方繼嗣，朱衍波，王志鵬（.民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司，北京 009；.北京航空航天大學(xué)，北京 009）

EGNOS完好性關(guān)鍵參數(shù)的處理與分析

方繼嗣1，朱衍波1，王志鵬2
（1.民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

基于歐洲靜地軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)（european geostationary navigation overlay service，EGNOS）中用戶差分距離誤差 （user difference range error，UDRE）和格網(wǎng)電離層垂直誤差 （grid ionospheric vertical error，GIVE）算法，分析了UDRE與衛(wèi)星可見的距離修正和完好性監(jiān)測(cè)站（ranging and integrity monitoring stations，RIMS）個(gè)數(shù)之間的關(guān)系，以及GIVE與電離層格網(wǎng)點(diǎn)（ionospheric grid point，IGP）可見的電離層穿透點(diǎn)（ionospheric pierce point，IPP）個(gè)數(shù)之間的關(guān)系。通過對(duì)2012年EGNOS升級(jí)后為期一個(gè)月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出結(jié)論：在歐洲民航理事會(huì) （european civil aviation conference，ECAC）區(qū)域，衛(wèi)星可見的RIMS個(gè)數(shù)越多，其對(duì)應(yīng)的UDRE標(biāo)記值（UDRE indicator，UDREI）越小，當(dāng)可見RIMS個(gè)數(shù)達(dá)到17及以上時(shí)，UDREI值為6；格網(wǎng)點(diǎn)可見的IPP越多，其對(duì)應(yīng)的GIVE標(biāo)記值（GIVE indicator，GIVEI）越小，當(dāng)可見IPP個(gè)數(shù)達(dá)到10及以上時(shí)，GIVEI值為8。

增強(qiáng)；完好性；歐洲靜地軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)；格網(wǎng)電離層垂直誤差；用戶差分距離誤差

EGNOS屬于歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃的第1階段GNSS-1，通過地球靜止衛(wèi)星播報(bào)偽距改正和完好性信息，以改善GPS和GLONASS的性能，使之滿足民用安全需求。EGNOS系統(tǒng)由歐洲空間局（European Space agency，ESA）、歐洲空中航行安全組織（European Organization for the Safety of Air Navigation，EUROCONTROL）和歐委會(huì)（European Commission，EC）于1993年聯(lián)合共建[1]，目前已經(jīng)建立了測(cè)試床（EGNOS system testbed，ESTB）[2]。2009年10月1日，EGNOS開始提供“公開服務(wù)”，2010年底，其“生命安全服務(wù)”開始運(yùn)行[3]，2011年3月1日該服務(wù)正式用于民用航空。

EGNOS對(duì)歐洲“進(jìn)近和著陸改進(jìn)的優(yōu)化程序和技術(shù)（optimized procedures and techniques for improvement of approach and landing，OPTIMAL）”等多個(gè)民用航空的重大項(xiàng)目提供技術(shù)支撐。西班牙GMV公司為西班牙機(jī)場(chǎng)和空中航行部門（Spanish airports and air navigation，AENA）開發(fā)了“EGNOSATC”工具，該工具可基于EGNOS飛行程序產(chǎn)生航行通告（notice to airmen，NOTAM），用于LPV和LNAV進(jìn)近[4]，具備兩大功能：①預(yù)測(cè)功能負(fù)責(zé)基于衛(wèi)星幾何、NANUs和GEO/RIMS通告預(yù)測(cè)EGNOS服務(wù)的可用性；②實(shí)時(shí)功能負(fù)責(zé)檢測(cè)GPS和EGNOS衛(wèi)星在RIMS站的可用性。該工具產(chǎn)生的所有信息將提供給空中交通管制（air traffic control，ATC）用戶和航行情報(bào)服務(wù)（aeronautical information service，AIS）用戶。此外，在EUROCAE主持完成的項(xiàng)目“EGNOS和GBAS原型分析系統(tǒng)（prototype EGNOS and GBAS analysis system using sapphire，pegasus）”中，也對(duì)EGNOS進(jìn)行了性能預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)分析和事后處理等方面的研究。

