+ 劉天雄

3.4.2 歐洲靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)

3.4.2.1 系統(tǒng)組成

歐洲地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)（European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS）是GPS在歐洲的星基增強系統(tǒng)（SBAS），目的是在歐洲民用航空委員會（European Civil Aviation Conference，ECAC）服務(wù)區(qū)域從定位精度和完好性兩個方面改善GPS的導(dǎo)航性能，其中完好性需要滿足導(dǎo)航服務(wù)的可用性和連續(xù)性指標要求。EGNOS系統(tǒng)通過GEO衛(wèi)星廣播GPS衛(wèi)星軌道和時鐘改正數(shù)、電離層延遲改正數(shù)、完好性信息，給出具有較高置信度的位置誤差邊界，達到增強GPS服務(wù)的目標。2002年，歐盟和歐空局（ESA）啟動EGNOS系統(tǒng)論證，2005年建設(shè)地面運行控制系統(tǒng)并同步部署衛(wèi)星，2008年1月份系統(tǒng)空間段衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航增強信號，2010年EGNOS全面運營。

圖37 EGNOS系統(tǒng)組成

EGNOS系統(tǒng)由地面段、空間段、用戶段三部分組成，如圖37所示，地面段由4個任務(wù)控制中心（Mission Control Center，MCC）、41個地面測距和完好性監(jiān)測站（Ranging and Integrity Monitoring Station，RIMS）、6個地面導(dǎo)航增強信息注入站(Navigation Land Earth Station，NLES)和一套EGNOS系統(tǒng)廣域通信網(wǎng)絡(luò)（Wide Area Network，EWAN）組成。MCC負責任務(wù)控制和數(shù)據(jù)處理工作，4個MCC中1個工作，1個熱備，2個冷備；41個RIMS分布在歐洲20余個國家，負責監(jiān)測GPS和GLONASS衛(wèi)星信號。空間段包括3顆GEO衛(wèi)星，衛(wèi)星播發(fā)中心頻點為1575.42MHz的EGNOS增強信號。此外，EGNOS系統(tǒng)配置了系統(tǒng)性能評估和檢查機構(gòu)（Performance Assessment and Checkout Facility，PACF）以及應(yīng)用檢定機構(gòu)（Application Specific Qualification Facility，ASQF），作為系統(tǒng)正常運行的支撐機構(gòu)。用戶段由兼容GPS和GLONASS系統(tǒng)的EGNOS接收機組成，主要服務(wù)民用航空用戶，也可以擴展到航海和鐵路等交通領(lǐng)域用戶。

EGNOS系統(tǒng)每個任務(wù)控制中心配置一套中心控制設(shè)備（Central Control Facility，CCF），用來控制EGNOS系統(tǒng)的運行，由工作人員值守，并不是一個自動化系統(tǒng)，以監(jiān)控EGNOS系統(tǒng)的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)服務(wù)的可用性。CCF的主要功能包括監(jiān)控EGNOS系統(tǒng)所有地面系統(tǒng)的運行狀態(tài)；監(jiān)控EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星的運行狀態(tài)，監(jiān)控并預(yù)測EGNOS系統(tǒng)的服務(wù)性能；將所有接收到的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)存檔；為EGNOS系統(tǒng)性能評估和檢查機構(gòu)、應(yīng)用檢定機構(gòu)以及為空中交通管理（Air Traffic Control，ATC）提供數(shù)據(jù)接口。四套CCF中，一個當班工作，兩個作為熱備份，一個作為冷備份。EGNOS系統(tǒng)的設(shè)計方案可以確保當其中一個CCF工作異常時，系統(tǒng)能夠做到無縫切換以確保EGNOS系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性。

MCC的核心設(shè)施是中心處理設(shè)備（Central Processing Facility，CPF），CPF負責接收并處理來自地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的原始數(shù)據(jù)，精確給出監(jiān)測站視野范圍內(nèi)每顆GPS衛(wèi)星的鐘差、星歷差分改正數(shù)、電離層延遲改正數(shù)，差分改正數(shù)的精度與面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的配置有關(guān)，EGNOS系統(tǒng)播發(fā)的電離層延遲改正數(shù)僅保證歐洲大陸用戶的可用性，CPF組織架構(gòu)如圖38所示，

