+ 劉天雄

3.3 星基增強系統(tǒng)

目前，GPS和GLONASS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精度、完好性、連續(xù)性及可用性四個方面都不能滿足民用航空對導航服務的性能需求，特別是基本導航系統(tǒng)的實時完好性監(jiān)測能力完全不能滿足民用航空導航生命安全性要求。以GPS為例，從精度方面看，GPS單點定位精度只有15～25m，這種精度能滿足到非精密進近階段的要求（220m），但不能滿足精密進近要求。GPS本身具備一定程度的完好性監(jiān)測能力，但告警時間太長，通常需要一個小時，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，其可用性會更差。因此，為了滿足民航對衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航服務的安全性要求，必須要克服上述缺陷，而建立衛(wèi)星導航的增強系統(tǒng)無疑是解決這一問題的有效途徑之一，即通過給衛(wèi)星導航系統(tǒng)打“補丁”的方式來提升衛(wèi)星導航系統(tǒng)的導航定位性能。

星基增強系統(tǒng)（SBAS）對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）廣播增強信號，為用戶提供測距、差分修正和完好性信息，能夠支持廣域或者區(qū)域的導航增強服務。SBAS的主要目標是為民用航空導航服務提供完好性保證，同時提高導航系統(tǒng)定位精度。SBAS通過多個位置確定的地面參考站監(jiān)測衛(wèi)星導航信號，同時監(jiān)測電離層和對流層等空間天氣對導航信號傳播時延的影響，生成導航信號的差分改正數(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能力的SBAS有美國廣域增強系統(tǒng)WAAS（Wide Area Augmentation System），歐洲的地球靜止軌道衛(wèi)星導航中繼服務系統(tǒng)EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），日本的基于準天頂導航系統(tǒng)QZSS（Quasi-Zenith Satellite System）和多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)MSAS（Multi Satellite Augmentation System）基礎(chǔ)的多功能運輸衛(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)星增強導航系統(tǒng)GAGAN（GPS And Geo-Augmented Navigation）。這些SBAS基本都是對美國GPS系統(tǒng)進行增強，播發(fā)L1、L5頻點增強信號，SBAS系統(tǒng)服務覆蓋區(qū)域如圖21所示。

美國WAAS、歐洲EGNOS、日本MSAS和印度GAGAN已經(jīng)通過當?shù)孛窈綑C構(gòu)認證，各SBAS的認證及應用情況如表9所示。為了實現(xiàn)SBAS服務的全球無縫鏈接，目前各個SBAS成員國通過SBAS IWG國際多邊協(xié)調(diào)平臺，共同商討制定雙頻多系統(tǒng)（DFMC）星基增強服務標準。

表9 SBAS認證及應用情況

圖21 對美國GPS進行增強的SBAS系統(tǒng)

圖22 SBAS組成

從表9星基增強系統(tǒng)認證及應用情況可以看出，美國WAAS系統(tǒng)、歐洲EGNOS系統(tǒng)、日本MSAS系統(tǒng)已被國際民航廣泛應用。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GLONASS系統(tǒng)開展星基增強服務，日本MSAS、印度GAGAN及未來韓國的KASS等多個SBAS將在在亞太地區(qū)形成高密度覆蓋趨勢。3.3.1 工作原理

SBAS由空間段、地面控制段、運行維護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)星導航信號類似的增強信號；地面控制段由監(jiān)測站網(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，生成導航增強信息，其中GEO衛(wèi)星控制中心根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心計算得到增強電文，SBAS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的任務是建立SBAS地面段各個環(huán)節(jié)的通信鏈路；運行維護段對SBAS系統(tǒng)的正常運行和維護提供技術(shù)支持，負責系統(tǒng)配置管控、系統(tǒng)性能評估、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)研發(fā)和系統(tǒng)救援等工作；用戶段包括能夠同時接收SBAS/GNSS信號的終端。

SBAS空間段的地球靜止軌道衛(wèi)星負責在系統(tǒng)服務區(qū)播發(fā)增強信號，衛(wèi)星一般是利用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通道配置SBAS導航增強載荷，用C頻段接收地面站上行注入的導航增強信息，利用L頻段將地面控制段生成的導航增強信息透明轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。為了消除電離層和對流層對增強信號延遲的影響，新一代SBAS導航增強轉(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，同時進一步增加下行信號帶寬，并將當前的透明轉(zhuǎn)發(fā)器改為星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器。

SBAS地面任務段的主要任務是生成導航增強電文數(shù)據(jù)，同時將導航增強電文數(shù)據(jù)上注給空間段的地球靜止軌道衛(wèi)星。地面任務段的監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)在精密測繪的地點配置多套高精度雙頻導航監(jiān)測接收機，要求監(jiān)測站的地理精度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)所有的導航信號及自身地球靜止軌道衛(wèi)星播發(fā)的信號，開展導航信號質(zhì)量評估，同時監(jiān)測監(jiān)測站所在區(qū)域電離層延遲的影響；導航信號數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz，完成數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查同時剔除誤異常數(shù)據(jù)，能夠在毫秒量級完成導航信號處理；為了避免單點失效問題，一般采用同一監(jiān)測站的多套接收機觀測數(shù)據(jù)并行開展差分改正數(shù)和完好性信息計算。地面任務段的數(shù)據(jù)處理中心是星基增強系統(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)參考時間和星載時鐘偏差修正的精度要優(yōu)于2ns，開展實時電離層延遲估計過程中能夠識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)測站網(wǎng)絡(luò)接收的原始數(shù)據(jù)，估算導航信號差分改正數(shù)、電離層延遲改正數(shù)和方差項，計算系統(tǒng)完好性信息，根據(jù)ICAO SBAS標準，生成導航增強電文。地面控制段的SBAS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)利用具有高標準、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地面任務段各個環(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)處理中心生成的導航增強數(shù)據(jù)進行擴頻處理，然后將擴頻信號調(diào)制到載波信號中；實現(xiàn)生成的增強信號與星基增強系統(tǒng)SBAS時間的同步；保證增強信號中載波與偽碼分量的時間同步（相干）；通過接收星基增強系統(tǒng)SBAS下行增強信號，進一步對上行注入信號開展閉環(huán)管理。