EGNOS是目前世界上最成熟的兩大衛(wèi)星導(dǎo)航廣域增強(qiáng)系統(tǒng)之一，對(duì)其研究，尤其是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究具有重要的工程實(shí)踐和應(yīng)用價(jià)值。本文基于2012年3月中旬EGNOS系統(tǒng)升級(jí)后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了EGNOS中的關(guān)鍵完好性參數(shù)UDRE和GIVE，得到了有意義的結(jié)果。

1 EGNOS完好性參數(shù)計(jì)算方法分析

星基增強(qiáng)系統(tǒng)需要分離廣播星鐘/星歷誤差和電離層延遲校正誤差，因此關(guān)于星鐘/星歷校正的用戶差分距離誤差（user difference range error，UDRE）算法以及格網(wǎng)電離層垂直誤差（grid ionospheric vertical error，GIVE）校正方法是廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵問題[5-6]。本節(jié)在討論二者計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，分析了UDRE與距離修正和完好性監(jiān)測(cè)站（ranging and integrity monitoring stations，RIMS）之間的關(guān)系，以及GIVE與電離層穿透點(diǎn)（ionospheric pierce point，IPP）之間的關(guān)系。

1.1 EGNOS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EGNOS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖1所示?？臻g段主要由GPS導(dǎo)航衛(wèi)星、GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星和3顆地球同步靜止衛(wèi)星，即ESA Artemis衛(wèi)星（PRN124）、AOR-E（PRN120）和IOR-W（PRN126）組成（其中1顆為備份），主要任務(wù)是保持和實(shí)現(xiàn)與地面的RIMS和MCC之間的通訊聯(lián)系，以及完成由MCC發(fā)送給用戶的指令信息。地面段由34個(gè)測(cè)距完好性監(jiān)測(cè)站（ranging and integrity monitoring station，RIMS））、4個(gè)中心處理站（master control center，MCC）以及6個(gè)導(dǎo)航地面站（navigation land earth station，NLES）組成，主要任務(wù)是對(duì)EGNOS系統(tǒng)進(jìn)行全面控制和數(shù)據(jù)處理。用戶段由EGNOS標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)組成，涉及到航空、航海和地面交通等應(yīng)用，用戶所使用的接收機(jī)需能同時(shí)接收EGNOS和GPS/ GLONASS的信號(hào)，并具有對(duì)這兩者的信息進(jìn)行定位數(shù)據(jù)綜合處理的功能。

圖1 EGNOS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture of EGNOS

1.2 UDRE計(jì)算方法分析

RIMS在計(jì)算UDRE時(shí)，由兩路數(shù)據(jù)分別產(chǎn)生經(jīng)過修正后的觀測(cè)距離Rm和計(jì)算距離R，然后統(tǒng)計(jì)兩路數(shù)據(jù)的差值，從而計(jì)算輸出每顆衛(wèi)星的UDRE值。具體計(jì)算步驟如下：

1）監(jiān)測(cè)站測(cè)量的多頻觀測(cè)偽距在監(jiān)測(cè)站經(jīng)前述預(yù)處理后發(fā)送給中心站，在中心站完成對(duì)各監(jiān)測(cè)站接收機(jī)的鐘差解算。經(jīng)監(jiān)測(cè)站接收機(jī)鐘差改正，得到的觀測(cè)距離以Rm表示，這時(shí)Rm中僅包含衛(wèi)星鐘差。

2）計(jì)算距離由監(jiān)測(cè)站已知坐標(biāo)和經(jīng)過改正的衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算得到，并用接收的鐘差快變和慢變改正數(shù)進(jìn)行改正，以R表示。計(jì)算距離R中包含的誤差有衛(wèi)星星歷殘差與衛(wèi)星鐘差。

3）對(duì)Rm和R取差，其差值為

其中：dR僅包含該衛(wèi)星的衛(wèi)星星歷殘差與星鐘殘差。

4）中心站對(duì)監(jiān)測(cè)同一顆衛(wèi)星的不同監(jiān)測(cè)站的所有差值dR進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到相應(yīng)衛(wèi)星的UDRE值，即

