+ 劉天雄

3.3 星基增強(qiáng)系統(tǒng)

目前，GPS和GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、完好性、連續(xù)性及可用性四個(gè)方面都不能滿足民用航空對(duì)導(dǎo)航服務(wù)的性能需求，特別是基本導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)完好性監(jiān)測(cè)能力完全不能滿足民用航空導(dǎo)航生命安全性要求。以GPS為例，從精度方面看，GPS單點(diǎn)定位精度只有15～25m，這種精度能滿足到非精密進(jìn)近階段的要求（220m），但不能滿足精密進(jìn)近要求。GPS本身具備一定程度的完好性監(jiān)測(cè)能力，但告警時(shí)間太長(zhǎng)，通常需要一個(gè)小時(shí)，也不能滿足民航6秒告警的要求。從連續(xù)性和可用性方面看，GPS雖然能保證所有地區(qū)能有4顆以上可視衛(wèi)星，但衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)仍然存在較差情況，如果加上完好性要求，其可用性會(huì)更差。因此，為了滿足民航對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)的安全性要求，必須要克服上述缺陷，而建立衛(wèi)星導(dǎo)航的增強(qiáng)系統(tǒng)無(wú)疑是解決這一問題的有效途徑之一，即通過給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)打“補(bǔ)丁”的方式來提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位性能。

星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）對(duì)民用航空用戶的安全性至關(guān)重要。SBAS一般通過幾顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）廣播增強(qiáng)信號(hào)，為用戶提供測(cè)距、差分修正和完好性信息，能夠支持廣域或者區(qū)域的導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。SBAS的主要目標(biāo)是為民用航空導(dǎo)航服務(wù)提供完好性保證，同時(shí)提高導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度。SBAS通過多個(gè)位置確定的地面參考站監(jiān)測(cè)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)電離層和對(duì)流層等空間天氣對(duì)導(dǎo)航信號(hào)傳播時(shí)延的影響，生成導(dǎo)航信號(hào)的差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性信息，再由衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

目前世界上具備服務(wù)能力的SBAS有美國(guó)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS（Wide Area Augmentation System），歐洲的地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航中繼服務(wù)系統(tǒng)EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），日本的基于準(zhǔn)天頂導(dǎo)航系統(tǒng)QZSS（Quasi-Zenith Satellite System）和多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)MSAS（Multi Satellite Augmentation System）基礎(chǔ)的多功能運(yùn)輸衛(wèi)星系統(tǒng)MTSAT（Multi-functional Transport Satellite），以及印度的GPS和GEO地球靜止軌道衛(wèi)星增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)GAGAN（GPS And Geo-Augmented Navigation）。這些SBAS基本都是對(duì)美國(guó)GPS系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)，播發(fā)L1、L5頻點(diǎn)增強(qiáng)信號(hào)，SBAS系統(tǒng)服務(wù)覆蓋區(qū)域如圖21所示。

美國(guó)WAAS、歐洲EGNOS、日本MSAS和印度GAGAN已經(jīng)通過當(dāng)?shù)孛窈綑C(jī)構(gòu)認(rèn)證，各SBAS的認(rèn)證及應(yīng)用情況如表9所示。為了實(shí)現(xiàn)SBAS服務(wù)的全球無(wú)縫鏈接，目前各個(gè)SBAS成員國(guó)通過SBAS IWG國(guó)際多邊協(xié)調(diào)平臺(tái)，共同商討制定雙頻多系統(tǒng)（DFMC）星基增強(qiáng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

表9 SBAS認(rèn)證及應(yīng)用情況

圖21 對(duì)美國(guó)GPS進(jìn)行增強(qiáng)的SBAS系統(tǒng)