此外， MCC中的CPF根據(jù)系統(tǒng)播發(fā)的差分改正數(shù)還能進一步評估用戶關(guān)心的改正數(shù)的殘余誤差，殘余誤差由用戶差分測距誤差（User Differential Range Error，UDRE）和格網(wǎng)電離層垂直誤差（Grid Ionospheric Vertical Error，GIVE）兩個參數(shù)來表征，其中用戶差分測距誤差是用戶采用系統(tǒng)播發(fā)的衛(wèi)星的星歷和星鐘差分改正數(shù)后，對殘余測距誤差的估計值；格網(wǎng)電離層垂直誤差是用戶采用系統(tǒng)播發(fā)的給定地理網(wǎng)格點的電離層延遲改正數(shù)后，對格網(wǎng)電離層垂直殘余誤差的估計。用戶差分測距誤差和格網(wǎng)電離層垂直誤差可以用于確定水平和垂直定位誤差總的誤差邊界。總的誤差邊界對于涉及生命安全的應(yīng)用以及想知道位置解算結(jié)果的不確定性的用戶是十分有益的。MCC的CPF能夠檢測出GPS、GLONASS以及自身GEO信號存在的任何異?，F(xiàn)象，如果誤差超出系統(tǒng)設(shè)定的門限，則在6s內(nèi)可以給用戶報出告警信息。

圖38 任務(wù)控制中心MCC中心處理設(shè)備CPF組織架構(gòu)

圖39 EGNOS系統(tǒng)3顆GEO衛(wèi)星覆蓋范圍

EGNOS系統(tǒng)用3顆GEO衛(wèi)星覆蓋整個歐洲服務(wù)區(qū)，包括兩顆Inmarsat-III通信衛(wèi)星 (AOR-E和IOR-W)和一顆ESA Artemis通信衛(wèi)星，其中Inmarsat-III AOR-E衛(wèi)星定點在15.5°W，GPS系統(tǒng)分配的PRN號為120；Inmarsat-III IOR-W衛(wèi)星定點在65.5°E，GPS系統(tǒng)分配的PRN號為126；Artemis衛(wèi)星定點在21.3°W，GPS系統(tǒng)分配的PRN號為124；3顆GEO衛(wèi)星覆蓋范圍如圖39所示，

EGNOS系統(tǒng)地面段地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的最重要任務(wù)是監(jiān)測GPS、GLONASS以及EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星信號，將監(jiān)測到的原始數(shù)據(jù)以每秒一次的頻度送給4個任務(wù)控制中心MCC的CPF，為了改善EGNOS系統(tǒng)性能同時擴大系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域，EGNOS系統(tǒng)在歐洲大陸設(shè)置了41個監(jiān)測站，監(jiān)測站分布如圖40所示，

EGNOS系統(tǒng)地面導(dǎo)航增強信息注入站（NLES）接收各個MCC的CPF生成的增強電文，根據(jù)CPF給出的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QOS）和完好性標識（integrity flags），NLES可以在4個CPF生成的增強電文中選擇最優(yōu)的一組數(shù)據(jù)。6個NLES中，每2個注入站對應(yīng)一顆GEO衛(wèi)星，將任務(wù)控制中心MCC的中心處理設(shè)備CPF生成的增強電文上行注入給GEO衛(wèi)星，對應(yīng)關(guān)系如表14.18所示，

