卫星导航差分系统和增强系统（九）

+ 刘天雄

配备双频接收机的测距与完好性监视站（RIMS）测量可见星（仰角大于15°）的电离层延迟数据，获得的电离层延迟再转换为对应电离层穿透点（IPP）的垂直延迟。所有RIMS站得到的垂直延迟送入主控中心（MCC），用于计算某一网格的4个网格点（IGP）的垂直电离层延迟。计算电离层延迟改正数的算法有很多，例如，对于第k个IGP，MCC在计算垂直电离层延迟时，首先以第k个IGP为圆心，以R（一般为1000km）为半径画圆，使用处于圆内的电离层延迟采用距离倒数加权法计算该IGP的垂直电离层延迟。主控站获得这些电离层校正数据经导航注入站注入GEO卫星，由卫星将校正数据播发给服务区内的用户。

SBAS能够测量出对流层的温度、压力和相对湿度等，因为这些量的空间相关距离很短，所以由MCC估算出该延迟发给用户没有太大意义。SBAS电文不含对流层校正值，延迟补偿模型需要设置在接收机内，一般可以消除90%的对流层延迟。

SBAS通过对各类改正数误差的确定及验证来完成对广域差分改正数完好性的监测，广域差分改正数包括卫星星历改正、卫星钟差改正和电离层网格垂直延迟改正。卫星星历改正和卫星星钟改正都是与卫星有关的误差改正，这两种改正数相应的误差综合给出，以用户差分距离误差（User Differential Range Error，UDRE）表示。电离层网格垂直延迟改正相应的误差以GIVE表示。

用户差分距离误差（UDRE）指由经差分修正后的空间信号误差引起的用户误差。因此它是经星历误差修正和卫星钟差修正后的真实用户级误差。考虑完好性的概率要求，UDRE可以定义为在系统服务区内，可视卫星星历及钟差改正数误差相应的伪距误差的置信限值。设置信度为99.9%，则有：

计算UDRE应考虑：

· 直接计算：UDRE计算应直接基于接收到的轨道及钟差误差影响的伪距观测量，能够使用户得到更加严格的完好性保证，对系统所受到的异常影响会尽快做出反应；

· 置信度限制的完好性：UDRE应对系统服务区内的所有位置，以99.9%的置信度给出卫星轨道及钟差改正误差的置信限值；

· 告警时间：UDRE要能尽快对异常影响做出反应，且要尽快通过同步卫星广播给用户，处理及播发的总时间不应超过系统规定的6s告警时间；

· 定位可用性：UDRE越小，可用性越高。用户对UDRE的可用性有严格规定。

SBAS在广播电离层网格点IGP延迟改正数时，还应广播这些改正数对应的误差信息。这种误差信息定义为格网电离层垂直改正误差(Grid Ionospheric Vertical Error，GIVE)。GIVE是网格点经过电离层改正后的真实用户级误差。根据完好性需求，按99.9%的置信度给定。对于时刻的网格点延迟改正数将要应用的后一个更新间隔内的任意时间，应以99.9%的置信度保证与实际是一致的。

用户电离层垂直改正误差（UIVE）是用户视线穿透点处基于格网点延迟改正值计算得到的垂直延迟值与真实值之间差值的置信限制。已知GIVE值，则可内插计算格网点包围范围内的用户穿透点的UIVE，UIVE与GIVE有同样的置信度99.9%。GIVE和UIVE的计算必需满足完好性、告警时间及精度要求。

· 完好性是指由GIVE得到的UIVE必须以99.9%的置信度限定用户电离层改正误差；

· 告警时间是指对电离层异常的处理，必须在规定时间内到达用户；

· 精度需求来自全面的系统精度需求，包括垂直及水平定位精度和定位保护限值需求。

GIVE和UIVE既要能确实反映所受的误差影响，以保证为服务区内的所有用户提供安全，并能对电离层异常影响及时作出反应；又要不能估计得太大，以保证连续性、可用性。不同导航用户，定位误差都有最大限值规定，而定位误差基于GIVE和UIVE得到，因此，GIVE和UIVE也必须在规定的门限以下。

国际民航组织ICAO GNSSP SARPs相关文件定义完好性为SBAS系统提供增强信息正确性可信任程度的度量措施，这种完好性度量措施还应具备当系统不可用时能够给用户及时有效提供告警的能力。完好性包括水平保护门限HPL和垂直保护门限VPL以及给用户告警的时间。完好性风险（integrity risk），定义为在给定服务时间期间，信号误差超出规定的容差时而没有给用户告警的概率。

图25 HMI、MI和系统不可用的关系

SBAS的增强电文数据格式需要满足国际民航组织ICAO SARPs附录B有关空间导航信号的规定，详见The EGNOS SBAS Message Format Explained相关说明，同时机载SBAS设备最低性能要求需要完全满足RTCA MOPS DO-229标准。GEO卫星播发的导航增强信号与GPS系统的民用L1(1574.42 MHz)信号类似，调制C/A测距码，SBAS系统L1(1574.42 MHz)信号特征如表10所示，采用卷积编码，编码方案如表11所示，

GEO卫星播发的导航增强信号包含测距信号、差分修正改正数以及完好性信息，其中测距信号的伪随机测距码与在基本导航系统伪随机测距码的码族中选择；播发的增强信号与基本导航信号类似，差分修正改正数包括基本导航系统卫星的星历、钟差及电离层延迟；GNSS地基完好性通道（Ground Integrity Channel，GIC）用来通报GPS/GLONASS/GEO安全导航服务的可用性。此外， GEO卫星播发的增强信号含有测距信号分量，可以进一步降低基本导航系统的GDOP值，由此，进一步改善卫星导航系统的连续性和可用性。

