No4 第四章卫星导航增强系统

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陆基区域增强系统

差分校正和完好性信息以SBAS的消息数据发送到每个 GRAS的甚高频站，每个地面甚高频站完成对数据的本地校 验，重新把格式转化为与GBAS相似的信息，格式与地基增 强系统甚高频数据广播（VDB）协议相兼容，以由TDMA方 式所管理的时隙发射VDB信号，发射周期每秒一次。
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陆基区域增强系统
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星基增强系统

美国广域增强系统WAAS
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空基增强系统

ABAS综合了GNSS信息和机 载设备信息，从而确保导航 信号完好性的要求。它的应 用包括接收机自主完好性监 测（RAIM）、飞机自主完好 性监测（AAIM）、全球定位 系统/惯性导航系统 （GPS/INS）等。宗旨是保 证定位精度，实现对卫星工 作状态的监控，确保使用健 康的卫星进行定位。
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完好性监测的措施与手段

AAIM实现完好性监测又有许多途径，如采用GPS/ 惯性导航、GPS/多普勒导航雷达、GPS/高度表、 GPS/VOR－DME和GPS/罗兰－C等组合，可得到 比单独使用这类设备更高的导航定位精度，并以这 些设备输出的数据为基准去判别GPS系统的完好性。
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完好性监测的措施与手段
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星基增强系统

SBAS用于空中交通管制，可以提升机场跑道容量和空域 隔离标准，可靠地增加指定空域的容量；可以给出更多的 直飞路径，满足精密进近的服务要求；可以减少及简化机 载设备，降低传统的地基导航设施（包括NDB、VOR、 DME、ILS等）的维护费用，节省开支。当前，星基增强 系统的进展已可提供飞机精密一类进场着陆的能力。现有 的SBAS的应用主要是美国广域增强系统WAAS、欧洲静 地重叠导航卫星系统EGNOS和日本的MSAS。
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星基增强系统

SBAS服务的覆盖范围与同步卫星相同，增强信 号以GPS的L1频率1575.42MHz发送，使用 CDMA编码，码速率1.023kbit/s，带宽2.048MHz， 信号强度为-160dbW，链路的终结数据率是 250bit/s。系统使用PRN编码，以便使下行链路 不造成干扰。现在的INMARSAT Ⅲ卫星载有导航 载荷，支持SBAS，但尚未投入使用。

内部监视方法由于不需要附加外部设备的支持，因 此花费较低，容易实现。目前，已研究出多种GPS 接收机自主完善性监测算法，例如二乘残差和监视 法、最大间隔监视法、校验空间错误检测排除算法 （FDE）和错误检测隔离算法（FDI）等。但内部 监视方法要求同时收到一定数量的卫星信号，利用 接收机的冗余数据进行卫星故障的检测和排除；而 且由于自身设备的原因，对GPS的“小误差”失效 不敏感，其应用尤其对高动态用户的应用受到限制。
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卫星导航增强系统

目前，美国、欧洲以及日本都非常重视GPS增强 系统的建设，在系统设计、信号标准等方面表现 出较强的兼容、趋同趋势，以便符合未来GNSS 发展的要求。美国的LAAS和WAAS、日本的 MSAS及欧洲的EGNOS均为各自发展的的增强系 统，是GNSS增强系统的组成部分。
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卫星导航增强系统
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完好性监测的措施与手段

外部监视方法是在地面或太空的地球同步卫星上设置完好性 监测站或站组，通过在站中建立高精度的时间和空间基准， 对空间相关的误差（大气中的传播延时误差）和空间不相关 的误差（卫星的星历误差、星钟误差）进行分离解算，复制 完善性信息（如卫星数据中的健康字符等），最后向其覆盖 的用户播发。其中一种方法是GPS系统完好性通道（GIC） 检测，或称为GAIM系统，另一种方法是星基完好性监测， 它们分别通过地基通信和卫星通信将卫星的完好性信息发送 给用户。
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陆基区域增强系统

根据这些需求，澳大利亚进行了投资效益分析。分 析结果表明，最好的方案是用地基增强系统(GBAS) 作I类精密进近，同时用SBAS作航路导航与非精密 进近。因此，提出了建设GRAS来提高GPS/GNSS 性能。
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陆基区域增强系统

