+ 劉天雄

3.4.2.2 工作原理

EGNOS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高度冗余，EGNOS系統(tǒng)的設(shè)計目標是滿足SBAS的標準要求，開展以下四方面的工作，一是接收GPS、GLONASS、及EGNOS-GEO衛(wèi)星播發(fā)的信號和電文數(shù)據(jù)；二是估計服務(wù)區(qū)的系統(tǒng)完好性數(shù)據(jù)和廣域差分（Wide Area Differential，WAD）改正數(shù)；三是通過GEO衛(wèi)星廣播類似GPS衛(wèi)星的增強信號，電文包含軌道和時鐘改正數(shù)、電離層延遲改正數(shù)及系統(tǒng)完好性數(shù)據(jù)，信號同時具有測距功能；四是驗證上述完好性數(shù)據(jù)和改正數(shù)的正確性。

EGNOS系統(tǒng)工作原理和美國WAAS基本一致，EGNOS系統(tǒng)地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS接收GPS、GLONASS導(dǎo)航信號以及EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星的增強信號，將原始數(shù)據(jù)送到4個任務(wù)控制中心MCC，每個任務(wù)控制中心MCC的中心處理設(shè)備CPF開展導(dǎo)航信號改正數(shù)的實時計算，包括衛(wèi)星星歷、星載原子鐘鐘差、電離層延遲改正數(shù)以及系統(tǒng)完好性信息，然后地面導(dǎo)航增強信息注入站NLES將EGNOS增強電文上行注入給GEO衛(wèi)星，最后由GEO衛(wèi)星將EGNOS增強信號透明轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，EGNOS系統(tǒng)運行示意圖如圖41所示。

EGNOS系統(tǒng)用3顆GEO衛(wèi)星覆蓋整個歐洲服務(wù)區(qū)，作為透明轉(zhuǎn)發(fā)器播發(fā)地面導(dǎo)航增強信息注入站NLES上注的增強信號。在一顆GEO衛(wèi)星鏈路出現(xiàn)失效時，EGNOS系統(tǒng)空間段還有兩顆GEO衛(wèi)星能夠正常工作，這種配置可以在整個服務(wù)區(qū)內(nèi)具有較高程度的冗余度。EGNOS系統(tǒng)的運行控制理念是確保在服務(wù)區(qū)內(nèi)任何位置都有兩顆GEO衛(wèi)星正常播發(fā)系統(tǒng)的增強信號。理論上，用戶只要接收到一顆GEO衛(wèi)星播發(fā)的系統(tǒng)增強信號，就能獲得EGNOS位置解（需要同時接收GPS或者GLONASS導(dǎo)航信號），在剩下的兩顆衛(wèi)星中有一顆意外服務(wù)中斷情況下，系統(tǒng)通過切換鏈路就可以確保系統(tǒng)的可靠性。

作為GPS系統(tǒng)在歐洲的星基增強系統(tǒng)SBAS，EGNOS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星在GPS系統(tǒng)的L1頻點（1575.42 MHz）播發(fā)增強信號，信號也是采用右旋圓極化（right-hand circular polarization，RHCP）方案。EGNOS系統(tǒng)播發(fā)每秒含有250bits信息的增強電文，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，增強電文數(shù)據(jù)流的信息速率是500symbol/second。增強電文再與1023-bit偽隨機測距碼模二和處理生成擴頻信號，然后利用二相移位鍵控技術(shù)（biphase shift-keyed，BPSK）將擴頻信號調(diào)制到L1載波信號上，信號碼速率1.023Megachips/second。EGNOS增強信號結(jié)構(gòu)符合ICAO SARPs制定的SBAS星基增強標準，詳見http://www.navipedia.net/index.php/EGNOS_Messages。