表10 SBAS系统L1 (1574.42 MHz)信号特征

表11 卷积编码方案

3.3.3 完好性说明

定位精度体现了误差的空间分布特性，完好性体现了误差超出门限的概率，连续性体现了定位误差的时间分布特性，可用性表征了系统导航精度满足服务要求的可靠性或者说可信度。卫星导航系统的定位精度降低后，系统可用性也随之降低。系统告警门限变小后，可用性也同样随之降低。对于飞机垂直引导进近而言，卫星导航系统的垂直定位精度是较为重要的指标之一，由于卫星导航系统空间段卫星星座的几何特性，导致系统高程解算误差比水平解算误差相对较大。国际民航组织ICAO的卫星导航系统委员会专家组（GNSS Panel，GNSSP）一直在研究如何确保SBAS用户安全地使用卫星导航系统，同时又满足用户对系统可用性的要求。2000年6月，GNSSP专家组以GNSS标准和推荐操作规范（SARPs）方式确定了SBAS完好性相关算法，2002年11月，SARPs正式对外发布。

国际民航组织修正案77附录10定义地基增强系统（GBAS）、星基增强系统（SBAS）、机载增强系统（ABAS）均能提供卫星导航系统完好性服务，ABAS通过机载用户接收机接收多个卫星的信号，获取冗余的伪距观测来估算系统完好性，而GBAS和SBAS则是借助地面参考站网络来估算系统完好性。此外，GBAS和SBAS还能提供基本导航系统的差分改正数，以进一步提高系统的定位精度，而SBAS的GEO卫星除了播发增强信息，还能提供测距服务，进一步提高系统的可用性。因此，SBAS的完好性服务应该从以下两个方面保护用户，

· GNSS/SBAS-GEO卫星失效，利用地面参考站网络监测导航卫星信号，检测并剔除故障导航信号；

· SBAS系统播发错误的或者不准确的差分改正数，这些不正确的差分改正数由未检测出的地面段故障引起，或者由地面段测量噪声及算法执行过程中异常导致；

上述第二种类型的失效模式，系统仍然处于正常工作状态，空间段GNSS/SBASGEO卫星工作正常，地面段和用户段设备也正常工作，即所谓的“无故障工况（fault free case）”，在“无故障工况”情况下发生这类非完好性事件是数据测量和数据处理过程中的固有现象，为了给用户提供基本的精确的差分改正数需要定义所谓的统计误差边界——水平保护门限HPL和垂直保护门限VPL。

HMI、MI和系统不可用的之间关系还可以用Stanford图用来表征，Stanford图用在给定测量期间系统的垂直定位误差（Vertical Position Error，VPE）和垂直保护门限VPL的关系来说明系统完好性和可用性之间的权衡关系，例如，2005年3月，欧洲EGNOS星基增强系统在法国Toulouse的实际测试结果如图26所示，图中横坐标表示垂位置误差VPE，纵坐标表示垂直保护门限VPL，对角线将采样点分成两个大的区域，对角线的左面表示是系统安全操作区（位置误差PE在保护门限PL范围内），对角线的右面表示系统处于不安全状态（位置误差PE在保护门限PL范围外），测试结果表明EGNOS星基增强系统在测试期间一类垂直引导进近APV-I是100%可用的。

通常可以分别给出水平位置Stanford图和垂直位置Stanford图。Stanford图可用来快速检查系统完好性状态，只要简单确认采样点是否在Stanford图的对角线轴上方即可，同时也可借助Stanford图判断系统定位结果的安全等级，例如，如果采样点在对角线上方，但是很接近对角线，说明系统在发生完好性事件的边缘。Stanford图还可以用来评估系统的可用性是否满足要求，图中纵坐标在告警限以上的区域表征系统“不可用”。

表12 美国联邦航空管理局FAA定义卫星导航系统用于航空导航时的性能要求

图26 EGNOS星基增强系统一类垂直引导进近APV-I实测Stanford图

3.4 当前星基增强系统介绍

增强系统不仅要对卫星导航系统的完好性进行监测，还要对差分改正数的完好性进行监测，如果是星基增强系统还要对播发测距信号的同步卫星的健康状况及其播发的误差改正数的完好性进行监测。对卫星状况的监测技术就是完好性通道（IC）监测，对广域差分改正数的监测则是通过各类改正数误差的确定及验证来完成的，包括用户差分距离误差（UDRE）和格网电离层垂直误差（GIVE）两部分数据。UDRE是用户差分距离误差，指的是经差分修正后的空间引号引起的用户误差。因此，它是经过星历误差修正和星钟修正后的真实用户级误差。GIVE是电离层格网点垂直延迟改正误差，指的是经过电离层改正后的真实用户级误差。UDRE及GIVE对应一定的置信度,这种置信度根据导航系统完好性需求给出，一般为10-7/h。美国联邦航空管理局FAA定义卫星导航系统用于的航空导航时的性能要求（Required Navigation Performance，RNP）如表12所示，详见咨询通告Advisory Circular 90-101A相关章节。

国际民航组织将利用星基转发器，在播发增强信息的广域增强系统称为星基增强系统SBAS，SBAS的目标是满足民航从航路飞行阶段到垂向引导精密进近阶段的导航需求。从星基增强系统认证及应用情况来说，目前美国WAAS、欧洲EGNOS、日本MSAS、印度GAGAN系统已取得一定规模的民航应用，而俄罗斯SDCM及韩国的KASS也在部署之中，未来多个SBAS将在亚太地区形成高密度覆盖趋势，竞争十分激烈。