GRAS的各个组成部分和功能如图所示。包括一个监视GPS分布 的基准站网络，一个计算GPS完好性和差分校正信息的中央处理 设施。分布的数据收集网络和中央处理设施与SBAS相似，但向 用户的数据分发与GBAS相似。它没有采用专门的地球静止卫星 （GEO），而是把这些信息送到一个由地面站组成的网络。
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卫星导航中的完好性监测

航空特别是民用航空对安全性要求极高的部门，用于航空的 导航系统必须满足精确性、完好性、连续性和可用性的要求。 建设完好性监测系统的主要根据是：


（1）当前的GPS和GLONASS系统完好性不足，即使建立了包括欧 洲“伽利略”卫星系统在内的GNSS－2系统，“失效”卫星造成大 的定位偏差的情况还是不可避免的，因此完好性监测是一个长期的 任务。 （2）在某一时刻的某一区域，用户接收机自身还无法实时地计算出 用户的实际位置及卫星的完好性信息。 （3）GPS和GLONASS都是为军事目的建立起来的，在使用它们进 行导航时，对其运行状况必须时刻密切关注，才能保证对它们的正 确利用。
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地基增强系统

增强信息通过通信数据链以数字格式广播给用户， 使用频段可选择C波段或VHF波段，调制方式为 D8PSK或者GFSK。这些信息包括差分校正值、 完好性信息、基本地面站信息和状态信息等，用 于机场飞机着陆的还包括最终进近段定义数据。 修正信息的精度、完好性和连续性要满足所需服 务等级的要求，最终目标是可用于三类精密进近、 非精密进近、起飞及地表导航。另外，GBAS还 能对没有被星基增强系统覆盖的偏远地区提供导 航服务。

在甚高频网络覆盖范围内的用户可以用具有GPS/GBAS能 力的接收机获得GPS增强数据，用于航路导航及终端区的 进近/离场操作。由于GBAS采用TDMA D8PSK的甚高频数 据广播链路，并且澳大利亚已经有用于ATC通信的甚高频通 信网络，因此，采用GBAS的VDB技术作为GRAS数据链的 基础。
的卫星信号接收机中，使接收机能够根据卫星完好
性的数据，自动修订接收机的定位计算，保证卫星
的完好性满足民航飞机航路和进近的飞行要求。
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完好性监测的措施与手段
目前，已有多种增强GPS系统完好性的方法 和途径。从完好性增强的手段上来分，可分 为内部监测方法和外部监测方法两大类。
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完好性监测的措施与手段
卫星导航增强系统
卫星导航增强系统：
地基增强系统 星基增强系统 空基增强系统 陆基区域增强系统
卫星导航中的完好性监测：
完好性监测的措施及实现 欧洲的静地重叠卫星完好性监测方案 中国民航GNSS完好性监测方案
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卫星导航增强系统

GPS系统自运行以来，在世界大范围内得到了广泛应用， 然而长期以来，其完好性、可靠性、导航精度等一直难以 满足航空用户将其作为主用导航系统的性能要求，卫星导 航增强系统的建立和使用，正是针对这一问题对GPS系 统进行的改进措施。卫星增强系统除了提供对伪距和电离 层广域差分的校正之外，同时提供了GPS系统的完好性 信息，比普通的广域差分系统具有更好的实用价值。 增强系统网络的建设，不仅可为航空 等领域提供高质量的导航服务，实现 全球范围的无缝导航服务，同时各参 考站数据还可作为数据资源用于科学 研究、大地测量、工程建设等诸多方 面，提高了它的附加价值。

内部监视方法是指不需要外部设备提供信息，仅通 过飞行器内部设备的监测和分析，就可以提取出卫 星系统的完好性信息，进行卫星故障的检测和排除。
内部监测方法的机理是利用卫星信号接收机内部的 冗余信号，或其它的导航辅助信息来实现监测的， 它又包括接收机自主完好性监测（RAIM）、机载 自主完好性监测（AAIM）两个分支。
个小时才能发现，对高速、高动态飞机的飞行安全
势必造成威胁。因此，GPS系统在航路、终端区和
非精密进近时作辅助导航系统，必须进行必要的完
好性增强。
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完好性监测的措施与手段
卫星导航系统完好性监测系统的核心，是将该系统 监测到的卫星完好性信息通过通信链路送到飞机上 进行显示，使驾驶员能做出判断；或直接送到机载
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星基增强系统
Байду номын сангаас
在SBAS中，用户接收的增强信息来自星基发射机。 SBAS由地面监测站、主控站、地面地球站（GES）及同 步轨道通讯卫星组成。系统以辅助的同步轨道通信卫星， 向GNSS用户广播导航卫星的完好性和差分修正信息。
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星基增强系统