圖22 SBAS組成

從表9星基增強(qiáng)系統(tǒng)認(rèn)證及應(yīng)用情況可以看出，美國(guó)WAAS系統(tǒng)、歐洲EGNOS系統(tǒng)、日本MSAS系統(tǒng)已被國(guó)際民航廣泛應(yīng)用。目前俄羅斯正在開展差分校正與監(jiān)視系統(tǒng)（System of Differential Correction and Monitoring，SDCM）建設(shè)，對(duì)GLONASS系統(tǒng)開展星基增強(qiáng)服務(wù)，日本MSAS、印度GAGAN及未來韓國(guó)的KASS等多個(gè)SBAS將在在亞太地區(qū)形成高密度覆蓋趨勢(shì)。3.3.1 工作原理

SBAS由空間段、地面控制段、運(yùn)行維護(hù)段和用戶段四部分組成，如圖22所示，空間段一般由地球靜止軌道衛(wèi)星組成，播發(fā)與衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)類似的增強(qiáng)信號(hào)；地面控制段由監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心、GEO衛(wèi)星控制中心、SBAS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)組成，生成導(dǎo)航增強(qiáng)信息，其中GEO衛(wèi)星控制中心根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算得到增強(qiáng)電文，SBAS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是建立SBAS地面段各個(gè)環(huán)節(jié)的通信鏈路；運(yùn)行維護(hù)段對(duì)SBAS系統(tǒng)的正常運(yùn)行和維護(hù)提供技術(shù)支持，負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置管控、系統(tǒng)性能評(píng)估、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)研發(fā)和系統(tǒng)救援等工作；用戶段包括能夠同時(shí)接收SBAS/GNSS信號(hào)的終端。

SBAS空間段的地球靜止軌道衛(wèi)星負(fù)責(zé)在系統(tǒng)服務(wù)區(qū)播發(fā)增強(qiáng)信號(hào)，衛(wèi)星一般是利用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通道配置SBAS導(dǎo)航增強(qiáng)載荷，用C頻段接收地面站上行注入的導(dǎo)航增強(qiáng)信息，利用L頻段將地面控制段生成的導(dǎo)航增強(qiáng)信息透明轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。為了消除電離層和對(duì)流層對(duì)增強(qiáng)信號(hào)延遲的影響，新一代SBAS導(dǎo)航增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)器除了配置L1/L5雙頻轉(zhuǎn)發(fā)器，還將配置C頻段下行鏈路，同時(shí)進(jìn)一步增加下行信號(hào)帶寬，并將當(dāng)前的透明轉(zhuǎn)發(fā)器改為星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器。

SBAS地面任務(wù)段的主要任務(wù)是生成導(dǎo)航增強(qiáng)電文數(shù)據(jù)，同時(shí)將導(dǎo)航增強(qiáng)電文數(shù)據(jù)上注給空間段的地球靜止軌道衛(wèi)星。地面任務(wù)段的監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)在精密測(cè)繪的地點(diǎn)配置多套高精度雙頻導(dǎo)航監(jiān)測(cè)接收機(jī)，要求監(jiān)測(cè)站的地理精度1～3cm(ITRF)；配置高精度、高穩(wěn)定度的地面原子鐘；能夠接收視界范圍內(nèi)所有的導(dǎo)航信號(hào)及自身地球靜止軌道衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，開展導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量評(píng)估，同時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)站所在區(qū)域電離層延遲的影響；導(dǎo)航信號(hào)數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz，完成數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查同時(shí)剔除誤異常數(shù)據(jù)，能夠在毫秒量級(jí)完成導(dǎo)航信號(hào)處理；為了避免單點(diǎn)失效問題，一般采用同一監(jiān)測(cè)站的多套接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)并行開展差分改正數(shù)和完好性信息計(jì)算。地面任務(wù)段的數(shù)據(jù)處理中心是星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS的核心單元，需要有精確的衛(wèi)星軌道確定模型（能夠區(qū)分軌道要素和鐘差），確定SBAS系統(tǒng)參考時(shí)間和星載時(shí)鐘偏差修正的精度要優(yōu)于2ns，開展實(shí)時(shí)電離層延遲估計(jì)過程中能夠識(shí)別局部的和快速變化的空間天氣影響，可以根據(jù)規(guī)定的性能要求在一定區(qū)域范圍內(nèi)估算系統(tǒng)完好性。根據(jù)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)接收的原始數(shù)據(jù)，估算導(dǎo)航信號(hào)差分改正數(shù)、電離層延遲改正數(shù)和方差項(xiàng)，計(jì)算系統(tǒng)完好性信息，根據(jù)ICAO SBAS標(biāo)準(zhǔn)，生成導(dǎo)航增強(qiáng)電文。地面控制段的SBAS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)利用具有高標(biāo)準(zhǔn)、高可靠、寬帶寬、高冗余、大數(shù)據(jù)交換能力的通信鏈路，配置滿足系統(tǒng)通信安全要求的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，建立SBAS地面任務(wù)段各個(gè)環(huán)節(jié)的雙向通信鏈路。