圖41 EGNOS系統(tǒng)運行示意圖

對于地面5°以上仰角的用戶，EGNOS系統(tǒng)增強信號的落地電平-161dBW～-153 dBW，在EGNOS系統(tǒng)開放式服務(wù)OS和生命安全服務(wù)SOL的接口控制文件中詳細定義了EGNOS系統(tǒng)增強信號結(jié)構(gòu)，詳見MOPS DO 229相關(guān)規(guī)定，包括載波頻率、調(diào)制方式、電文結(jié)構(gòu)、電文協(xié)議和內(nèi)容，增強信號的主要特征如下：

·載噪比（Carrier Phase Noise）: 10Hz單邊噪聲帶寬時，單載波信號的相位噪聲譜密度要使接收機鎖相環(huán)路能夠跟蹤到載波信號的精度是0.1弧度（rms）；

·信號頻譜（Signal Spectrum）: 利用GPS系統(tǒng)的L1頻點播發(fā)EGNOS系統(tǒng)增強信號，中心頻點1575.42MHz，信號帶寬2.2MHz，在中心頻點+/- 12MHz帶寬內(nèi)，信號功率不小于95%；

·多普勒頻移（Doppler Shift）: 在最壞情況下，穩(wěn)態(tài)用戶的多普勒頻移小于40m/s， 在L1頻點的多普勒頻移近似為210Hz ；

·載波頻率穩(wěn)定性（Carrier Frequency Stability）: 排除電離層延遲和多普勒頻移后，在用戶接收機天線的輸入端處的載波頻率短期穩(wěn)定性（Allan方差的平方根值）優(yōu)于5x10-11/1s～10s；

·極化方式（Polarization）: 右旋圓極化，軸比小于2 dB；

·相關(guān)損失（Correlation Loss）: 由于信號調(diào)制過程中的不理想或者轉(zhuǎn)發(fā)器濾波損失引起的相關(guān)損失小于1 dB；

EGNOS系統(tǒng)Inmarsat-III通信衛(wèi)星 (AOR-E和IOR-W)和ESA Artemis通信衛(wèi)星星載導(dǎo)航增強轉(zhuǎn)發(fā)器載荷的關(guān)鍵參數(shù)如表17所示，

地面段計算GPS和GLONASS衛(wèi)星精密的軌道、時鐘、電離層延遲差分改正數(shù)以及完好性誤差邊界，空間段3顆GEO衛(wèi)星作為冗余的增強信號播發(fā)通道，將地面段計算的增強信息透明轉(zhuǎn)發(fā)給地面段用戶。用戶利用EGNOS接收機計算當前的位置并獲取完好性信息。地面段同時還要完成系統(tǒng)性能分析、運行維護等任務(wù)。EGNOS系統(tǒng)依靠高精度的GPS接收機提供的系統(tǒng)1 PPS（one Pulse Per Second）同步秒脈沖實現(xiàn)內(nèi)部各個環(huán)節(jié)的時間同步任務(wù)，即EGNOS系統(tǒng)時間與GPST保持時間同步。

地面段對GPS、GLONASS、及EGNOSGEO信號的監(jiān)控（Monitoring and Control，M&C）工作由任務(wù)主控中心MCC的中心處理設(shè)備CPF實施，MCC由工作人員值守，并不是一個自動化系統(tǒng)，如果主控中心MCC工作異常，那么另一個熱備的主控中心MCC將立刻接管EGNOS系統(tǒng)信號監(jiān)控的任務(wù)，另外2個主控中心MCC處于冷備狀態(tài)，當主份和熱備主控中心MCC都出現(xiàn)問題后，2個冷備狀態(tài)的主控中心MCC則立即被激活。EGNOS系統(tǒng)是一個廣域分布的、冗余的系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流也具有不同程度的備份措施。

EGNOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分為信號處理環(huán)路（Processing cycle）和信號檢測環(huán)路（Check cycle），如圖42所示，信號處理環(huán)路通過地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的A通道接收GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號，同時給出偽碼和載波偽距觀測量以及系統(tǒng)完好性信息，并生成增強信號，圖中紅線表示系統(tǒng)信號處理環(huán)路的實時關(guān)鍵數(shù)據(jù)流；信號檢測環(huán)路通過地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的B、C通道接收GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號，將原始數(shù)據(jù)送到系統(tǒng)任務(wù)主控中心MCC的中心控制設(shè)備（Central Control Facility，CCF），獨立開展偽碼和載波偽距觀測量以及系統(tǒng)完好性信息的驗證和存檔工作，圖中綠線表示信號檢測環(huán)路數(shù)據(jù)流；兩個環(huán)路數(shù)據(jù)流閉環(huán)處理時間不超過6s，以滿足EGNOS系統(tǒng)完好性對告警時間的要求。

表17 星載導(dǎo)航增強轉(zhuǎn)發(fā)器載荷的關(guān)鍵參數(shù)

EGNOS系統(tǒng)信號處理環(huán)路完備地給出了GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號的差分改正數(shù)和系統(tǒng)的完好性信息，信號處理環(huán)路首先通過地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的A通道接收GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號，給出偽碼和載波偽距觀測量和與協(xié)調(diào)世界時UTCop的偏差。巴黎地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的監(jiān)測接收機時鐘與協(xié)調(diào)世界時UTCop保持同步，用于計算任務(wù)主控中心MCC中心處理設(shè)備CPF的EGNOS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間（EGNOS Network Time，ENT）與協(xié)調(diào)世界時UTC的偏差，ENT與UTC的時間偏差信息則通過增強電文MT12播發(fā)給用戶，用戶可以據(jù)此溯源UTC時間。

然后這些數(shù)據(jù)被送到任務(wù)主控中心MCC的中心處理設(shè)備CPF，生成差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性信息，具體處理流程分為四步，一是數(shù)據(jù)預(yù)處理和有效性驗證，包括剔除電離層和對流層延遲等系統(tǒng)誤差量，監(jiān)測并剔除載波相位周跳觀測量，數(shù)據(jù)平滑處理以減少隨機噪聲，濾除殘余多徑干擾信號分量；二是計算EGNOS增強數(shù)據(jù)，包括GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星星歷和時鐘差分改正數(shù)、各網(wǎng)點電離層延遲改正數(shù)、用戶差分測距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE殘余誤差估計及其差分改正數(shù)據(jù)；三是系統(tǒng)內(nèi)部增強數(shù)據(jù)檢查和質(zhì)量估計，包括衛(wèi)星完好性評估、應(yīng)用差分改正后用戶差分測距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE殘余誤差估計的一致性、中心處理設(shè)備CPF以服務(wù)質(zhì)量標識形式反映結(jié)果的一致性，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量標識，地面導(dǎo)航增強信息注入站NLES可以選擇主用中心處理設(shè)備CPF的數(shù)據(jù)；四是根據(jù)ICAO SBAS標準生成格式化的增強電文，并確定增強電文的最優(yōu)播發(fā)順序。EGNOS系統(tǒng)信號處理環(huán)路實時關(guān)鍵數(shù)據(jù)流如圖43所示，

任務(wù)主控中心MCC的中心處理設(shè)備CPF的核心是一套復(fù)雜的系統(tǒng)完好性算法及其軟件，決定了EGNOS系統(tǒng)的性能，其中對于用戶差分測距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE的計算是至關(guān)重要的，它們的誤差邊界確定了系統(tǒng)完好性，算法同時會影響系統(tǒng)的連續(xù)性和可用性指標評估結(jié)果。CPF將生成并核對后的EGNOS電文通過系統(tǒng)廣域通信網(wǎng)絡(luò)EWAN送到地面導(dǎo)航增強信息注入站NLES，將EGNOS電文上行注入給系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星，由衛(wèi)星播發(fā)給用戶。