5）計(jì)算出UDRE值以后，對(duì)UDRE值進(jìn)行分檔，用UDRE標(biāo)記值（user difference range error indicator，UDREI）表示。UDREI值從0～15，其中：14代表沒有監(jiān)測(cè)到該衛(wèi)星，15代表UDRE數(shù)據(jù)不可用。

從上述UDRE的計(jì)算方法可以看出，對(duì)于同一顆衛(wèi)星，其UDRE值與其可見的RIMS個(gè)數(shù)相關(guān)；可見RIMS個(gè)數(shù)越多，dR越多，從式（2）可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的UDRE對(duì)衛(wèi)星星鐘/星歷誤差的反應(yīng)也越精確。

1.3 GIVE計(jì)算方法分析

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的主要誤差源之一是電離層誤差?，F(xiàn)有C/A碼接收機(jī)用戶使用衛(wèi)星廣播的Klobuchar模型參數(shù)法只能修正50%左右的電離層誤差。EGNOS采用格網(wǎng)校正法，能夠?yàn)閱晤l用戶提供實(shí)時(shí)、大范圍、精確的電離層修正。這種校正法將區(qū)域內(nèi)電離層參考面上（通常為350～400 km）經(jīng)度線和緯度線按5°的間隔分割成格網(wǎng)；再根據(jù)分布于EGNOS系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)精確測(cè)定的電離層時(shí)延值，用一定算法獲得格網(wǎng)點(diǎn)的天頂電離層時(shí)延值；再通過靜止衛(wèi)星在區(qū)域內(nèi)廣播；而用戶將根據(jù)自己接收的信號(hào)和其周圍可用格網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)距信號(hào)進(jìn)行電離層時(shí)延修正。具體計(jì)算步驟如下：

1）監(jiān)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)通過預(yù)處理得到第i個(gè)穿透點(diǎn)IPP在t時(shí)刻的電離層視線延遲估值，該值通過傾斜因子轉(zhuǎn)換得到電離層垂直延遲估值IIPPi（t）。同時(shí)，由前一更新周期內(nèi)插出第i個(gè)IPP在t時(shí)刻的電離層垂直延遲，然后計(jì)算該IPP電離層的垂直延遲誤差e

2）假設(shè)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)站向中心站傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)的更新率是10 s，而中心站向用戶廣播網(wǎng)格點(diǎn)垂直延遲和GIVE的更新率是3 min，那么對(duì)于每個(gè)IPP都會(huì)得到由18個(gè)eIP（Pt）為1組的電離層垂直延遲的誤差序列。

3）中心站判斷第j個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)IGP周圍相鄰4個(gè)單元中的誤差序列數(shù)目。如果其中至少有3個(gè)網(wǎng)格單元，每個(gè)單元中至少含有1個(gè)垂直誤差序列，才可計(jì)算該IGP點(diǎn)的GIVE值；否則，標(biāo)記該IGP的GIVE在下一個(gè)3 min內(nèi)是“不可用”的。

4）對(duì)3 min內(nèi)滿足以上條件的每一條IPP誤差序列構(gòu)造誤差限差m=18，為對(duì)應(yīng)置信度99.9%的分位數(shù)。

5）由中心站計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)處絕對(duì)垂直誤差

其中：θi是測(cè)站對(duì)衛(wèi)星的高度角；dij是第i個(gè)IPP到第j個(gè)IGP間的距離；n為鄰近網(wǎng)格的穿透點(diǎn)個(gè)數(shù)。

6）計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)IGP點(diǎn)處的GIVE

其中：第1項(xiàng)為所有穿透點(diǎn)誤差限值的最大值；第2項(xiàng)為網(wǎng)格點(diǎn)電離層延遲的絕對(duì)誤差；q/2是最大量化誤差。

7）將網(wǎng)格點(diǎn)電離層延遲誤差GIVE按GIVE標(biāo)記值（grid ionospheric vertical error indicator，GIVEI）分檔輸出。GIVEI值從0～15，其中15代表與該格網(wǎng)點(diǎn)未被監(jiān)測(cè)到。

