衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（十五）

+ 劉天雄

3.4.3 日本多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)（MSAS）

多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)（Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS）是GPS在日本的星基增強系統(tǒng)，目的是提高GPS的精度、完好性和可用性。利用日本多功能交通衛(wèi)星（Multifunctional Transport Satellites，MTSAT）播發(fā)GPS的差分改正數(shù)和完好性信息。MSAS由日本民航局(Japanese Civil Aviation Bureau)負責(zé)建設(shè)，1996年，日本啟動MSAS建設(shè)，合同承包商是阿爾卡特（Alcatel）、東芝（Toshiba）和三菱（Mitsubishi）公司，2007年9月27日，MSAS宣布開始運行，為民航飛機航路和非精密進近提供水平引導(dǎo)服務(wù)，此外，MSAS還為日本飛行區(qū)的飛機提供全程氣象和天氣數(shù)據(jù)信息服務(wù)。

MSAS由地面段、空間段、用戶段三部分組成，系統(tǒng)組成如圖51所示，地面參考站網(wǎng)絡(luò)接收并處理GPS信號，生成SBAS電文并上注給GEO衛(wèi)星，再由衛(wèi)星將SBAS增強信號透明轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，用戶根據(jù)SBAS電文修正位置解算結(jié)果，同時獲取系統(tǒng)完好性告警信息。地面段由4個分別位于日本Sapporo、Tokyo、Fukuoka、Naha的地面監(jiān)測站（Ground Monitor Station，GMS）、2個分別位于Kobe和Hitachiota的主控站（Master Control Station，MCS），以及2個分別位于夏威夷和澳大利亞的監(jiān)測及測距站（Monitor and Ranging Station，MRS）組成。

MSAS地面段地面監(jiān)測站GMS負責(zé)監(jiān)測GPS和MTSAT衛(wèi)星播發(fā)的信號，主控站MCS根據(jù)地面監(jiān)測站GMS監(jiān)測的信號，進一步計算GPS信號的差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性等級，將增強電文上注給衛(wèi)星，監(jiān)測及測距站MRS的主要任務(wù)有兩方面，一是監(jiān)測GPS和MTSAT衛(wèi)星播發(fā)的信號，二是修正MSAS的GEO衛(wèi)星軌道參數(shù)，精密確定衛(wèi)星的星歷。

圖51 日本MSAS多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)組成

MSAS空間段由兩顆位于地球同步靜止軌道（GEO）的MTSAT多功能交通衛(wèi)星組成，配置的導(dǎo)航載荷模塊透明轉(zhuǎn)發(fā)主控站MCS生成的差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性增強電文。2005年2月26日，由美國Loral空間系統(tǒng)公司研制的MTSAT-1R衛(wèi)星發(fā)射入軌，也稱為Himawari 6衛(wèi)星，衛(wèi)星定點于140°E，GPS分配的測距碼編號是PRN129，美國電氣制造商協(xié)會（National Electrical Manufactureers Association，NEMA）編號NEMA42。2006年2月18日，由日本Mitsubishi公司研制的MTSAT-2衛(wèi)星發(fā)射入軌，也稱為Himawari 7衛(wèi)星，衛(wèi)星定點于145°E，GPS分配的測距碼編號是PRN137，美國電氣制造商協(xié)會編號NEMA50。兩顆衛(wèi)星設(shè)計壽命均是5年，Kobe和Hitachiota的主控站（MCS）分別控制這兩顆衛(wèi)星的運行狀態(tài)，衛(wèi)星利用GPS L1頻點廣播MSAS增強信號，同時播發(fā)Ku波段高速的通信信息和氣象數(shù)據(jù)。

MSAS用戶段是能夠接收GPS信號和MSAS增強信號的SBAS接收機，利用GPS信號確定用戶的位置和時間信息，利用MSAS增強信號獲得GPS信號的差分改正數(shù)據(jù)以進一步提高定位精度，同時獲得GPS的完好性告警信息。機載設(shè)備需要完全滿足航空無線電技術(shù)委員會RTCA定義的最小操控性能標(biāo)準(zhǔn)MOPS要求，需要滿足RTCA SBAS MOPS DO-229標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

MSAS通過GEO播發(fā)GPS系統(tǒng)測距信號和導(dǎo)航增強信息，覆蓋范圍為日本所有飛行服務(wù)區(qū)，MSAS服務(wù)范圍如圖52所示，系統(tǒng)能夠滿足國際民航組織（ICAO）對非精密進近階段（NPA）和I類垂直引導(dǎo)進近（APV-I）階段的服務(wù)要求。

