+ 劉天雄

3.4.3 日本多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS）

多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS）是GPS在日本的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，目的是提高GPS的精度、完好性和可用性。利用日本多功能交通衛(wèi)星（Multifunctional Transport Satellites，MTSAT）播發(fā)GPS的差分改正數(shù)和完好性信息。MSAS由日本民航局(Japanese Civil Aviation Bureau)負(fù)責(zé)建設(shè)，1996年，日本啟動(dòng)MSAS建設(shè)，合同承包商是阿爾卡特（Alcatel）、東芝（Toshiba）和三菱（Mitsubishi）公司，2007年9月27日，MSAS宣布開始運(yùn)行，為民航飛機(jī)航路和非精密進(jìn)近提供水平引導(dǎo)服務(wù)，此外，MSAS還為日本飛行區(qū)的飛機(jī)提供全程氣象和天氣數(shù)據(jù)信息服務(wù)。

MSAS由地面段、空間段、用戶段三部分組成，系統(tǒng)組成如圖51所示，地面參考站網(wǎng)絡(luò)接收并處理GPS信號(hào)，生成SBAS電文并上注給GEO衛(wèi)星，再由衛(wèi)星將SBAS增強(qiáng)信號(hào)透明轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，用戶根據(jù)SBAS電文修正位置解算結(jié)果，同時(shí)獲取系統(tǒng)完好性告警信息。地面段由4個(gè)分別位于日本Sapporo、Tokyo、Fukuoka、Naha的地面監(jiān)測(cè)站（Ground Monitor Station，GMS）、2個(gè)分別位于Kobe和Hitachiota的主控站（Master Control Station，MCS），以及2個(gè)分別位于夏威夷和澳大利亞的監(jiān)測(cè)及測(cè)距站（Monitor and Ranging Station，MRS）組成。

MSAS地面段地面監(jiān)測(cè)站GMS負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)GPS和MTSAT衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，主控站MCS根據(jù)地面監(jiān)測(cè)站GMS監(jiān)測(cè)的信號(hào)，進(jìn)一步計(jì)算GPS信號(hào)的差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性等級(jí)，將增強(qiáng)電文上注給衛(wèi)星，監(jiān)測(cè)及測(cè)距站MRS的主要任務(wù)有兩方面，一是監(jiān)測(cè)GPS和MTSAT衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，二是修正MSAS的GEO衛(wèi)星軌道參數(shù)，精密確定衛(wèi)星的星歷。

圖51 日本MSAS多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)組成

MSAS空間段由兩顆位于地球同步靜止軌道（GEO）的MTSAT多功能交通衛(wèi)星組成，配置的導(dǎo)航載荷模塊透明轉(zhuǎn)發(fā)主控站MCS生成的差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性增強(qiáng)電文。2005年2月26日，由美國(guó)Loral空間系統(tǒng)公司研制的MTSAT-1R衛(wèi)星發(fā)射入軌，也稱為Himawari 6衛(wèi)星，衛(wèi)星定點(diǎn)于140°E，GPS分配的測(cè)距碼編號(hào)是PRN129，美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（National Electrical Manufactureers Association，NEMA）編號(hào)NEMA42。2006年2月18日，由日本Mitsubishi公司研制的MTSAT-2衛(wèi)星發(fā)射入軌，也稱為Himawari 7衛(wèi)星，衛(wèi)星定點(diǎn)于145°E，GPS分配的測(cè)距碼編號(hào)是PRN137，美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)編號(hào)NEMA50。兩顆衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命均是5年，Kobe和Hitachiota的主控站（MCS）分別控制這兩顆衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)，衛(wèi)星利用GPS L1頻點(diǎn)廣播MSAS增強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)播發(fā)Ku波段高速的通信信息和氣象數(shù)據(jù)。

