EGNOS完好性關(guān)鍵參數(shù)的處理與分析

方繼嗣，朱衍波，王志鵬（.民航數(shù)據(jù)通信有限責任公司，北京 009；.北京航空航天大學(xué)，北京 009）

EGNOS完好性關(guān)鍵參數(shù)的處理與分析

方繼嗣1，朱衍波1，王志鵬2
（1.民航數(shù)據(jù)通信有限責任公司，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

基于歐洲靜地軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)（european geostationary navigation overlay service，EGNOS）中用戶差分距離誤差 （user difference range error，UDRE）和格網(wǎng)電離層垂直誤差 （grid ionospheric vertical error，GIVE）算法，分析了UDRE與衛(wèi)星可見的距離修正和完好性監(jiān)測站（ranging and integrity monitoring stations，RIMS）個數(shù)之間的關(guān)系，以及GIVE與電離層格網(wǎng)點（ionospheric grid point，IGP）可見的電離層穿透點（ionospheric pierce point，IPP）個數(shù)之間的關(guān)系。通過對2012年EGNOS升級后為期一個月的實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得出結(jié)論：在歐洲民航理事會 （european civil aviation conference，ECAC）區(qū)域，衛(wèi)星可見的RIMS個數(shù)越多，其對應(yīng)的UDRE標記值（UDRE indicator，UDREI）越小，當可見RIMS個數(shù)達到17及以上時，UDREI值為6；格網(wǎng)點可見的IPP越多，其對應(yīng)的GIVE標記值（GIVE indicator，GIVEI）越小，當可見IPP個數(shù)達到10及以上時，GIVEI值為8。

增強；完好性；歐洲靜地軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)；格網(wǎng)電離層垂直誤差；用戶差分距離誤差

EGNOS屬于歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航計劃的第1階段GNSS-1，通過地球靜止衛(wèi)星播報偽距改正和完好性信息，以改善GPS和GLONASS的性能，使之滿足民用安全需求。EGNOS系統(tǒng)由歐洲空間局（European Space agency，ESA）、歐洲空中航行安全組織（European Organization for the Safety of Air Navigation，EUROCONTROL）和歐委會（European Commission，EC）于1993年聯(lián)合共建[1]，目前已經(jīng)建立了測試床（EGNOS system testbed，ESTB）[2]。2009年10月1日，EGNOS開始提供“公開服務(wù)”，2010年底，其“生命安全服務(wù)”開始運行[3]，2011年3月1日該服務(wù)正式用于民用航空。

EGNOS對歐洲“進近和著陸改進的優(yōu)化程序和技術(shù)（optimized procedures and techniques for improvement of approach and landing，OPTIMAL）”等多個民用航空的重大項目提供技術(shù)支撐。西班牙GMV公司為西班牙機場和空中航行部門（Spanish airports and air navigation，AENA）開發(fā)了“EGNOSATC”工具，該工具可基于EGNOS飛行程序產(chǎn)生航行通告（notice to airmen，NOTAM），用于LPV和LNAV進近[4]，具備兩大功能：①預(yù)測功能負責基于衛(wèi)星幾何、NANUs和GEO/RIMS通告預(yù)測EGNOS服務(wù)的可用性；②實時功能負責檢測GPS和EGNOS衛(wèi)星在RIMS站的可用性。該工具產(chǎn)生的所有信息將提供給空中交通管制（air traffic control，ATC）用戶和航行情報服務(wù)（aeronautical information service，AIS）用戶。此外，在EUROCAE主持完成的項目“EGNOS和GBAS原型分析系統(tǒng)（prototype EGNOS and GBAS analysis system using sapphire，pegasus）”中，也對EGNOS進行了性能預(yù)測、實時分析和事后處理等方面的研究。

EGNOS是目前世界上最成熟的兩大衛(wèi)星導(dǎo)航廣域增強系統(tǒng)之一，對其研究，尤其是基于實測數(shù)據(jù)的研究具有重要的工程實踐和應(yīng)用價值。本文基于2012年3月中旬EGNOS系統(tǒng)升級后的實測數(shù)據(jù)，重點分析了EGNOS中的關(guān)鍵完好性參數(shù)UDRE和GIVE，得到了有意義的結(jié)果。

1 EGNOS完好性參數(shù)計算方法分析

星基增強系統(tǒng)需要分離廣播星鐘/星歷誤差和電離層延遲校正誤差，因此關(guān)于星鐘/星歷校正的用戶差分距離誤差（user difference range error，UDRE）算法以及格網(wǎng)電離層垂直誤差（grid ionospheric vertical error，GIVE）校正方法是廣域增強系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵問題[5-6]。本節(jié)在討論二者計算方法的基礎(chǔ)上，分析了UDRE與距離修正和完好性監(jiān)測站（ranging and integrity monitoring stations，RIMS）之間的關(guān)系，以及GIVE與電離層穿透點（ionospheric pierce point，IPP）之間的關(guān)系。

