第四讲 广域差分增强系统

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欧洲ESTB系统
ESTB-EGNOS System Test Bed：简称EGNOS系统测试床，是EGNOS系统的原型。 它实现了EGNOS系统大部分功能的验证，但不提供完好性信息。 ESTB系统包括： 17个监测站：8个位于非洲、9个位于欧洲； 1个中心处理单元（位于挪威）：计算差分数据； 3个测距站（2个位于法国，1个位于南非）：完成基于测距目的的三角观测 1个任务控制中心（位于法国）：计算测距信息、提供导航信息的上传； 2个GEO卫星上行站：提供两颗Inmarsat卫星的数据上传； GNSS center, Wuhan University
MSAS系统结构分布图 GNSS center, Wuhan University
MSAS系统结构
GPS Constellation
MTSAT
Sapporo GMS
NTT 64Kbs User Kobe MCS Fukuoka GMS Tokyo GMS Ibaraki MCS
KDD 128Kbs Hawaii MRS MCS Master Control Station MRS Monitor and Ranging Station GMS Ground Monitor Station Naha GMS Australia MRS
用户部分
用户部分可以接收两种不同的改正数据：快速改正数据及慢 改正数据。快速改正数据包括快速改正的误差及GPS卫星的 瞬时位置及钟差；慢改正数据包括长时间的星历及钟差估计， 还有电离层延迟信息。
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WAAS最新进展
2007.9.28，FAA GNSS计划办公室宣布，WAAS服务区域扩大 到加拿大和墨西哥 2009年4月10日，GPS卫星开始播发L5信号，将进一步增强 WAAS的功能。 2011年3月18日，Intelsat Galaxy 15 GEO satellite(CRW)进入运 行模式，将WAAS的服务区域扩大到阿拉斯加的西北部，显 著增加了WAAS的可用性范围。早在2010年4月，Galaxy 15 GEO卫星曾与地面失去联系；2010年12月，此卫星重新启动， 再次能够与地面联系，控制恢复。 引进LP(Localizer Performance)方法。2011年1月13日, 在佛罗 里达州坦帕的骑士彼得澳机场的36跑道建立了第一个测试航 道性能（LP）的程序。这种新方法利用了WAAS所允许的导 航和小角横向位置误差提供一个类似的近航道着陆的盲降系 统（ILS）。LP程序可提供低一个比适合窄面障碍间隙（OCS） 的LNAV程序还要低的最小值。 较小的LP OCS的广播信号覆 盖区在信道上提供了避免障碍物的更大的潜力。在同一跑道， 和LNAV方法相比，在坦帕公布的方法提供了60英尺较低海 拔的最低结果（MDA）
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MSAS建设情况
MSAS于2007年9月完成了地面系统（包括2个主控站 （MCS）、4个地面监测站（GMS）、4个测距监测 站（MRS）以及导航地球站（NES）（具体功能见 图1）与2颗MTSAT卫星的集成、卫星覆盖区测试以 及MTSAT卫星位置的安全评估和操作评估测试（包 括卫星信号功率测试、动静态定位测试和主控站备 份切换测试等）。测试结果表明，MSAS能够很好地 提高日本偏远岛屿机场的导航服务性能，满足国际 民航组织（ICAO）对非精密进近阶段（NPA）和I类 垂直引导进近（APV-I）阶段的水平位置误差 （HPE），垂直位置误差（VPE）以及相应的报警限 值（HLA和VLA）的规定，具备了试运行能力。
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欧洲EGNOS系统
EGNOS的组成 34个地面参考站和完备性监测站（RIMS）； 4个任务控制和数据处理中心（MCC），1个工作，3个热备份； 3颗地球同步卫星（GEO）； 6个地面导航信息注入站(NLES)，每颗GEO卫星2个 EGNOS发射的信号 类GPS信号，频率为1575.42和测距码； 系统完备性，包括：所有卫星的可用性、WAD改正后的残余误差等； WAD差分改正，包括：轨道，钟和电离层改正，时间相关的改正项。 EGNOS系统服务模式 通过GEO对用户提供广域增强服务； 通过因特网系统（SISNeT）对用户提供实时广域差分服务 EGNOS的主要功能 “电离层延时评估功能”， 用于评估不同卫星发送的信号因电离层干扰而造成的传 播延时，通过接收两个GPS卫星工作频率（L1和L2）信号来实现。 “完好性监测功能”，用于监测整个广播区域的各个点上可视卫星，并由GEO卫星播 发差分改正数据及完好性信息 定位精度 使用EGNOS接收机比一般的单点定位提高3倍的定位精度，其中在95%的情况下：水 平的误差小于2.5m ，高程误差小于 4.5m。
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EGNOS 系统结构
Space Segment 3 GEOs (Inmarsat AOR-E and IND-W, ARTEMIS) GLONASS GPS
User Segment
34 RIMS
Ground Segment
6 NLES
Navigation Land Earth Stations
EGNOS的主要功能
EGNOS的主要功能：“电离层延时评估功 能”，用于评估不同卫星发送的信号因电离 层干扰而造成的传播延时，通过接收两个 GPS卫星工作频率（L1和L2）信号来实现。 “完好性监测功能”，用于监测整个广播区 域的各个点上可视卫星，并由GEO卫星播发 差分改正数据及完好性信息。 定位精度： 使用EGNOS接收机比一般的单点 定位提高3倍的定位精度，其中在95%的情况 下：水平的误差小于2.5m ，高程误差小于 4.5m。
PACF
Performance Assessment and Check Out Facility
4 MCC
EGNOS系统组成
EGNOS系统由四部分组成：地面部分、空间部分、 用户部分和支持系统。 EGNOS空间部分包括3颗 GEO 卫星。两颗是 Inmarsat-3卫星，其中一颗在大西洋东部（AOR-E）， 另一颗在印度洋（IOR）。还有一颗是欧洲空间局 ESA在非洲上空的地球同步通讯卫星Artemis。 EGNOS地面系统包括4个MCC（主控制中心），34 个RIMS站（测距与完好性监测站）和7个陆地导航 地球站（NLES），每个GEO卫星2个，另一个用于 测试和验证。 用户部分包括：用于空间信号性能验证的EGNOS接 收机，以及水运、空运和陆运用户专用设备；系统 静态和动态测试平台，用于用户接收机验收、系统 性能证明、定位误差比较分析。
日本MSAS
MSAS—Multifunctional Transport Satellite Space-based Augmentation System 是日本的导航增强系统，有6个监测站和2个 GEO卫星上行站组成，覆盖日本及周边区域。 基于多功能卫星的星基增强系统（MSAS）是由日本气象局和日本交 通部组织实施的基于2颗多功能卫星（MTSAT）的GPS星基增强系统， 类似于美国的广域差分增强系统（WAAS）。该系统从1996年开始实施， 主要目的是为日本飞行区的飞机提供全程通信和导航服务。系统覆盖范围 为日本所有飞行服务区，差分定位精度优于1米，也可为亚太地区的机动 用户播发气象数据信息。
GNSS广域差分增强系统
第四讲
唐卫明 武汉大学卫星导航定位技术研究中心
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主要内容
1. 2. 美国WAAS系统 欧洲静地星导航重叠服务 （EGNOS）
3.