地面控制段的GEO衛(wèi)星控制中心的主要功能是將數(shù)據(jù)處理中心生成的導(dǎo)航增強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻處理，然后將擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制到載波信號(hào)中；實(shí)現(xiàn)生成的增強(qiáng)信號(hào)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS時(shí)間的同步；保證增強(qiáng)信號(hào)中載波與偽碼分量的時(shí)間同步（相干）；通過接收星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS下行增強(qiáng)信號(hào)，進(jìn)一步對(duì)上行注入信號(hào)開展閉環(huán)管理。

星基增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)段負(fù)責(zé)SBAS的運(yùn)行維護(hù)，對(duì)SBAS設(shè)計(jì)、研發(fā)、運(yùn)行與驗(yàn)證階段的工作提供技術(shù)支持，對(duì)系統(tǒng)服務(wù)性能和用戶容量進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)增強(qiáng)算法的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，在線核查系統(tǒng)精度、完好性、連續(xù)性和可用性是否滿足要求，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，收集整理系統(tǒng)故障和異常情況，預(yù)測(cè)系統(tǒng)期望的工作性能指標(biāo)并當(dāng)性能劣化時(shí)給出告警信息，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)和救援，開展系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證相關(guān)工作，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的增強(qiáng)數(shù)據(jù)以及外部接收衛(wèi)星星歷、星載誤差以及電離層延遲等的數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔。

用戶段不受SBAS系統(tǒng)服務(wù)提供商的控制，完全由SBAS系統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。SBAS系統(tǒng)服務(wù)提供商一般提供開放服務(wù)、生命安全服務(wù)以及商業(yè)服務(wù)三種類型的業(yè)務(wù)，可以滿足不同用戶群體的應(yīng)用需求。對(duì)于生命安全服務(wù)，SBAS機(jī)載終端需要滿足ICAO民用航空SBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，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)、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。

3.3.2 實(shí)現(xiàn)方案

SBAS由大量均勻分布的位置確定的監(jiān)測(cè)站或參考站網(wǎng)絡(luò)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，將偽距的載波相位等原始觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心。然后，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)空間信號(hào)中的各種誤差進(jìn)行分類和建模，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的差分改正數(shù)，包括衛(wèi)星軌道、星鐘誤差以及電離層延遲誤差，同時(shí)計(jì)算系統(tǒng)的完好性信息，將這些增強(qiáng)信息通過上行注入站上行注入給GEO衛(wèi)星，最后，由GEO衛(wèi)星將差分改正數(shù)和完好性信息以導(dǎo)航增強(qiáng)電文的形式播發(fā)給用戶，用戶接收機(jī)接收到改正數(shù)后即可對(duì)測(cè)距誤差進(jìn)行修正并根據(jù)其中的完好性信息決定系統(tǒng)當(dāng)前是否可用。同時(shí)，GEO衛(wèi)星本身也向用戶播發(fā)測(cè)距信號(hào)，在增加了測(cè)距信號(hào)源的同時(shí)改善了衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu)，以此提高系統(tǒng)的可用性和連續(xù)性。星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS信息流如圖23所示。