從上述GIVE的計(jì)算方法可以看出，對(duì)于某一確定的電離層格網(wǎng)點(diǎn)（ionospheric grid point，IGP），其對(duì)應(yīng)的GIVE值與其周圍的可用電離層穿透點(diǎn)（ionospheric pierce point，IPP）相關(guān)，可用IPP個(gè)數(shù)越多，其對(duì)電離層延遲誤差的估計(jì)越精確。

2EGNOS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本節(jié)基于2012年EGNOS升級(jí)后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)EGNOS的UDRE和GIVE進(jìn)行了討論，重點(diǎn)分析了UDREI與衛(wèi)星可見的RIMS個(gè)數(shù)之間的關(guān)系，和GIVEI與IGP可見的IPP個(gè)數(shù)之間的關(guān)系。

截至2012年3月下旬，EGNOS共有37個(gè)RIMS。但是，其中部分RIMS尚處于測(cè)試階段，未投入運(yùn)行；部分RIMS僅用于UDRE監(jiān)測(cè)或者僅用于GIVE監(jiān)測(cè)。實(shí)際用于UDRE監(jiān)測(cè)的RIMS共有31個(gè)，用于GIVE監(jiān)測(cè)的RIMS共有33個(gè)[7-9]。

截至2012年3月下旬，EGNOS中使用了4個(gè)垂向格網(wǎng)帶（南北方向）和1個(gè)橫向格網(wǎng)帶（東西方向）。其中，垂向格網(wǎng)帶包括第3帶（55個(gè)IGP）、第4帶（85 個(gè)IGP）、第5帶（78個(gè)IGP）、第6帶（21個(gè)IGP）；橫向格網(wǎng)帶為第9帶（80個(gè)IGP）[7-10]。

圖2中顯示了EGNOS中使用的RIMS和IGP，三角形代表IGP，圓圈代表RIMS。

2.1 UDREI與衛(wèi)星可見RIMS個(gè)數(shù)間的關(guān)系分析

基于EGNOS中RIMS位置，和從GPS衛(wèi)星歷書計(jì)算出來的衛(wèi)星位置，計(jì)算每顆衛(wèi)星的可見RIMS個(gè)數(shù)。同時(shí)，從GEO衛(wèi)星廣播的增強(qiáng)信息中讀取星鐘/星歷校正信息，基于此提取每顆被監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的UDREI值。根據(jù)衛(wèi)星可見的RIMS個(gè)數(shù)和其UDREI值，分析二者之間的關(guān)系。具體的統(tǒng)計(jì)分析流程如圖3所示。

圖2 EGNOS的RIMSs和IGPsFig.2 RIMSs and IGPs of EGNOS

圖3 UDREI統(tǒng)計(jì)分析算法流程圖Fig.3 Flow chart of the statistic and analysis of UDREI

處理從2012年3月13日—4月12日一個(gè)月的EGNOS數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)衛(wèi)星可見的RIMS個(gè)數(shù)較少時(shí)，UDREI值為14，即不可監(jiān)測(cè)；隨著可見RIMS個(gè)數(shù)的增多，UDREI逐漸減小，當(dāng)衛(wèi)星可以看到所有的RIMS，即可見RIMS達(dá)到31個(gè)時(shí)，UDREI值集中在6附近。

圖4 30天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的UDREI樣本值分配圖Fig.4 UDREI samples distribution based on 30 days EGNOS data

對(duì)同一可見RIMS個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的UDREI值進(jìn)行平均，再對(duì)該值進(jìn)行向上取整（保守處理，為了保證系統(tǒng)的完好性），得到的結(jié)果如表1所示。

表1 可見RIMS個(gè)數(shù)和UDREI之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Relationship between number of visible RIMS and UDREI

