3.6 GNSS星基增强系统

3.6.1 系统简介

GNSS作为主要的导航手段，已经进入了快速发展和应用的阶段。为了提升GNSS的性能，需要相应的增强系统来满足不同用户对高完好性和高精度的需求。星基增强系统（SBAS）能够满足从航路、终端区到第一类精密进近（CATⅠ）各阶段的导航需求。其由大量分布广泛的监测站（位置已知）对导航卫星进行监测，由GEO卫星向用户播发改正数信息（星历误差、卫星钟差、电离层延迟）和完好性信息（用户差分距离误差、格网电离层垂直误差），从而实现对卫星导航系统定位精度的改进和对完好性性能的提升。

3.6.2 系统构成

1.美国广域增强系统

SBAS由空间段、地面段和用户段3个部分构成。下面以美国FAA开发的GPS广域增强系统（WAAS）为例。

（1）WAAS的空间段：WAAS主要依赖位于98° W、107.3° W和133° W的3颗地球静止轨道卫星（见表3-4），在它们的覆盖范围提供相应的服务。并且，为了使该系统提供的垂直定位服务的性能始终满足预定指标，需要确保接收机被双星覆盖的要求得到长期满足，也就是用接收机能够同时接收至少两个地球同步卫星的增强信号。

（2）WAAS的地面段：由38个WAAS参考站（WRS）组成的北美广域参考站网，覆盖加拿大、墨西哥和美国。美国FAA计划将广域参考站的接收机进行升级，使之能够处理新的GPS L5信号。由WRS采集到的数据通过地面通信网络转发到3个WAAS主控站（WMS），在WMS中生成WAAS增强消息。6个地球上行站（GUS）负责将WMS生成的WAAS增强消息传输给地球同步卫星的导航有效载荷，以广播给用户使用。两个运行控制中心（OCC）用于监视系统的性能，并进行必要的校正和定期维护操作。

（3）WAAS的用户段：WAAS的用户段由GNSS接收机构成，能够将GPS信息与WAAS GEO卫星广播的空间信号组合起来。由此可见，该用户段不在WAAS服务提供商的控制之下，而是由GNSS应用市场驱动的。虽然WAAS的首要目标是民航用户群体。但是，大多数GPS接收机现在均可以配置为接收和处理WAAS的空间信号（SIS），从而使它们可以从WAAS所提供的增强的准确性和完好性中获益。应该指出的是，航空应用的用户机必须满足一定的标准，并且得到相应机构的认证许可，方能在飞机上使用。任何WAAS的飞机用户必须使用支持SBAS标准的GPS接收机，并且经过SBAS航空电子设备认证和批准。WAAS的用户设备应符合若干标准，如RTCADO MOPS229。民航认证的设备是相对而言的，属于成本最高的级别。全球有许多个经过大量认证的接收机制造商。

2.欧洲地球同步卫星导航增强系统

欧洲地球同步卫星导航增强系统（EGNOS）为GPS标准定位服务提供了增强信号。该EGNOS信号与GPS L1（1575.42MHz）的民用C/A信号具有同样的信号频带和调制的民用信号功能。而GPS信号来自绕地球运行的卫星，可提供全球性的定位和定时信号服务，EGNOS拟在欧洲提供误差改正数和完好性信息，以改进定位导航服务。这些增强是通过为GPS卫星提供轨道和时钟误差改正，并纠正用户信号路径上的电离层延迟效应来实现的。通过EGNOS的GEO卫星广播的复杂信息中包括完好性数据，其允许具有高置信度的残差约束条件。EGNOS已部署使用两个现有的Inmarsat-3卫星上的导航转发器（AOR-E和IOR-W），以及阿蒂米斯卫星上的导航转发器（AOC）。

