第四讲-广域差分增强系统

GNSScenter,WuhanUniversityGNSS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GNSScenter,WuhanUniversity主要内容1.美国WAAS系统2.欧洲静地星导航重叠服务（EGNOS）3.日本MSAS4.中国的卫星导航增强系统(SNAS)5.印度的GAGAN系统6.日本的准天顶卫星系统(QZSS)7.全球差分系统GNSScenter,WuhanUniversity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：GNSScenter,WuhanUniversityWAAS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）。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。GNSScenter,WuhanUniversityWAAS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-4F3和Telesat的AnikF1R卫星，原来的3颗卫星Galaxy15、PacificOceanRegion(POR)和AtlanticOceanRegion-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。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。GNSScenter,WuhanUniversityWAAS最新进展2007.9.28，FAAGNSS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，IntelsatGalaxy15GEOsatellite(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，Galaxy15GEO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(LocalizerPerformance)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LPOCS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）GNSScenter,WuhanUniversity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。GNSScenter,WuhanUniversityEGNOS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。GNSScenter,WuhanUniversityGPSGLONASS3GEOs(InmarsatAOR-EandIND-W,6NLESNavigationLandEarthStations34RIMSRanging&IntegrityMonitoringStations4MCCPACFASQFEGNOS系统结构SpaceSegmentEWANEGNOSWideAreaNetworkGroundSegmentUserSegmentMissionControlCentersPerformanceAssessmentandCheckOutFacilityApplicationSpecificQualificationFacilityARTEMIS)GNSScenter,WuhanUniversityEGNOS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。GNSScenter,WuhanUniversity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。GNSScenter,WuhanUniversityEGNOS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[e-mail]，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。GNSScenter,WuhanUniversity欧洲ESTB系统ESTB-EGNOSSystemTestBed：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；GNSScenter,WuhanUniversity日本MSASMSAS—MultifunctionalTransportSatelliteSpace-basedAugmentationSystem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。MSAS系统结构分布图GNSScenter,WuhanUniversityMSAS系统结构IbarakiMCSSapporoGMSFukuokaGMSNahaGMSUserAustraliaMRSHawaiiMRSKobeMCSTokyoGMSGPSConstellationMTSATMCSMasterControlStationMRSMonitorandRangingStationGMSGroundMonitorStationKDD128KbsNTT64KbsGNSScenter,WuhanUniversityMSAS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。GNSScenter,WuhanUniversity日本MSAS的MTSAT卫星MTSAT卫星是一种地球静止同步卫星（G