2.2 GIVEI與IGP可見IPP個(gè)數(shù)之間的關(guān)系分析

與UDREI的處理方法類似，對(duì)EGNOS的GIVEI進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。首先，基于RIMS的位置和衛(wèi)星位置，計(jì)算IPP的位置；其次，根據(jù)IGP和IPP的位置，計(jì)算每個(gè)IGP的可見IPP個(gè)數(shù)，此處的“可見”是指該IPP 與IGP之間的距離小于600 km，因?yàn)镋GNOS格網(wǎng)大小為5°，大約為600 km；然后，從GEO衛(wèi)星廣播的增強(qiáng)信息中讀取電離層校正信息，從中提取每個(gè)可用IGP的GIVEI的值；最后，統(tǒng)計(jì)所有可用IGP的可見IPP個(gè)數(shù)與GIVEI值。具體的統(tǒng)計(jì)分析流程如圖5所示。

圖5 GIVEI統(tǒng)計(jì)分析算法流程Fig.5 Flow chart of statistic and analysis of GIVEI

處理從2012年3月13日—4月12日的EGNOS數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，可見IPP較少時(shí)，GIVEI值為15，即未監(jiān)測(cè)到；隨著可見IPP個(gè)數(shù)的增多，GIVEI值減小。

對(duì)同一可見IPP個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的GIVEI值進(jìn)行平均，再對(duì)該值向上取整（保守處理，為了保證系統(tǒng)的完好性），得到的結(jié)果如表2所示。

圖6 30天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的GIVEI樣本值分配圖Fig.6 GIVEI samples distribution based on 30 days EGNOS data

3 結(jié)語

通過以上分析可知，在ECAC范圍內(nèi)，EGNOS中：

1）衛(wèi)星可見RIMS個(gè)數(shù)越多，其對(duì)應(yīng)的UDREI值越小。當(dāng)可見RIMS個(gè)數(shù)為0～2時(shí)，其對(duì)應(yīng)的UDREI值為14，隨著可見RIMS個(gè)數(shù)增多，其對(duì)應(yīng)的UDREI值減小，當(dāng)可見RIMS個(gè)數(shù)達(dá)到17及以上時(shí)，UDREI值為6。

2）IGP可見（距離小于600 km）IPP個(gè)數(shù)越多，其對(duì)應(yīng)的GIVEI值越小。當(dāng)可見IPP個(gè)數(shù)為0或1時(shí)，其GIVEI值為15，隨著可見IPP個(gè)數(shù)增多，其對(duì)應(yīng)的GIVEI值減小，當(dāng)可見IPP個(gè)數(shù)達(dá)到10及以上時(shí)，GIVEI值為8。

本文所提方法和得到的結(jié)論具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值，可為中國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)提供參考和建議措施。

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（責(zé)任編輯：黨亞茹）

Key parameters processing and analysis for EGNOS integrity

FANG Ji-si1，ZHU Yan-bo1，WANG Zhi-peng2
（1.Aviation Data Communication Corporation，Beijing 100191，China；2.Beihang University，Beijing 100191，China）

Based on the algorithm of the user difference range error（UDRE）of european geostationary navigation overlay service（EGNOS），foreachsatellite，therelationshipbetweentheUDREandthenumberofvisible ranging and integrity monitoring stations（RIMS）is analyzed.Also，for each ionospheric grid point（IGP），based on the algorithm of grid ionospheric vertical error（GIVE），the relationship between the GIVE and the number of visible ionospheric pierce point（IPP）is analyzed.Then，the data after EGNOS system updated in 2012 is processed，and some conclusions are obtained.In European civil aviation conference（ECAC），the more the visible RIMS is，the less the UDRE indicator（UDREI），and when the visible RIMS is 17 or more，the UDREI is 6. The more the visible IPP is，the less the GIVE indicator（GIVEI），when the visible IPP is 10 or more，the GIVEI is 8.

augmentation；integrity；European geostationary navigation overlay service；grid ionospheric vertical error；user difference range error

TN967.1

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1674－5590（2013）01－0013－05

2012-05-04；

2012-08-10

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB707004）；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAH24B02）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61079016）

方繼嗣（1978—），男，湖南岳陽人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng).