卫星导航差分系统和增强系统(十三)

０６６《卫星与网络》２０１９年４月３．４．２．２ 工作原理ＥＧＮＯＳ系统体系结构复杂且高度冗余，ＥＧＮＯＳ系统的设计目标是满足ＳＢＡＳ的标准要求，开展以下四方面的工作，一是接收ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、及ＥＧＮＯＳ－ＧＥＯ卫星播发的信号和电文数据；二是估计服务区的系统完好性数据和广域差分（Ｗｉｄｅ　Ａｒｅａ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ，ＷＡＤ）改正数；三是通过ＧＥＯ卫星广播类似ＧＰＳ卫星的增强信号，电文包含轨道和时钟改正数、电离层延迟改正数及系统完好性数据，信号同时具有测距功能；四是验证上述完好性数据和改正数的正确性。

ＥＧＮＯＳ系统工作原理和美国ＷＡＡＳ基本一致，ＥＧＮＯＳ系统地面测距和完好性监测站ＲＩＭＳ接收ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ导航信号以及ＥＧＮＯＳ系统ＧＥＯ卫星的增强信号，将原始数据送到４个任务控制中心ＭＣＣ，每个任务控制中心ＭＣＣ的中心处理设备ＣＰＦ开展导航信号改正数的实时计算，包括卫星星历、星载原子钟钟差、电离层延迟改正数以及系统完好性信息，然后地面导航增强信息注入站ＮＬＥＳ将ＥＧＮＯＳ增强电文上行注入给ＧＥＯ卫星，最后由ＧＥＯ卫星将ＥＧＮＯＳ增强信号透明转发给用户，ＥＧＮＯＳ系统运行示意图如图４１所示。

ＥＧＮＯＳ系统用３颗ＧＥＯ卫星覆盖整个欧洲服务区，作为透明转发器播发地面导航增强信息注入站ＮＬＥＳ上注的增强信号。

在一颗ＧＥＯ卫星链路出现失效时，ＥＧＮＯＳ系统空间段还有两颗ＧＥＯ卫星能够正常工作，这种配置可以在整个服务区内具有较高程度的冗余度。

ＥＧＮＯＳ系统的运行控制理念是确保在服务区内任何位置都有两颗ＧＥＯ卫星正常播发系统的增强信号。

差分系统和增强系统（十三）卫星导航＋刘天雄理论上，用户只要接收到一颗ＧＥＯ卫星播发的系统增强信号，就能获得ＥＧＮＯＳ位置解（需要同时接收ＧＰＳ或者ＧＬＯＮＡＳＳ导航信号），在剩下的两颗卫星中有一颗意外服务中断情况下，系统通过切换链路就可以确保系统的可靠性。

作为ＧＰＳ系统在欧洲的星基增强系统ＳＢＡＳ，ＥＧＮＯＳ系统ＧＥＯ卫星在ＧＰＳ系统的Ｌ１频点（１５７５．４２　ＭＨｚ）播发增强信号，信号也是采用右旋圆极化（ｒｉｇｈｔ－ｈａｎｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，ＲＨＣＰ）方案。

ＥＧＮＯＳ系统播发每秒含有２５０ｂｉｔｓ信息的增强电文，原始导航增强电文采用与前向误差修正码（Ｆｏｒｗａｒｄ　Ｅｒｒｏｒ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ，ＦＥＣ）的１／２卷积编码方案，增强电文数据流的信息速率是５００ｓｙｍｂｏｌ／ｓｅｃｏｎｄ。

图４１　ＥＧＮＯＳ系统运行示意图增强电文再与１０２３－ｂｉｔ伪随机测距码模二和处理生成扩频信号，然后利用二相移位键控技术（ｂｉｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔ－ｋｅｙｅｄ，ＢＰＳＫ）将扩频信号调制到Ｌ１载波信号上，信号码速率１．０２３Ｍｅｇａ－ｃｈｉｐｓ／ｓｅｃｏｎｄ。

ＥＧＮＯＳ增强信号结构符合ＩＣＡＯ　ＳＡＲＰｓ制定的ＳＢＡＳ星基增强标准，详见ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｖｉｐｅｄｉａ．ｎｅｔ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ／ＥＧＮＯＳ＿Ｍｅｓｓａｇｅｓ。

对于地面５°以上仰角的用户，ＥＧＮＯＳ系统增强信号的落地电平－１６１ｄＢＷ～－１５３　ｄＢＷ，在ＥＧＮＯＳ系统开放式服务ＯＳ和生命安全服务ＳＯＬ的接口控制文件中详细定义了ＥＧＮＯＳ系统增强信号结构，详见ＭＯＰＳ　ＤＯ　２２９相关规定，包括载波频率、调制方式、电文结构、电文协议和内容，增强信号的主要特征如下：·载噪比（Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｎｏｉｓｅ）：　１０Ｈｚ单边噪声带宽时，单载波信号的相位噪声谱密度要使接收机锁相环路能够跟踪到载波信号的精度是０．１弧度（ｒｍｓ）；·信号频谱（Ｓｉｇｎａｌ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）：　利用ＧＰＳ系统的Ｌ１频点播发ＥＧＮＯＳ系统增强信号，中心频点１５７５．４２ＭＨｚ，信号带宽２．２ＭＨｚ，在中心频点＋／－　１２ＭＨｚ带宽内，信号功率不小于９５％；·多普勒频移（Ｄｏｐｐｌｅｒ　Ｓｈｉｆｔ）：　在最坏情况下，稳态用户的多普勒频移小于４０ｍ／ｓ，　在Ｌ１频点的多普勒频移近似为２１０Ｈｚ　；·载波频率稳定性（Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）：　排除电离层延迟和多普勒频移后，在用户接收机天线的输入端处的载波频率短期稳定性（Ａｌｌａｎ方差的平方根值）优于５ｘ１０－１１／１ｓ～１０ｓ；　·极化方式（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）：　右旋圆极化，轴比小于２　ｄＢ；·相关损失（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　Ｌｏｓｓ）：　由于信号调制过程中的不理想或者转发器滤波损失引起的相关损失小于１　ｄＢ；ＥＧＮＯＳ系统Ｉｎｍａｒｓａｔ－ＩＩＩ通信卫星　（ＡＯＲ－Ｅ和ＩＯＲ－Ｗ）和ＥＳＡ　Ａｒｔｅｍｉｓ通信卫星星载导航增强转发器载荷的关键参数如表１７所示，地面段计算ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ卫星精密的轨道、时钟、电离层延迟差分改正数以及完好性误差边界，空间段３颗ＧＥＯ卫星作为冗余的增强信号播发通道，将地面段计算的增强信息透明转发给地面段用户。

用户利用ＥＧＮＯＳ接收机计算当前的位置并获取完好性信息。

地面段同时还要完成系统性能分析、运行维护等任务。

ＥＧＮＯＳ系统依靠高精度的ＧＰＳ接收机提供的系统１　ＰＰＳ（ｏｎｅ　Ｐｕｌｓｅ　Ｐｅｒ　Ｓｅｃｏｎｄ）同步秒脉冲实现内部各个环节的时间同步任务，即ＥＧＮＯＳ系统时间与ＧＰＳＴ保持时间同步。

地面段对ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、及ＥＧＮＯＳ－ＧＥＯ信号的监控（Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｍ＆Ｃ）工作由任务主控中心ＭＣＣ的中心处理设备ＣＰＦ实施，ＭＣＣ由工作人员值守，并不是一个自动化系统，如果主控中心ＭＣＣ工作异常，那么另一个热备的主控中心ＭＣＣ将立刻接管ＥＧＮＯＳ系统信号监控的任务，另外２个主控中心ＭＣＣ处于冷备状态，当主份和热备主控中心ＭＣＣ都出现问题后，２个冷备状态的主控中心ＭＣＣ则立即被激活。

ＥＧＮＯＳ系统是一个广域分布的、冗余的系统，各个子系统之间的数据流也具有不同程度的备份措施。

ＥＧＮＯＳ系统数据流分为信号处理环路（Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ）和信号检测环路（Ｃｈｅｃｋ　ｃｙｃｌｅ），如图４２所示，信号处理环路通过地面测距和完好性监测站ＲＩＭＳ的Ａ通道接收ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ／ＥＧＮＯＳ－ＧＥＯ卫星信号，同时给出伪表１７　星载导航增强转发器载荷的关键参数０６７Satellite& Network码和载波伪距观测量以及系统完好性信息，并生成增强信号，图中红线表示系统信号处理环路的实时关键数据流；信号检测环路通过地面测距和完好性监测站ＲＩＭＳ的Ｂ、Ｃ通道接收ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ／ＥＧＮＯＳ－ＧＥＯ卫星信号，将原始数据送到系统任务主控中心ＭＣＣ的中心控制设备（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｆａｃｉｌｉｔｙ，ＣＣＦ），独立开展伪码和载波伪距观测量以及系统完好性信息的验证和存档工作，图中绿线表示信号检测环路数据流；两个环路数据流闭环处理时间不超过６ｓ，以满足ＥＧＮＯＳ系统完好性对告警时间的要求。

