卫星导航差分系统和增强系统（八）

+ 刘天雄

3.3 星基增强系统

目前，GPS和GLONASS等卫星导航系统的精度、完好性、连续性及可用性四个方面都不能满足民用航空对导航服务的性能需求，特别是基本导航系统的实时完好性监测能力完全不能满足民用航空导航生命安全性要求。以GPS为例，从精度方面看，GPS单点定位精度只有15～25m，这种精度能满足到非精密进近阶段的要求（220m），但不能满足精密进近要求。GPS本身具备一定程度的完好性监测能力，但告警时间太长，通常需要一个小时，也不能满足民航6秒告警的要求。从连续性和可用性方面看，GPS虽然能保证所有地区能有4颗以上可视卫星，但卫星几何结构仍然存在较差情况，如果加上完好性要求，其可用性会更差。因此，为了满足民航对卫星导航系统导航服务的安全性要求，必须要克服上述缺陷，而建立卫星导航的增强系统无疑是解决这一问题的有效途径之一，即通过给卫星导航系统打“补丁”的方式来提升卫星导航系统的导航定位性能。

星基增强系统（SBAS）对民用航空用户的安全性至关重要。SBAS一般通过几颗地球静止轨道卫星（GEO）广播增强信号，为用户提供测距、差分修正和完好性信息，能够支持广域或者区域的导航增强服务。SBAS的主要目标是为民用航空导航服务提供完好性保证，同时提高导航系统定位精度。SBAS通过多个位置确定的地面参考站监测卫星导航信号，同时监测电离层和对流层等空间天气对导航信号传播时延的影响，生成导航信号的差分改正数和系统完好性信息，再由卫星透明转发给用户。

目前世界上具备服务能力的SBAS有美国广域增强系统WAAS（Wide Area Augmentation System），欧洲的地球静止轨道卫星导航中继服务系统EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），日本的基于准天顶导航系统QZSS（Quasi-Zenith Satellite System）和多功能卫星增强系统MSAS（Multi Satellite Augmentation System）基础的多功能运输卫星系统MTSAT（Multi-functional Transport Satellite），以及印度的GPS和GEO地球静止轨道卫星增强导航系统GAGAN（GPS And Geo-Augmented Navigation）。这些SBAS基本都是对美国GPS系统进行增强，播发L1、L5频点增强信号，SBAS系统服务覆盖区域如图21所示。

美国WAAS、欧洲EGNOS、日本MSAS和印度GAGAN已经通过当地民航机构认证，各SBAS的认证及应用情况如表9所示。为了实现SBAS服务的全球无缝链接，目前各个SBAS成员国通过SBAS IWG国际多边协调平台，共同商讨制定双频多系统（DFMC）星基增强服务标准。

表9 SBAS认证及应用情况

图21 对美国GPS进行增强的SBAS系统

图22 SBAS组成

从表9星基增强系统认证及应用情况可以看出，美国WAAS系统、欧洲EGNOS系统、日本MSAS系统已被国际民航广泛应用。目前俄罗斯正在开展差分校正与监视系统（System of Differential Correction and Monitoring，SDCM）建设，对GLONASS系统开展星基增强服务，日本MSAS、印度GAGAN及未来韩国的KASS等多个SBAS将在在亚太地区形成高密度覆盖趋势。3.3.1 工作原理

SBAS由空间段、地面控制段、运行维护段和用户段四部分组成，如图22所示，空间段一般由地球静止轨道卫星组成，播发与卫星导航信号类似的增强信号；地面控制段由监测站网络、数据处理中心、GEO卫星控制中心、SBAS系统通信网络组成，生成导航增强信息，其中GEO卫星控制中心根据数据处理中心计算得到增强电文，SBAS系统通信网络的任务是建立SBAS地面段各个环节的通信链路；运行维护段对SBAS系统的正常运行和维护提供技术支持，负责系统配置管控、系统性能评估、系统维护、系统研发和系统救援等工作；用户段包括能够同时接收SBAS/GNSS信号的终端。

SBAS空间段的地球静止轨道卫星负责在系统服务区播发增强信号，卫星一般是利用通信卫星转发器通道配置SBAS导航增强载荷，用C频段接收地面站上行注入的导航增强信息，利用L频段将地面控制段生成的导航增强信息透明转发给用户。为了消除电离层和对流层对增强信号延迟的影响，新一代SBAS导航增强转发器除了配置L1/L5双频转发器，还将配置C频段下行链路，同时进一步增加下行信号带宽，并将当前的透明转发器改为星上处理转发器。

SBAS地面任务段的主要任务是生成导航增强电文数据，同时将导航增强电文数据上注给空间段的地球静止轨道卫星。地面任务段的监测站网络在精密测绘的地点配置多套高精度双频导航监测接收机，要求监测站的地理精度1～3cm(ITRF)；配置高精度、高稳定度的地面原子钟；能够接收视界范围内所有的导航信号及自身地球静止轨道卫星播发的信号，开展导航信号质量评估，同时监测监测站所在区域电离层延迟的影响；导航信号数据采集频率为1Hz，完成数据质量检查同时剔除误异常数据，能够在毫秒量级完成导航信号处理；为了避免单点失效问题，一般采用同一监测站的多套接收机观测数据并行开展差分改正数和完好性信息计算。地面任务段的数据处理中心是星基增强系统SBAS的核心单元，需要有精确的卫星轨道确定模型（能够区分轨道要素和钟差），确定SBAS系统参考时间和星载时钟偏差修正的精度要优于2ns，开展实时电离层延迟估计过程中能够识别局部的和快速变化的空间天气影响，可以根据规定的性能要求在一定区域范围内估算系统完好性。根据监测站网络接收的原始数据，估算导航信号差分改正数、电离层延迟改正数和方差项，计算系统完好性信息，根据ICAO SBAS标准，生成导航增强电文。地面控制段的SBAS系统通信网络利用具有高标准、高可靠、宽带宽、高冗余、大数据交换能力的通信链路，配置满足系统通信安全要求的通信网络设备，建立SBAS地面任务段各个环节的双向通信链路。