MSAS用戶段是能夠接收GPS信號(hào)和MSAS增強(qiáng)信號(hào)的SBAS接收機(jī)，利用GPS信號(hào)確定用戶的位置和時(shí)間信息，利用MSAS增強(qiáng)信號(hào)獲得GPS信號(hào)的差分改正數(shù)據(jù)以進(jìn)一步提高定位精度，同時(shí)獲得GPS的完好性告警信息。機(jī)載設(shè)備需要完全滿足航空無線電技術(shù)委員會(huì)RTCA定義的最小操控性能標(biāo)準(zhǔn)MOPS要求，需要滿足RTCA SBAS MOPS DO-229標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

MSAS通過GEO播發(fā)GPS系統(tǒng)測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航增強(qiáng)信息，覆蓋范圍為日本所有飛行服務(wù)區(qū)，MSAS服務(wù)范圍如圖52所示，系統(tǒng)能夠滿足國(guó)際民航組織（ICAO）對(duì)非精密進(jìn)近階段（NPA）和I類垂直引導(dǎo)進(jìn)近（APV-I）階段的服務(wù)要求。

MSAS增強(qiáng)信號(hào)結(jié)構(gòu)符合ICAO SARPs制定的SBAS星基增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，包括載波頻率、帶寬、數(shù)據(jù)速率、信號(hào)輕度等內(nèi)容，其中中心頻點(diǎn)（Frequency）：L1 = 1575.42MHz；信號(hào)帶寬（Bandwidth）: L1 ±2.2 MHz band；數(shù)據(jù)速率（Data Rate）：原始導(dǎo)航增強(qiáng)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(qiáng)電文的信速速率250 bits，符號(hào)率息500 symbols per Second；信號(hào)強(qiáng)度：對(duì)于地面5°以上仰角的用戶，系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)的落地電平>-161 dBW。詳見ICAO Standards and Recommended Practices, Annex 10,Volume 1 Radio Navigation Aids, July 2006。

2007年9月27日，MSAS正式為民航用戶提供服務(wù)，有4個(gè)特點(diǎn)，一是向民航飛機(jī)航路（En-route）到非精密進(jìn)近（Non Precision Approach，NPA）提供水平引導(dǎo)服務(wù)，二是向亞洲和太平洋地區(qū)用戶提供7×24小時(shí)的全天候?qū)Ш椒?wù)，三是服務(wù)區(qū)覆蓋日本Fukuoka飛行信息區(qū)（Flight Information Region），四是通過NOTAM（notice to airmen）航空通信代碼將MSAS增強(qiáng)信息播發(fā)給民航用戶。MSAS啟用后有效地提高了日本航空運(yùn)輸?shù)陌踩c效率，MSAS飛行程序?qū)嵤┎季秩鐖D53所示，

MSAS通過兩顆GEO衛(wèi)星播發(fā)GPS測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航增強(qiáng)信息，覆蓋范圍為日本所有飛行服務(wù)區(qū)，系統(tǒng)性能也是由定位精度、系統(tǒng)完好性、可用性和連續(xù)性來表征，MSAS系統(tǒng)為航空用戶提供飛機(jī)航路到非精密進(jìn)近NPA提供水平引導(dǎo)服務(wù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況如表20所示，

MSAS計(jì)劃升級(jí)完好性監(jiān)測(cè)算法，引入GMS通信網(wǎng)絡(luò)信息，滿足國(guó)際民航組織ICAO規(guī)定的帶垂直引導(dǎo)的水平進(jìn)近LPV-200要求，此外，計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展L1頻點(diǎn)的帶寬，播發(fā)L5頻點(diǎn)的增強(qiáng)信號(hào)，以支持不同SBAS和多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)之間的雙頻多系統(tǒng)兼容互操作業(yè)務(wù)。

圖52 MSAS覆蓋和服務(wù)區(qū)

圖53 MSAS飛行程序?qū)嵤┎季?/p>

表20 MSAS為航空用戶提供導(dǎo)航非精密進(jìn)近指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況