ＥＧＮＯＳ系统信号处理环路完备地给出了ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ／ＥＧＮＯＳ－ＧＥＯ卫星信号的差分改正数和系统的完好性信息，信号处理环路首先通过地面测距和完好性监测站ＲＩＭＳ的Ａ通道接收ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ／ＥＧＮＯＳ－ＧＥＯ卫星信号，给出伪码和载波伪距观测量和与协调世界时ＵＴＣｏｐ的偏差。

巴黎地面测距和完好性监测站ＲＩＭＳ的监测接收机时钟与协调世界时ＵＴＣｏｐ保持同步，用于计算任务主控中心ＭＣＣ中心处理设备ＣＰＦ的ＥＧＮＯＳ系统网络时间（ＥＧＮＯＳ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔｉｍｅ，ＥＮＴ）与协调世界时ＵＴＣ的偏差，ＥＮＴ与ＵＴＣ的时间偏差信息则通过增强电文ＭＴ１２播发给用户，用户可以据此溯源ＵＴＣ时间。

然后这些数据被送到任务主控中心ＭＣＣ的中心处理设备ＣＰＦ，生成差分改正数和系统完好性信息，具体处理流程分为四步，一是数据预处理和有效性验证，包括剔除电离层和对流层延迟等系统误差量，监测并剔除载波相位周跳观测量，数据平滑处理以减少随机噪声，滤除残余多径干扰信号分量；二是计算ＥＧＮＯＳ增强数据，包括ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ／ＥＧＮＯＳ－ＧＥＯ卫星星历和时钟差分改正数、各网点电离层延迟改正数、用户差分测距误差ＵＤＲＥ和格网电离层垂直误差ＧＩＶＥ残余误差估计及其差分改正数据；三是系统内部增强数据检查和质量估计，包括卫星完好性评估、应用差分改正后用户差分测距误差ＵＤＲＥ和格网电离层垂直误差ＧＩＶＥ残余误差估计的一致性、中心处理设备ＣＰＦ以服务质量标识形式反映结果的一致性，根据服务质量标识，地面导航增强信息注入站ＮＬＥＳ可以选择主用中心处理设备ＣＰＦ的数据；四是根据ＩＣＡＯ　ＳＢＡＳ标准生成格式化的增强电文，并确定增强电文的最优播发顺序。

ＥＧＮＯＳ系统信号处理环路实时关键数据流如图４３所示，任务主控中心ＭＣＣ的中心处理设备ＣＰＦ的核心是一套复杂的系统完好性算法及其软件，决定了ＥＧＮＯＳ系统的性能，其中对于用户差分测距误差ＵＤＲＥ和格网电离层垂直误差ＧＩＶＥ的计算是至关重要的，它们的误差边界确定了系统完好性，算法同时会影响系统的连续性和可用性指标评估结果。

ＣＰＦ将生成并核对后的ＥＧＮＯＳ电文通过系统广域通信网络ＥＷＡＮ送到地面导航增强信息注入站ＮＬＥＳ，将ＥＧＮＯＳ电文上行注入给系统的ＧＥＯ卫星，由卫星播发给用户。

图４３　ＥＧＮＯＳ系统信号处理环路的实时关键数据流图４２　ＥＧＮＯＳ系统数据流０６８《卫星与网络》２０１９年４月０６９Satellite & Network ＥＧＮＯＳ系统信号检测环路完备地通过地面测距和完好性监测站ＲＩＭＳ的Ｂ、Ｃ通道接收ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ／ＥＧＮＯＳ－ＧＥＯ卫星信号，在任务主控中心ＭＣＣ的中心处理设备ＣＰＦ生成ＥＧＮＯＳ电文之前以及ＧＥＯ卫星将其播发给用户之后，任务主控中心ＭＣＣ的中心控制设备ＣＣＦ独立开展系统完好性的验证工作，ＣＣＦ同时开展数据统计试验，以验证差分改正数及其相应残余误差的可靠性。

对于用户等效测距误差（Ｕｓｅｒ　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｒａｎｇｅ　Ｅｒｒｏｒ，ＵＥＲＥ）和用户差分测距误差（Ｕｓｅｒ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｒａｎｇｅ　Ｅｒｒｏｒ，ＵＤＲＥ）来说，由多个地面测距和完好性监测站ＲＩＭＳ同时观测一颗卫星，然后开展伪距观测误差数据的统计分析工作，获得用户等效测距误差ＵＥＲＥ及其残余误差——用户差分测距误差ＵＤＲＥ。

中心处理设备ＣＰＦ计算的差分改正数及其残余误差与中心控制设备ＣＣＦ独立计算的相应数据进行比对，当两者计算结果偏离较大时，系统给出完好性告警标识“ｎｏｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ”。