圖40 EGNOS系統(tǒng)監(jiān)測站分布

表14.18 地面注入站NLES與GEO衛(wèi)星的對應(yīng)關(guān)系

指定同一顆GEO衛(wèi)星的兩個注入站完全可以互為備份，一主一備，由于注入站的內(nèi)部設(shè)備原因或者系統(tǒng)完好性機制導(dǎo)致其中一個注入站不能正常工作時，MCC的CPF負責實施主備注入站的切換，EGNOS系統(tǒng)在設(shè)計上可以避免兩個注入站同時給一顆衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)。由于EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星在軌沒有配置星載原子鐘，不能向GPS衛(wèi)星那樣在軌生成精確的偽隨機測距碼，需要在NLES利用預(yù)先分配的GPS系統(tǒng)C/A碼族的偽隨機測距碼擴頻處理EGNOS系統(tǒng)增強電文，再利用與GPS L1 C/A信號時間完全同步的輔助信號生成EGNOS增強信號，最后利用變頻調(diào)制技術(shù)將EGNOS增強信號變頻到C頻段并上行注入給GEO衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星作為透明轉(zhuǎn)發(fā)器，將EGNOS系統(tǒng)C頻段增強信號下變頻到L頻段，仍利用GPS的L1頻點將增強信號播發(fā)給用戶。

除了MCC、RIMS、NLES、EWAN維持EGNOS系統(tǒng)正常運控外，EGNOS系統(tǒng)地面段還配置了一些輔助的支撐機構(gòu)，開展系統(tǒng)維護和性能驗證等方面的工作。其中系統(tǒng)性能評估和檢查機構(gòu)PACF對EGNOS系統(tǒng)運行提供支持，包括性能分析、運行維護、系統(tǒng)功能的升級和驗證等工作；應(yīng)用檢定機構(gòu)ASQF提供民用飛行和航空認證管理工作，對不同的EGNOS系統(tǒng)應(yīng)用開展資格驗證和認證工作，這兩個機構(gòu)由EGNOS系統(tǒng)服務(wù)中心（EGNOS Service Provider，ESP）負責運行和管理。另外，EGNOS系統(tǒng)建設(shè)前期設(shè)置了系統(tǒng)發(fā)展和驗證平臺（Development & Verification Platform，DVP），由于確認和驗證EGNOS系統(tǒng)設(shè)計階段的設(shè)計要求，由仿真平臺、實時測試平臺、總裝集成和部裝平臺三部分組成，目前EGNOS系統(tǒng)發(fā)展和驗證平臺DVP已合并到系統(tǒng)性能評估和檢查機構(gòu)PACF。

EGNOS系統(tǒng)用戶段由EGNOS接收機組成，同時接收GPS信號和EGNOS增強信號后才能為用戶提供增強服務(wù)，EGNOS系統(tǒng)采用GPS系統(tǒng)L1頻點（1575.42MHz）播發(fā)增強信號，因此，EGNOS接收機可以采用一套RF模塊和接收天線，就能同時接收GPS和EGNOS信號，內(nèi)置特殊的軟件可以分別解調(diào)EGNOS系統(tǒng)增強電文和GPS電文，根據(jù)電文中的快變和慢變WAD廣域差分修正數(shù)據(jù)，EGNOS接收機計算衛(wèi)星軌道、時鐘誤差和電離層延遲的改正數(shù)，EGNOS接收機內(nèi)置軟件根據(jù)接收機的位置和當?shù)貢r間還能進一步減緩對流層延遲的影響，提高GPS系統(tǒng)PNT解算精度。

EGNOS系統(tǒng)提供三種服務(wù)模式，一是開放服務(wù)（Open Service，OS），2009年10月1日，EGNOS系統(tǒng)向歐洲公眾用戶免費提供OS等級的增強服務(wù)，連續(xù)監(jiān)測表明在99%時間內(nèi)，EGNOS系統(tǒng)可以將GPS系統(tǒng)的定位精度提高到1～2米。二是生命安全服務(wù)（Safety of Life Service，SOL），2011年3月2日，歐洲衛(wèi)星服務(wù)提供商（European Satellite Services Provider，ESSP）宣布在歐洲委員會（European Commission，EC）的授權(quán)下，EGNOS系統(tǒng)向歐洲航空用戶提供最高等級的SOL增強服務(wù)，在6s內(nèi)給出系統(tǒng)增強信號不可用完好性告警信息。三是商業(yè)數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)（Commercial Data Distribution Service，CDDS），2010年4月，EGNOS系統(tǒng)向商業(yè)和專業(yè)用戶提供高精度的雙頻偽距和載波相位觀測信息、實時差分改正數(shù)以及系統(tǒng)完好性信息，用戶必須付費方可使用該服務(wù)。SATNET