3.4.4 印度GPS輔助地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)（GAGAN）

GPS輔助地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)（GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN）是印度政府建設(shè)的GPS星基增強(qiáng)系統(tǒng)，2001年8月，印度機(jī)場(chǎng)管理局（Airports Authority of India，AAI）和印度空間研究組織（Indian Space Research Organization，ISRO）達(dá)成協(xié)議共同建設(shè)GAGAN系統(tǒng)，GAGAN建設(shè)分為技術(shù)演示驗(yàn)證（Technology Demonstration System，TDS）、初始試驗(yàn)階段（Initial Experimental Phase，IEP）和最終運(yùn)行階段（Final Operational Phase，F(xiàn)OP）三個(gè)階段。

2007年8月，印度空間研究組織（ISRO）利用INMARSAT 4F1通信衛(wèi)星的導(dǎo)航載荷模塊完成了GAGAN系統(tǒng)技術(shù)演示驗(yàn)證試驗(yàn)，2009年成了GAGAN系統(tǒng)初始試驗(yàn)階段的工作，2009年，美國(guó)Raytheon公司獲得ISRO合同，負(fù)責(zé)建設(shè)GAGAN系統(tǒng)的地面段部分設(shè)施。2011年5月和2012年9月，印度利用歐洲Ariane-V運(yùn)載火箭在法屬Guiana Kourou發(fā)射場(chǎng)分別成功發(fā)射了兩顆搭載GAGAN系統(tǒng)SBAS載荷的GSAT-8衛(wèi)星和GSAT-10衛(wèi)星，2013年6月，GAGAN系統(tǒng)完成了GPS導(dǎo)航增強(qiáng)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性測(cè)試，印度民航總局（Director General of Civil Aviation，DGCA）組織專家對(duì)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果開展了評(píng)估工作。

GAGAN系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成，系統(tǒng)組成如圖54所示，空間段由3顆位于印度洋上空的GEO衛(wèi)星構(gòu)成，能夠播發(fā)L1和L5兩個(gè)頻點(diǎn)的增強(qiáng)信號(hào)；地面段由15個(gè)參考基準(zhǔn)站（Indian Reference Station，INRES）、2個(gè)主控站（Indian Master Control Centre，INMCC）、3個(gè)地面上行鏈路站（Indian Land Uplink Station，INLUS）以及2個(gè)運(yùn)行開展中心（operational Control Centre，OCC）。

GAGAN系統(tǒng)參考基準(zhǔn)站INRES負(fù)責(zé)接收和處理GPS信號(hào)并將偽距觀測(cè)結(jié)果送到主控站INMCC，主控站INMCC負(fù)責(zé)計(jì)算差分改正數(shù)并評(píng)估GPS系統(tǒng)的完好性等級(jí)，同時(shí)生成GAGAN系統(tǒng)增強(qiáng)電文，再由地面上行鏈路站INLUS將GAGAN增強(qiáng)電文上行注入給空間段GEO衛(wèi)星。用戶段由GAGAN接收機(jī)組成，與WAAS系統(tǒng)接收機(jī)類似，可以同時(shí)接收GPS信號(hào)和GAGAN增強(qiáng)信號(hào)，機(jī)載用戶設(shè)備可以滿足民用航空SBAS標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖54 印度GPS和地球靜止軌道衛(wèi)星增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)組成

圖55 GAGAN系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域

兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星分別是GSAT-8（PRN-127）和GSAT-10（PRN-128），衛(wèi)星上行鏈路采用C波段接收導(dǎo)航電文，衛(wèi)星下行鏈路采用L波段播發(fā)增強(qiáng)信號(hào)，頻點(diǎn)與GPS的L1（1575.42MHz）和L5（1176.45 MHz）完全相同，信號(hào)包括測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航增強(qiáng)信息，GAGAN系統(tǒng)增強(qiáng)電文數(shù)據(jù)格式符合國(guó)際民航組織ICAO SARPS附件B相關(guān)規(guī)定，機(jī)載增強(qiáng)接收設(shè)備符合RTCA MOPS DO-229D相關(guān)規(guī)定，詳見The EGNOS SBAS Message Format Explained相關(guān)說明。