圖42 EGNOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

圖43 EGNOS系統(tǒng)信號處理環(huán)路的實時關(guān)鍵數(shù)據(jù)流

EGNOS系統(tǒng)信號檢測環(huán)路完備地通過地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS的B、C通道接收GPS/GLONASS/EGNOS-GEO衛(wèi)星信號，在任務(wù)主控中心MCC的中心處理設(shè)備CPF生成EGNOS電文之前以及GEO衛(wèi)星將其播發(fā)給用戶之后，任務(wù)主控中心MCC的中心控制設(shè)備CCF獨立開展系統(tǒng)完好性的驗證工作，CCF同時開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計試驗，以驗證差分改正數(shù)及其相應(yīng)殘余誤差的可靠性。

對于用戶等效測距誤差（User Equivalent Range Error，UERE）和用戶差分測距誤差（User Differential Range Error，UDRE）來說，由多個地面測距和完好性監(jiān)測站RIMS同時觀測一顆衛(wèi)星，然后開展偽距觀測誤差數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析工作，獲得用戶等效測距誤差UERE及其殘余誤差——用戶差分測距誤差UDRE。中心處理設(shè)備CPF計算的差分改正數(shù)及其殘余誤差與中心控制設(shè)備CCF獨立計算的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行比對，當兩者計算結(jié)果偏離較大時，系統(tǒng)給出完好性告警標識“not monitored”。對于格網(wǎng)電離層垂直誤差（Grid Ionospheric Vertical Delay，GIVD）和格網(wǎng)電離層垂直誤差（Grid Ionospheric Vertical Error，GIVE），中心處理設(shè)備CPF計算的差分改正數(shù)及其殘余誤差同樣也要和中心控制設(shè)備CCF獨立計算的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行比對，當兩者計算結(jié)果偏離較大時，系統(tǒng)也給出完好性告警標識“not monitored”。

對于衛(wèi)星信號和電離層格網(wǎng)點延遲對應(yīng)的用戶差分測距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE兩部分數(shù)據(jù)，EGNOS系統(tǒng)完好性有“可用”和“不可用”兩種級別的標示，UDRE和GIVE表征系統(tǒng)采用WAD廣域差分修正后，衛(wèi)星信號和電離層格網(wǎng)點延遲殘余誤差的統(tǒng)計估計值。在用戶位置計算結(jié)果完好性評估中，UDRE和GIVE用于計算誤差邊界。快變和慢變WAD廣域差分修正關(guān)系建立了不同誤差源的時間差分改正模型，快變WAD廣域差分修正模型表征了衛(wèi)星星歷和星載時鐘誤差等快速誤差變化量的改正關(guān)系，慢變WAD廣域差分修正模型表征了衛(wèi)星星歷和星載時鐘漂移等長期誤差變化量的改正關(guān)系，電離層延遲改正量在預(yù)先定義的各網(wǎng)點上給出改正數(shù)據(jù)。

EGNOS系統(tǒng)接收機研制商采用標準、開放的數(shù)據(jù)格式，主要包括NMEA, RTCM, NTRIP,SiSNET和RINEX。EGNOS系統(tǒng)增強信號的載波頻率與GPS系統(tǒng)L1頻點（1575.42MHz）一致，采用GPS系統(tǒng)的測距碼，但是增強電文的數(shù)據(jù)格式不同，目前定義了16個不同的電文類型以廣播系統(tǒng)完好性數(shù)據(jù)和廣域差分改正數(shù)，電文每6s更新一次。對于生命安全（Safetyof-Life，SoL）服務(wù)，EGNOS系統(tǒng)接收機需要滿足當前民用航空星基增強SBAS等已經(jīng)認證的標準，例如，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，星基增強SBAS設(shè)備需要完全滿足RTCA TSO(C190, C145b, C146b)標準，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。目前研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航星基增強SBAS設(shè)備的主要公司有GARMIN、Honeywell、Rockwell Collins及General Avionics。SATNET