MSAS增強信號結(jié)構(gòu)符合ICAO SARPs制定的SBAS星基增強標(biāo)準(zhǔn)，包括載波頻率、帶寬、數(shù)據(jù)速率、信號輕度等內(nèi)容，其中中心頻點（Frequency）：L1 = 1575.42MHz；信號帶寬（Bandwidth）: L1 ±2.2 MHz band；數(shù)據(jù)速率（Data Rate）：原始導(dǎo)航增強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，增強電文的信速速率250 bits，符號率息500 symbols per Second；信號強度：對于地面5°以上仰角的用戶，系統(tǒng)增強信號的落地電平>-161 dBW。詳見ICAO Standards and Recommended Practices, Annex 10,Volume 1 Radio Navigation Aids, July 2006。

2007年9月27日，MSAS正式為民航用戶提供服務(wù)，有4個特點，一是向民航飛機航路（En-route）到非精密進近（Non Precision Approach，NPA）提供水平引導(dǎo)服務(wù)，二是向亞洲和太平洋地區(qū)用戶提供7×24小時的全天候?qū)Ш椒?wù)，三是服務(wù)區(qū)覆蓋日本Fukuoka飛行信息區(qū)（Flight Information Region），四是通過NOTAM（notice to airmen）航空通信代碼將MSAS增強信息播發(fā)給民航用戶。MSAS啟用后有效地提高了日本航空運輸?shù)陌踩c效率，MSAS飛行程序?qū)嵤┎季秩鐖D53所示，

MSAS通過兩顆GEO衛(wèi)星播發(fā)GPS測距信號和導(dǎo)航增強信息，覆蓋范圍為日本所有飛行服務(wù)區(qū)，系統(tǒng)性能也是由定位精度、系統(tǒng)完好性、可用性和連續(xù)性來表征，MSAS系統(tǒng)為航空用戶提供飛機航路到非精密進近NPA提供水平引導(dǎo)服務(wù)指標(biāo)的實現(xiàn)情況如表20所示，

MSAS計劃升級完好性監(jiān)測算法，引入GMS通信網(wǎng)絡(luò)信息，滿足國際民航組織ICAO規(guī)定的帶垂直引導(dǎo)的水平進近LPV-200要求，此外，計劃進一步擴展L1頻點的帶寬，播發(fā)L5頻點的增強信號，以支持不同SBAS和多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)之間的雙頻多系統(tǒng)兼容互操作業(yè)務(wù)。

圖52 MSAS覆蓋和服務(wù)區(qū)

圖53 MSAS飛行程序?qū)嵤┎季?/p>

表20 MSAS為航空用戶提供導(dǎo)航非精密進近指標(biāo)的實現(xiàn)情況

3.4.4 印度GPS輔助地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)（GAGAN）

GPS輔助地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)（GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN）是印度政府建設(shè)的GPS星基增強系統(tǒng)，2001年8月，印度機場管理局（Airports Authority of India，AAI）和印度空間研究組織（Indian Space Research Organization，ISRO）達成協(xié)議共同建設(shè)GAGAN系統(tǒng)，GAGAN建設(shè)分為技術(shù)演示驗證（Technology Demonstration System，TDS）、初始試驗階段（Initial Experimental Phase，IEP）和最終運行階段（Final Operational Phase，F(xiàn)OP）三個階段。

2007年8月，印度空間研究組織（ISRO）利用INMARSAT 4F1通信衛(wèi)星的導(dǎo)航載荷模塊完成了GAGAN系統(tǒng)技術(shù)演示驗證試驗，2009年成了GAGAN系統(tǒng)初始試驗階段的工作，2009年，美國Raytheon公司獲得ISRO合同，負責(zé)建設(shè)GAGAN系統(tǒng)的地面段部分設(shè)施。2011年5月和2012年9月，印度利用歐洲Ariane-V運載火箭在法屬Guiana Kourou發(fā)射場分別成功發(fā)射了兩顆搭載GAGAN系統(tǒng)SBAS載荷的GSAT-8衛(wèi)星和GSAT-10衛(wèi)星，2013年6月，GAGAN系統(tǒng)完成了GPS導(dǎo)航增強業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性測試，印度民航總局（Director General of Civil Aviation，DGCA）組織專家對穩(wěn)定性測試結(jié)果開展了評估工作。

GAGAN系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成，系統(tǒng)組成如圖54所示，空間段由3顆位于印度洋上空的GEO衛(wèi)星構(gòu)成，能夠播發(fā)L1和L5兩個頻點的增強信號；地面段由15個參考基準(zhǔn)站（Indian Reference Station，INRES）、2個主控站（Indian Master Control Centre，INMCC）、3個地面上行鏈路站（Indian Land Uplink Station，INLUS）以及2個運行開展中心（operational Control Centre，OCC）。

GAGAN系統(tǒng)參考基準(zhǔn)站INRES負責(zé)接收和處理GPS信號并將偽距觀測結(jié)果送到主控站INMCC，主控站INMCC負責(zé)計算差分改正數(shù)并評估GPS系統(tǒng)的完好性等級，同時生成GAGAN系統(tǒng)增強電文，再由地面上行鏈路站INLUS將GAGAN增強電文上行注入給空間段GEO衛(wèi)星。用戶段由GAGAN接收機組成，與WAAS系統(tǒng)接收機類似，可以同時接收GPS信號和GAGAN增強信號，機載用戶設(shè)備可以滿足民用航空SBAS標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖54 印度GPS和地球靜止軌道衛(wèi)星增強導(dǎo)航系統(tǒng)組成