（1）EGNOS的空间段：由3颗GEO卫星广播GPS卫星在L1频段（1575.42MHz）的误差改正和完好性信息。这种卫星配置方法使系统在一颗GEO卫星链路故障的情况下，也能为整个服务区域提供高冗余度。EGNOS运作保持这样一种方式，即在任何时间点，通常3颗GEO卫星中至少有两颗在广播的运作信号可供使用。实际上，仅需要跟踪单个GEO卫星链路，就可以从EGNOS的生命安全服务中受益。这样保证了在中断情况下的切换能力，并确保高水平的连续性服务。应该强调的是，EGNOS空间段将为了保持冗余度的类似水平而随时更新补充。未来卫星的准确轨道位置可能会变化，但这不会影响提供给用户的服务。同样，不同的PRN码号码可被分配给将来的GEO卫星。然而，所有的SBAS用户接收机被设计为能够自动地检测，且对SBAS保留一个预先分配使用的代码。因此，这种演变对于最终用户将是透明的，无须接收设备的任何人为干预或改变。

（2）EGNOS的地面段：包括测距完好性监测站网（对MS）、4个任务控制中心（MCC）、6个导航陆地地球站（NLES）和EGNOS广域网（EWAN）。EGNOS是一种广泛分布和冗余的系统。数据流从一个子系统到另一个子系统具有不同程度的关键性。

涉及关键数据处理的相关子系统负责EGNOS主要性能的实现（包括精度、完好性、连续性、报警时间和服务覆盖），而涉及管理非关键数据的子系统负责实现监测、控制及归档功能。EGNOS地面段还包括以下配套设施，以支持系统动作和提供服务。

PACF：性能评估和检测设施，提供区域性的性能分析、故障排除、操作流程，以及规范和验证的升级服务，并支持维护EGNOS的管理工作。

ASQF：专用质量评估设施，提供民航与航空工具的认证机构资格验证服务，以及可认证不同的EGNOS应用程序。

（3）EGNOS的用户段：为GNSS接收机（具有接收GPS信号的能力）。GNSS接收机只监控由卫星发出的信号，并不与卫星建立任何连接。因此，GNSS接收机不可能用于让第三方寻找用户的位置而不让用户自己知道。为了能够获得与EGNOS兼容的接收GNSS信号的接收机，目前市场上有不同制造商制造的许多种接收机。EGNOS接收机如同普通的GPS接收机，但其内部的特殊软件允许接收机锁定由EGNOS卫星使用的代码，并计算EGNOS改正的GPS信号。除了这一点，EGNOS接收机和普通的GNSS接收机一样，使用相同类型的天线。

3.俄罗斯SDCM

差分改正和监测系统（SDCM）是俄罗斯开发的SBAS，作为GLONASS的一个组成部分。SDCM与WAAS等其他SBAS的主要区别是：它实施GPS和GLONASS两类卫星导航系统的完好性监控，而当前其他的SBAS只为GPS卫星提供误差改正数和完好性数据。

SDCM的空间段目前使用鲁奇多功能空间中继系统（地球静止轨道卫星）转发器传输误差改正数和完好性数据。SDCM的空间段将由4（3+1）颗GEO卫星组成。SDCM的地面段主要由参考站网、中央处理设施、上行站和地面广播装置构成。SDCM参考站网由俄罗斯境内的19个参考站和境外的5个参考站组成。中央处理设施设在莫斯科，它还有个备用设施作为补充。除了GEO卫星广播，可以预见，SDCM还提供互联网广播和GSM广播，增强信号来自SISnet服务器和NTRIP服务器。

