完好性數(shù)據(jù)和廣域差分改正數(shù)，電文每6s更新一次。對(duì)于生命安全（Safetyof-Life，SoL）服務(wù)，EGNOS系統(tǒng)接收機(jī)需要滿足當(dāng)前民用航空星基增強(qiáng)SBAS等已經(jīng)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，例如，機(jī)載設(shè)備需要完全滿足RTCA SBAS MOPS DO-229標(biāo)準(zhǔn)，接收機(jī)天線設(shè)計(jì)需要完全滿足RTCA SBAS MOPS 228和301標(biāo)準(zhǔn)，星基增強(qiáng)SBAS設(shè)備需要完全滿足RTCA TSO(C190, C145b, C146b)標(biāo)準(zhǔn)，此外，還應(yīng)滿足飛行管理系統(tǒng)（Flight Management Systems，F(xiàn)MS）等其他航空綜合電子設(shè)備要求。目前研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航星基增強(qiáng)SBAS設(shè)備的主要公司有GARMIN、Honeywell、Rockwell Collins及General Avionics。SATNET