圖55 GAGAN系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域

兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星分別是GSAT-8（PRN-127）和GSAT-10（PRN-128），衛(wèi)星上行鏈路采用C波段接收導(dǎo)航電文，衛(wèi)星下行鏈路采用L波段播發(fā)增強信號，頻點與GPS的L1（1575.42MHz）和L5（1176.45 MHz）完全相同，信號包括測距信號和導(dǎo)航增強信息，GAGAN系統(tǒng)增強電文數(shù)據(jù)格式符合國際民航組織ICAO SARPS附件B相關(guān)規(guī)定，機載增強接收設(shè)備符合RTCA MOPS DO-229D相關(guān)規(guī)定，詳見The EGNOS SBAS Message Format Explained相關(guān)說明。

GAGAN系統(tǒng)的運行性能目標(biāo)是在印度飛行信息區(qū)（Flight Information Region，F(xiàn)IR）滿足航路導(dǎo)航性能RNP 0.1要求，在印度本土陸地飛行信息區(qū)滿足二類垂直引導(dǎo)進近APV-II導(dǎo)航性能要求。2013年12月30日，印度民航總局DGCA評估確認GAGAN系統(tǒng)的性能滿足航路導(dǎo)航性能RNP 0.1要求，這意味著裝備GAGAN系統(tǒng)機載增強接收設(shè)備的飛機，在印度領(lǐng)空可以依靠GAGAN系統(tǒng)實現(xiàn)航路導(dǎo)航和沒有垂直引導(dǎo)的非精密進近操作。GAGAN系統(tǒng)可靠的填補了歐洲EGNOS和日本MSAS星基增強服務(wù)區(qū)之間的間隙。GAGAN系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域如圖55所示，

GAGAN于2015年4月21日正式提供APV-I服務(wù)，在印度民航局AAI的在其民用航空草案中明確規(guī)定2017年4月1日以后在印度民航局AAI注冊的飛機必須安裝GAGAN設(shè)備。GAGAN系統(tǒng)提供APV-1和LPV200民航飛機進近服務(wù)區(qū)域及系統(tǒng)可用性水平如圖56所示，

表21 3顆GEO軌道Luch通信衛(wèi)星信息

3.4.5 俄羅斯差分校正與監(jiān)視系統(tǒng)（SDCM）

俄羅斯聯(lián)邦空間局研制了差分校正和監(jiān)視系統(tǒng)（System for Differential Corrections and Monitoring，SDCM），系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖57所示，空間段包括3顆GEO衛(wèi)星；地面段主要由參考站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心、上行注入站和地面廣播網(wǎng)絡(luò)組成，其中參考站網(wǎng)絡(luò)由分布于俄羅斯境內(nèi)的19個地面監(jiān)測站和5個境外參考站組成，數(shù)據(jù)處理中心及其備份設(shè)施位于莫斯科，SDCM系統(tǒng)除了依靠3顆GEO衛(wèi)星播發(fā)增強電文外，還通過互聯(lián)網(wǎng)（SISNeT服務(wù)器）、GSM蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)（NTRIP服務(wù)器）向用戶實時提供GLONASS、GPS的差分改正數(shù)以及系統(tǒng)的完好性信息。

SDCM是俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星基增強系統(tǒng)，SDCM系統(tǒng)工作原理與WAAS類似，能夠監(jiān)測GLONASS和GPS導(dǎo)航信號，對導(dǎo)航信號進行1Hz的觀測采樣，由數(shù)據(jù)處理中心計算GLONASS和GPS系統(tǒng)的差分改正數(shù)和系統(tǒng)的完好性信息.

SDCM系統(tǒng)利用Luch多功能空間中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的3顆GEO地球靜止軌道通信衛(wèi)星搭載差分校正和監(jiān)視系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器載荷，播發(fā)差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性信息，實現(xiàn)對俄羅斯服務(wù)區(qū)的覆蓋Loutch衛(wèi)星由位于克拉斯諾亞爾斯克的列舍特涅夫研究與產(chǎn)品中心研制，3顆GEO軌道Luch通信衛(wèi)星的信息如表21所示，

S D C M系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)主要是監(jiān)測GLONASS和GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性、提供GLONASS系統(tǒng)的差分改正數(shù)、評估GLONASS系統(tǒng)的性能。實測表明，SDCM系統(tǒng)的可以大幅度提高GLONASS系統(tǒng)的定位精度，水平定位精度可達1～1.5米，垂直定位精度可達2～3米，參考站附近（200千米范圍內(nèi)）的實時定位精度可以達到厘米級。詳見http://sdcm.rniikp.ru相關(guān)說明。（全篇完）SATNET