3.6.3 系统性能

WAAS是美国FAA首先提出的为民航飞行及最终着陆建立的一个精密导航系统，该系统可以使数千千米范围内的DGPS定位精度达到2.5m，并可确保系统的完好性和连续性。WAAS是美国FAA发展的GPS SBAS，该系统用来对美国国家空域系统（NAS）中所有的飞行阶段提供横向和纵向的导航，但不包含第二类和第三类精密进近服务。WAAS主要为航空用户设计，它提供一个空中信号以使WAAS用户能够在飞行的精密进近阶段进行导航。这个空中信号提供3个服务：提供GPS和GEO卫星信号的完好性数据；提供GPS和GEO卫星的差分改正信息以改善精度；提供测距能力以提高可用性和连续性。美国FAA于2000年8月宣布WAAS将连续广播差分改正信息，并开始用于与生命安全关系不大的领域。WAAS作为一个导航的补充手段，在2003年之后才具有对安全性应用的初始运行能力（IOC）。WAAS完好性和性能小组（WIPP）建议，在取得初始运行能力后，WAAS可以持续改进来扩大覆盖范围、提高非精密进近应用和区域导航（RNAV）的可用性、提高信号冗余度、减少运行限制、支持精密进近。最后，为了提高性能，WIPP的一个关键的建议是，使用新的民用信号GPS L5（1176.45MHz）为装备了L5接收机的用户提供牢靠的、抗干扰的可用性服务。这种改进的结果将使美国国家空域系统中装备了WAAS航空电子设备的飞机在所有飞行阶段得到导航服务（不包含第二类和第三类精密进近服务）。WAAS技术利用分布在世界或全美各地的基准站对GPS进行连续观测，从而计算卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和电离层改正数，并利用专用大功率电台或专用卫星将这些改正数发送给用户。用户利用这些改正数对测得的观测量进行修正，最后计算所在点位的坐标，精度可达1m。

EGNOS已经于2009年开始正式运行，并将工作20年以上。目前，EGNOS可以提供3种服务：免费的公开服务，定位精度为1m，已于2009年10月开始服务；生命安全服务，定位精度为1m，已于2011年3月开始服务；EGNOS数据访问服务，定位精度小于1m，已于2012年7月开始服务。

在SDCM的总体框架下，SCDM服务区将覆盖整个俄罗斯。SCDM在水平面内的精度为1～1.5m，垂直高程精度为2～3m。此外，预期在参考站周围200km范围内，其可为用户提供厘米级的定位服务。

3.6.4 系统应用

WAAS提供两种不同的误差改正数：一种是GPS定位时的卫星轨道位置（星历）和时钟误差改正数；另一种是电离层误差改正数。第一种改正数与用户位置无关，它们能用于WAAS服务区内所有位置的用户。第二种改正数针对专门的区域，即WAAS可以提供位于WAAS服务区内的不同点位的电离层改正数。用户接收机在计算所接收到的GPS信号时，其算法中就应用了用户所在位置相对应的网格点的值。由于相应的点对于每个卫星是不一样的，因此用户接收机处理数据时，要考虑GPS卫星相对于用户位于天空中不同的位置这一事实。考虑两组改正数的组合应用，能明显增加定位的精度和可信度。

WAAS提供6s预警，在6s内要完成以下两个动作之一。一是修正用户位置，调整坐标值偏差，使误差精度回到预定的阈值范围。若WAAS能在6s内修正错误信息，则无须APS的完好性信息。二是关闭连接，指示用户机不再使用相关的卫星导航数据。若WAAS在6s内不能修正错误信息，则该信息就变成了有害的误导信息（HMI），将不用于导航。

WAAS可用于车辆导航。对于车辆导航，WAAS是非常有用的，它可以将GPS的水平定位精度从10～12m提高到1～2m。这种提高意味着能使用户分清道路两边的往返车道，知道自己在道路的哪一边，能确定多车道所在的巷道等。因此，WAAS在车辆中的应用变得越来越普遍。事实上，公共安全部门，如警察、消防、救援和交通运输等部门都已经或正在运用WAAS，并利用带WAAS的接收机进行建筑设计，改进公路交通，以及开展一系列的车辆导航服务。

EGNOS的使命是支持广泛的应用。出于这个原因，并为了容易与Galileo系统联合提供服务，其提供不同类型的服务支持，包括：开放式服务（OS），免费提供给欧洲公众；人员生命安全服务（SOL），将提供空间性能上最严水平的信号，服务于在欧洲生活的生命安全用户群体；商业数据分发服务（CDDS），针对需要性能增强的商业用户和专业用户提供增值服务；EGNOS数据接入服务（EDAS），是GNSS商业数据分发服务（DDS）的技术核心，可向无法随时查看EGNOS卫星数据的用户提供和交付EGNOS数据，并且有机会支持其他多种多样的增值服务、应用和研究计划。

SDCM提供对GNSS卫星的完好性监控、对GLONASS卫星的差分改正以及对GLONASS的系统性能进行详细分析等服务。