地面控制段的GEO卫星控制中心的主要功能是将数据处理中心生成的导航增强数据进行扩频处理，然后将扩频信号调制到载波信号中；实现生成的增强信号与星基增强系统SBAS时间的同步；保证增强信号中载波与伪码分量的时间同步（相干）；通过接收星基增强系统SBAS下行增强信号，进一步对上行注入信号开展闭环管理。

星基增强系统运行维护段负责SBAS的运行维护，对SBAS设计、研发、运行与验证阶段的工作提供技术支持，对系统服务性能和用户容量进行仿真，对系统应用进行验证，对增强算法的可靠性进行验证，在线核查系统精度、完好性、连续性和可用性是否满足要求，实时监测系统工作状态，收集整理系统故障和异常情况，预测系统期望的工作性能指标并当性能劣化时给出告警信息，对系统运行进行维护和救援，开展系统应用验证相关工作，对系统内部产生的增强数据以及外部接收卫星星历、星载误差以及电离层延迟等的数据进行存档。

用户段不受SBAS系统服务提供商的控制，完全由SBAS系统应用市场驱动。SBAS系统服务提供商一般提供开放服务、生命安全服务以及商业服务三种类型的业务，可以满足不同用户群体的应用需求。对于生命安全服务，SBAS机载终端需要满足ICAO民用航空SBAS相关标准，机载设备需要完全满足RTCA SBAS MOPS DO-229标准，接收机天线设计需要完全满足RTCA SBAS MOPS 228和301标准、RTCA TSO (C190, C145b, C146b)标准，此外，还应满足飞行管理系统（Flight Management Systems，FMS）等其他航空综合电子设备要求。

3.3.2 实现方案

SBAS由大量均匀分布的位置确定的监测站或参考站网络对导航信号进行连续监测，将伪距的载波相位等原始观测数据传送到数据处理中心。然后，数据处理中心根据这些观测数据对空间信号中的各种误差进行分类和建模，计算得到对应的差分改正数，包括卫星轨道、星钟误差以及电离层延迟误差，同时计算系统的完好性信息，将这些增强信息通过上行注入站上行注入给GEO卫星，最后，由GEO卫星将差分改正数和完好性信息以导航增强电文的形式播发给用户，用户接收机接收到改正数后即可对测距误差进行修正并根据其中的完好性信息决定系统当前是否可用。同时，GEO卫星本身也向用户播发测距信号，在增加了测距信号源的同时改善了卫星的几何结构，以此提高系统的可用性和连续性。星基增强系统SBAS信息流如图23所示。

图23 星基增强系统SBAS信息流

图24 SBAS将电离层分割成许多网格

为了适应民用航空的导航需求，SBAS需要在精度、完好性、连续性和实时性四个方面对卫星导航系统系统进行增强。SBAS采用的是差分技术提高精度，采用完好性监测技术改善系统完好性。对连续性和实时性的增强是通过附加测距信号的方式。以美国的WAAS系统为例，GEO卫星在广播广域差分改正参数及完好性信息的同时，也播发L1的测距信号，使GEO卫星也可以参与定位，从而改善了GPS系统的GDOP值，进而可以有效地提高系统的连续性和实时性。

卫星导航系统提供航空导航服务，完好性保证能力是用户最为关注的性能，因为飞行安全对于用户来说是最为关键的。结合广域差分和完好性通道（IC）检测技术，地面参考站可以同时得到卫星导航系统的完好性和各类误差改正数。SBAS的完好性检测不仅要对GNSS状况进行检测，还要对广域差分改正数的完好性进行检测，作为测距源的同步卫星的状况及其误差改正的完好性也需要被检测。

SBAS系统主要提供测距、广域差分校正、GNSS完好性监测三类服务，三类信息均通过GEO卫星广播给用户，使用户改善导航的精度、完好性、连续性和可用性。SBAS系统的测距功能是通过GEO卫星发射类GPS信号实现的，所有处于GEO覆盖区域内的用户均可以利用接收到的类GPS信号测距，使得定位的精度和可用性得到提高。卫星导航系统的误差源主要有星历误差、星钟误差、电离层与对流层误差、多径效应及接收机误差。其中对流层延迟是局部现象，可以通过用户接收机中的补偿模型来减弱。多路径效应和接收机热噪声误差，SBAS则没有办法去消除。星历误差、电离层误差延迟为空间去相关的，星钟误差则是时间去相关的。此外，用户一般离监测站较远，因此，SBAS发布矢量星历误差校正，同时还要将星历误差校正的变化率并播发给用户。有了卫星的精确星历，就可以精确确定卫星的时间与GPS系统时间之间的偏差，并将其发布给用户。

在GPS的SA关闭之后，电离层延迟实际就成了导航信号测量的最大误差源。电离层延迟随着时间和地点而变化。因此，SBA采用电离层网格校正技术，将电离层分割成许多网格，为各个较小的区域分别提供近乎实时的电离层模型，使用户有效校正电离层延迟。SBAS将电离层描述为地球上方350km处的球面壳层，壳层上定义了相应的经线和纬线，不同的经纬度就构成了网格，如图24所示，系统广播每一个网格中4个网格点（IGP）的垂直电离层延迟，用户利用网格内插法便可获得非常精确的电离层延迟。