圖23 星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS信息流

圖24 SBAS將電離層分割成許多網(wǎng)格

為了適應(yīng)民用航空的導(dǎo)航需求，SBAS需要在精度、完好性、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性四個(gè)方面對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)。SBAS采用的是差分技術(shù)提高精度，采用完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)改善系統(tǒng)完好性。對(duì)連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的增強(qiáng)是通過附加測(cè)距信號(hào)的方式。以美國(guó)的WAAS系統(tǒng)為例，GEO衛(wèi)星在廣播廣域差分改正參數(shù)及完好性信息的同時(shí)，也播發(fā)L1的測(cè)距信號(hào)，使GEO衛(wèi)星也可以參與定位，從而改善了GPS系統(tǒng)的GDOP值，進(jìn)而可以有效地提高系統(tǒng)的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供航空導(dǎo)航服務(wù)，完好性保證能力是用戶最為關(guān)注的性能，因?yàn)轱w行安全對(duì)于用戶來說是最為關(guān)鍵的。結(jié)合廣域差分和完好性通道（IC）檢測(cè)技術(shù)，地面參考站可以同時(shí)得到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性和各類誤差改正數(shù)。SBAS的完好性檢測(cè)不僅要對(duì)GNSS狀況進(jìn)行檢測(cè)，還要對(duì)廣域差分改正數(shù)的完好性進(jìn)行檢測(cè)，作為測(cè)距源的同步衛(wèi)星的狀況及其誤差改正的完好性也需要被檢測(cè)。

SBAS系統(tǒng)主要提供測(cè)距、廣域差分校正、GNSS完好性監(jiān)測(cè)三類服務(wù)，三類信息均通過GEO衛(wèi)星廣播給用戶，使用戶改善導(dǎo)航的精度、完好性、連續(xù)性和可用性。SBAS系統(tǒng)的測(cè)距功能是通過GEO衛(wèi)星發(fā)射類GPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，所有處于GEO覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶均可以利用接收到的類GPS信號(hào)測(cè)距，使得定位的精度和可用性得到提高。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差源主要有星歷誤差、星鐘誤差、電離層與對(duì)流層誤差、多徑效應(yīng)及接收機(jī)誤差。其中對(duì)流層延遲是局部現(xiàn)象，可以通過用戶接收機(jī)中的補(bǔ)償模型來減弱。多路徑效應(yīng)和接收機(jī)熱噪聲誤差，SBAS則沒有辦法去消除。星歷誤差、電離層誤差延遲為空間去相關(guān)的，星鐘誤差則是時(shí)間去相關(guān)的。此外，用戶一般離監(jiān)測(cè)站較遠(yuǎn)，因此，SBAS發(fā)布矢量星歷誤差校正，同時(shí)還要將星歷誤差校正的變化率并播發(fā)給用戶。有了衛(wèi)星的精確星歷，就可以精確確定衛(wèi)星的時(shí)間與GPS系統(tǒng)時(shí)間之間的偏差，并將其發(fā)布給用戶。

在GPS的SA關(guān)閉之后，電離層延遲實(shí)際就成了導(dǎo)航信號(hào)測(cè)量的最大誤差源。電離層延遲隨著時(shí)間和地點(diǎn)而變化。因此，SBA采用電離層網(wǎng)格校正技術(shù)，將電離層分割成許多網(wǎng)格，為各個(gè)較小的區(qū)域分別提供近乎實(shí)時(shí)的電離層模型，使用戶有效校正電離層延遲。SBAS將電離層描述為地球上方350km處的球面殼層，殼層上定義了相應(yīng)的經(jīng)線和緯線，不同的經(jīng)緯度就構(gòu)成了網(wǎng)格，如圖24所示，系統(tǒng)廣播每一個(gè)網(wǎng)格中4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)（IGP）的垂直電離層延遲，用戶利用網(wǎng)格內(nèi)插法便可獲得非常精確的電離層延遲。