4. 5. 6. 7.
日本MSAS
中国的卫星导航增强系统(SNAS) 印度的GAGAN系统 日本的准天顶卫星系统(QZSS) 全球差分系统
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EGNOS的SISNet技术
SISNet技术是一个将卫星导航技术和Internet技术紧 密联系在一起的新技术，它允许用户实时访问 Internet，获取EGNOS广域差分数据和完好性数据。 在2001年下半年，ESA就已经开发SISNet工程，并在 2001年8月建立了工程原型，从2002年2月开始试运 行，通过Internet发播EGNOS数据。SISNet的优点是 无论GEO卫星是否工作正常，或者是在卫星信号干 扰严重的城市、峡谷地区，用户不必投资EGNOS接 收机就可以通过无线上网技术稳定获取EGNOS系统 数据。使用SISNet技术可以实时通过Internet监视 ESTB系统性能，实时分析ESTB信息，实时监视系统 和卫星信号状态。任何用户都可以发送申请到 SISNet@esa.int，都可能获得通过Internet实时获取 ESTB数据的权力。SIS (空间信号状态)每5分钟更新 一次，VPL (垂直保护精度水平)每15分钟更新一次。
提高可用性
可用性是导航系统满足精度及可靠性要求的概率。WAAS在 服务区域提供的可用性为99.999%，相当于不可用时间为一 年5分钟。
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WAAS系统组成
地面部分
地面部分由3个主控站和38个参考站组成。这38个参考站包括 美国大陆的20个、阿拉斯加的7个、夏威夷的1个、波多黎各 的1个、墨西哥的5个及加拿大的4个。 地面上传系统。 GUS的功能是把主控站计算好的GPS误差改 正信息和系统的完备性信息，传到地球同步卫星上
空间部分
截止2011年1月，空间部分包括2颗商业卫星，Inmarsat-4 F3 和Telesat的Anik F1R卫星，原来的3颗卫星Galaxy 15、Pacific Ocean Region (POR)和Atlantic Ocean Region-West (AOR-W) 。 同步卫星的任务是把GPS误差改正信息（包含差分改正信息、 电离层延迟信息和钟差改正信息）调制到和GPS的L1载波相 位相同频率(1575.42MHZ)的载波上, 其结构与GPS本身的信号 结构相同，发播给WAAS覆盖区域内的机载和手持GPS接收 机。同时，这些通讯卫星还可以用额外的GPS导航卫星，提 供导航信息以确定其位置。
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美国WAAS系统
美国的WAAS系统由联邦航空管理 局（FAA）建立，最初目的是为美国民 航建立的一套非常精确的导航系统，目 前已经建成使用。系统由地面参考站网， 地面上传系统，地球同步卫星几个部分 组成：
பைடு நூலகம்
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Ranging & Integrity Monitoring Stations
EWAN EGNOS Wide Area Network
Mission Control ASQF Application Specific Qualification Facility Centers GNSS center, Wuhan University
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欧洲EGNOS系统
EGNOS是由欧洲空间局（ESA）和欧洲航空导航安全组织共同建立，它是欧 洲在GNSS方面走出的第一步，也是GALILEO系统的一个先驱，它可以同时增强 目前运行的两个军事卫星导航系统，即美国的GPS和俄罗斯的GLONASS， EGNOS在2005年进入全部的运营阶段。它的原理与美国的WAAS类似，包括相 应的地面设施和空间卫星，以提高GPS 和GLONASS系统的精度、完好性和可 用性。 GNSS center, Wuhan University
WAAS的建设目标
提高精度
根据WAAS的规范要求，它能在95%的情况下，提供包括水 平和高程方向上7.6m的定位精度。根据NSTB的发现，在实 际测量中系统的定位精度(除去接收机钟差)在水平位置优于 1.0m(0.9m)，在高程位置优于1.5m(1.3m)。
增加完整性
导航系统的完整性指在其提供的数据可能误导用户造成危 害的情况下，能够及时提供预警的能力。WAAS的规范要求， 当系统检测出误差时，通知用户的预警时间小于6.2秒；系 统出错但未被探测出来的概率为1×10-7，相当于每年错误 数据不超过三秒。它提供的完整性信息相当于或优于接收 机自主完整性监视（RAIM）。