星基增強系統(tǒng)運行維護段負責SBAS的運行維護，對SBAS設(shè)計、研發(fā)、運行與驗證階段的工作提供技術(shù)支持，對系統(tǒng)服務性能和用戶容量進行仿真，對系統(tǒng)應用進行驗證，對增強算法的可靠性進行驗證，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，實時監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)，收集整理系統(tǒng)故障和異常情況，預測系統(tǒng)期望的工作性能指標并當性能劣化時給出告警信息，對系統(tǒng)運行進行維護和救援，開展系統(tǒng)應用驗證相關(guān)工作，對系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的增強數(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)進行存檔。

用戶段不受SBAS系統(tǒng)服務提供商的控制，完全由SBAS系統(tǒng)應用市場驅(qū)動。SBAS系統(tǒng)服務提供商一般提供開放服務、生命安全服務以及商業(yè)服務三種類型的業(yè)務，可以滿足不同用戶群體的應用需求。對于生命安全服務，SBAS機載終端需要滿足ICAO民用航空SBAS相關(guān)標準，機載設(shè)備需要完全滿足RTCA SBAS MOPS DO-229標準，接收機天線設(shè)計需要完全滿足RTCA SBAS MOPS 228和301標準、RTCA TSO (C190, C145b, C146b)標準，此外，還應滿足飛行管理系統(tǒng)（Flight Management Systems，F(xiàn)MS）等其他航空綜合電子設(shè)備要求。

3.3.2 實現(xiàn)方案

SBAS由大量均勻分布的位置確定的監(jiān)測站或參考站網(wǎng)絡(luò)對導航信號進行連續(xù)監(jiān)測，將偽距的載波相位等原始觀測數(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)這些觀測數(shù)據(jù)對空間信號中的各種誤差進行分類和建模，計算得到對應的差分改正數(shù)，包括衛(wèi)星軌道、星鐘誤差以及電離層延遲誤差，同時計算系統(tǒng)的完好性信息，將這些增強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)和完好性信息以導航增強電文的形式播發(fā)給用戶，用戶接收機接收到改正數(shù)后即可對測距誤差進行修正并根據(jù)其中的完好性信息決定系統(tǒng)當前是否可用。同時，GEO衛(wèi)星本身也向用戶播發(fā)測距信號，在增加了測距信號源的同時改善了衛(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。星基增強系統(tǒng)SBAS信息流如圖23所示。

圖23 星基增強系統(tǒng)SBAS信息流

圖24 SBAS將電離層分割成許多網(wǎng)格

為了適應民用航空的導航需求，SBAS需要在精度、完好性、連續(xù)性和實時性四個方面對衛(wèi)星導航系統(tǒng)系統(tǒng)進行增強。SBAS采用的是差分技術(shù)提高精度，采用完好性監(jiān)測技術(shù)改善系統(tǒng)完好性。對連續(xù)性和實時性的增強是通過附加測距信號的方式。以美國的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，也播發(fā)L1的測距信號，使GEO衛(wèi)星也可以參與定位，從而改善了GPS系統(tǒng)的GDOP值，進而可以有效地提高系統(tǒng)的連續(xù)性和實時性。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供航空導航服務，完好性保證能力是用戶最為關(guān)注的性能，因為飛行安全對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）檢測技術(shù)，地面參考站可以同時得到衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完好性和各類誤差改正數(shù)。SBAS的完好性檢測不僅要對GNSS狀況進行檢測，還要對廣域差分改正數(shù)的完好性進行檢測，作為測距源的同步衛(wèi)星的狀況及其誤差改正的完好性也需要被檢測。

SBAS系統(tǒng)主要提供測距、廣域差分校正、GNSS完好性監(jiān)測三類服務，三類信息均通過GEO衛(wèi)星廣播給用戶，使用戶改善導航的精度、完好性、連續(xù)性和可用性。SBAS系統(tǒng)的測距功能是通過GEO衛(wèi)星發(fā)射類GPS信號實現(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信號測距，使得定位的精度和可用性得到提高。衛(wèi)星導航系統(tǒng)的誤差源主要有星歷誤差、星鐘誤差、電離層與對流層誤差、多徑效應及接收機誤差。其中對流層延遲是局部現(xiàn)象，可以通過用戶接收機中的補償模型來減弱。多路徑效應和接收機熱噪聲誤差，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，星鐘誤差則是時間去相關(guān)的。此外，用戶一般離監(jiān)測站較遠，因此，SBAS發(fā)布矢量星歷誤差校正，同時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)星的時間與GPS系統(tǒng)時間之間的偏差，并將其發(fā)布給用戶。

在GPS的SA關(guān)閉之后，電離層延遲實際就成了導航信號測量的最大誤差源。電離層延遲隨著時間和地點而變化。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，為各個較小的區(qū)域分別提供近乎實時的電離層模型，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)廣播每一個網(wǎng)格中4個網(wǎng)格點（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。