监测站测量所有可见卫星的伪距值，并完成部分 完好性监测；测量数据经由数据网络传送到主控 站。主控站对观测数据进行处理，产生三种对伪 距的校正数据：快速校正、慢校正（卫星钟差和 轨道误差）、电离层延迟校正；同时主控站也要 进行完好性监测。包括校正和完好性信息的数据 通过地空数据链发到同步卫星，再由该卫星转发 到用户接收机，这时采用的信号频段和数据格式 与导航卫星一致，这样可保证用户接收机的最大 兼容和最小改动。
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地基增强系统

在GBAS中，用户接收到的增强信息来自 地基发射机。GBAS由GNSS卫星子系统、 地面子系统和机载子系统组成。
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地基增强系统

GBAS通过为GNSS测距信号提供本地信息和修 正信息，来提高导航定位的精确度。修正信息的 精度、完好性、连续性满足所需服务等级的要求。
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地基增强系统

设置在地面的多个监测站跟踪GPS卫星，提供本 地的伪距测量值；地面中心站将这些伪距值合并， 计算出单一的差分校正值，该值包含了所有的公 共误差源。
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地基增强系统

地面站还要进行完好性监测，包括多接收 机连续性监测（MRCC）、卫星信号失真 监测、周期滑动监测等，并给每个伪距产 生附加的完好性参数。
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地基增强系统

GBAS用于空中交通管制，除能向视线范围内的 飞机提供差分修正信号外，其空间信号还可提供 机场场面活动的监视服务，能有效缩短系统完好 性告警时间，其服务空间可包括在本区域内的所 有机场。
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地基增强系统

当地基增强系统能够通过增加辅助的差分修正信息提供精 确的进场定位信号时，可用于发展GLS，以取代传统的 ILS和MLS。GBAS的国际标准正在逐渐成熟，地面站的 发展也接近完善，目前已可实现精密二类进场着陆的能力。 GBAS的典型应用为美国的LAAS系统。
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陆基区域增强系统

澳大利亚根据其独特的地理位置和地域辽阔 的特点，提出了一种星基和地基混合的地区 增强系统－－GRAS的概念。澳大利亚建设 GRAS的基本要求为：

首先，它必须与ICAO的标准兼容；
其次，它提供的服务必须等效于或优于现有的地 基导航系统；
第三，在澳大利亚空域要支持航路和非精密进近 导航，成本与地基导航系统的相当或更低。
对GPS用作航空辅助导航系统时的性能要求。
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完好性监测的措施及实现
由表中可以看出，在所有飞行阶段，GPS的水平定位精度无论在有SA（为 100m，2drms），还是取消SA后（为20m，2drms），均能满足表中所规 定的要求。
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完好性监测的措施及实现
但是，GPS系统却无法满足上表所规定的完好性要 求。虽然在GPS卫星本身发出的导航电文中已向用 户提供了完好性信息，但有些故障或漂移要经过几

卫星定位信号的增强利用将改善地面导航信号的 不足，使形式复杂、多点分散的地面辅助导航信 号改变成单一类型的辅助导航信号，如星基增强 系统（SBAS）与地基增强系统（GBAS）的综合 应用，就可以让飞机从起飞到降落都使用单一系 统来操作，形成一个无缝隙的飞行服务系统。
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卫星导航增强系统


GNSS是新一代星基无线电卫星导航系统，可实 现高精度定位。在一些国家的机场已装有GPS导 航设施，与VOR/DME、NDB等无线电设施同时 使用，民用机场可以用GPS系统作非精密进近。 为提高卫星导航的完好性、精确性、可用性和服 务连续性，通过一些地面、空中或卫星设施，使 用差分技术、伪卫星技术、监测手段等，使卫星 导航系统总体性能得以提高，由此形成了卫星导 航的增强系统。各种增强系统提高性能的措施不 尽相同，按GNSS增强系统的组成可划分为： GBAS、SBAS、空基增强系统（ABAS）和混合 增强系统等。
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卫星导航中的完好性监测

通过建立地面增强完好性监测（GAIM）系 统，实时监测卫星系统的完好性，提高卫星 信号精度，才能使每一个卫星导航应用部门
获得可靠的安全保障。
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完好性监测的措施及实现

无论GPS作为辅助导航系统还是作为主用导 航系统，都必须满足一定的精度和完好性要 求。下表给出了美国航空无线电技术委员会