GAGAN系統(tǒng)的運(yùn)行性能目標(biāo)是在印度飛行信息區(qū)（Flight Information Region，F(xiàn)IR）滿足航路導(dǎo)航性能RNP 0.1要求，在印度本土陸地飛行信息區(qū)滿足二類垂直引導(dǎo)進(jìn)近APV-II導(dǎo)航性能要求。2013年12月30日，印度民航總局DGCA評(píng)估確認(rèn)GAGAN系統(tǒng)的性能滿足航路導(dǎo)航性能RNP 0.1要求，這意味著裝備GAGAN系統(tǒng)機(jī)載增強(qiáng)接收設(shè)備的飛機(jī)，在印度領(lǐng)空可以依靠GAGAN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航路導(dǎo)航和沒有垂直引導(dǎo)的非精密進(jìn)近操作。GAGAN系統(tǒng)可靠的填補(bǔ)了歐洲EGNOS和日本MSAS星基增強(qiáng)服務(wù)區(qū)之間的間隙。GAGAN系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域如圖55所示，

GAGAN于2015年4月21日正式提供APV-I服務(wù)，在印度民航局AAI的在其民用航空草案中明確規(guī)定2017年4月1日以后在印度民航局AAI注冊(cè)的飛機(jī)必須安裝GAGAN設(shè)備。GAGAN系統(tǒng)提供APV-1和LPV200民航飛機(jī)進(jìn)近服務(wù)區(qū)域及系統(tǒng)可用性水平如圖56所示，

表21 3顆GEO軌道Luch通信衛(wèi)星信息

3.4.5 俄羅斯差分校正與監(jiān)視系統(tǒng)（SDCM）

俄羅斯聯(lián)邦空間局研制了差分校正和監(jiān)視系統(tǒng)（System for Differential Corrections and Monitoring，SDCM），系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖57所示，空間段包括3顆GEO衛(wèi)星；地面段主要由參考站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心、上行注入站和地面廣播網(wǎng)絡(luò)組成，其中參考站網(wǎng)絡(luò)由分布于俄羅斯境內(nèi)的19個(gè)地面監(jiān)測(cè)站和5個(gè)境外參考站組成，數(shù)據(jù)處理中心及其備份設(shè)施位于莫斯科，SDCM系統(tǒng)除了依靠3顆GEO衛(wèi)星播發(fā)增強(qiáng)電文外，還通過互聯(lián)網(wǎng)（SISNeT服務(wù)器）、GSM蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)（NTRIP服務(wù)器）向用戶實(shí)時(shí)提供GLONASS、GPS的差分改正數(shù)以及系統(tǒng)的完好性信息。

SDCM是俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，SDCM系統(tǒng)工作原理與WAAS類似，能夠監(jiān)測(cè)GLONASS和GPS導(dǎo)航信號(hào)，對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行1Hz的觀測(cè)采樣，由數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算GLONASS和GPS系統(tǒng)的差分改正數(shù)和系統(tǒng)的完好性信息.

SDCM系統(tǒng)利用Luch多功能空間中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的3顆GEO地球靜止軌道通信衛(wèi)星搭載差分校正和監(jiān)視系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器載荷，播發(fā)差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)俄羅斯服務(wù)區(qū)的覆蓋Loutch衛(wèi)星由位于克拉斯諾亞爾斯克的列舍特涅夫研究與產(chǎn)品中心研制，3顆GEO軌道Luch通信衛(wèi)星的信息如表21所示，

S D C M系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是監(jiān)測(cè)GLONASS和GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性、提供GLONASS系統(tǒng)的差分改正數(shù)、評(píng)估GLONASS系統(tǒng)的性能。實(shí)測(cè)表明，SDCM系統(tǒng)的可以大幅度提高GLONASS系統(tǒng)的定位精度，水平定位精度可達(dá)1～1.5米，垂直定位精度可達(dá)2～3米，參考站附近（200千米范圍內(nèi)）的實(shí)時(shí)定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。詳見http://sdcm.rniikp.ru相關(guān)說明。（全篇完）SATNET