1.1 EGNOS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EGNOS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖1所示?？臻g段主要由GPS導(dǎo)航衛(wèi)星、GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星和3顆地球同步靜止衛(wèi)星，即ESA Artemis衛(wèi)星（PRN124）、AOR-E（PRN120）和IOR-W（PRN126）組成（其中1顆為備份），主要任務(wù)是保持和實現(xiàn)與地面的RIMS和MCC之間的通訊聯(lián)系，以及完成由MCC發(fā)送給用戶的指令信息。地面段由34個測距完好性監(jiān)測站（ranging and integrity monitoring station，RIMS））、4個中心處理站（master control center，MCC）以及6個導(dǎo)航地面站（navigation land earth station，NLES）組成，主要任務(wù)是對EGNOS系統(tǒng)進行全面控制和數(shù)據(jù)處理。用戶段由EGNOS標準接收機組成，涉及到航空、航海和地面交通等應(yīng)用，用戶所使用的接收機需能同時接收EGNOS和GPS/ GLONASS的信號，并具有對這兩者的信息進行定位數(shù)據(jù)綜合處理的功能。

圖1 EGNOS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture of EGNOS

1.2 UDRE計算方法分析

RIMS在計算UDRE時，由兩路數(shù)據(jù)分別產(chǎn)生經(jīng)過修正后的觀測距離Rm和計算距離R，然后統(tǒng)計兩路數(shù)據(jù)的差值，從而計算輸出每顆衛(wèi)星的UDRE值。具體計算步驟如下：

1）監(jiān)測站測量的多頻觀測偽距在監(jiān)測站經(jīng)前述預(yù)處理后發(fā)送給中心站，在中心站完成對各監(jiān)測站接收機的鐘差解算。經(jīng)監(jiān)測站接收機鐘差改正，得到的觀測距離以Rm表示，這時Rm中僅包含衛(wèi)星鐘差。

2）計算距離由監(jiān)測站已知坐標和經(jīng)過改正的衛(wèi)星坐標計算得到，并用接收的鐘差快變和慢變改正數(shù)進行改正，以R表示。計算距離R中包含的誤差有衛(wèi)星星歷殘差與衛(wèi)星鐘差。

3）對Rm和R取差，其差值為

其中：dR僅包含該衛(wèi)星的衛(wèi)星星歷殘差與星鐘殘差。

4）中心站對監(jiān)測同一顆衛(wèi)星的不同監(jiān)測站的所有差值dR進行統(tǒng)計，可得到相應(yīng)衛(wèi)星的UDRE值，即

5）計算出UDRE值以后，對UDRE值進行分檔，用UDRE標記值（user difference range error indicator，UDREI）表示。UDREI值從0～15，其中：14代表沒有監(jiān)測到該衛(wèi)星，15代表UDRE數(shù)據(jù)不可用。

從上述UDRE的計算方法可以看出，對于同一顆衛(wèi)星，其UDRE值與其可見的RIMS個數(shù)相關(guān)；可見RIMS個數(shù)越多，dR越多，從式（2）可以發(fā)現(xiàn)，此時的UDRE對衛(wèi)星星鐘/星歷誤差的反應(yīng)也越精確。

1.3 GIVE計算方法分析

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的主要誤差源之一是電離層誤差?，F(xiàn)有C/A碼接收機用戶使用衛(wèi)星廣播的Klobuchar模型參數(shù)法只能修正50%左右的電離層誤差。EGNOS采用格網(wǎng)校正法，能夠為單頻用戶提供實時、大范圍、精確的電離層修正。這種校正法將區(qū)域內(nèi)電離層參考面上（通常為350～400 km）經(jīng)度線和緯度線按5°的間隔分割成格網(wǎng)；再根據(jù)分布于EGNOS系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測站實時精確測定的電離層時延值，用一定算法獲得格網(wǎng)點的天頂電離層時延值；再通過靜止衛(wèi)星在區(qū)域內(nèi)廣播；而用戶將根據(jù)自己接收的信號和其周圍可用格網(wǎng)點的數(shù)據(jù)，對測距信號進行電離層時延修正。具體計算步驟如下：

1）監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)通過預(yù)處理得到第i個穿透點IPP在t時刻的電離層視線延遲估值，該值通過傾斜因子轉(zhuǎn)換得到電離層垂直延遲估值IIPPi（t）。同時，由前一更新周期內(nèi)插出第i個IPP在t時刻的電離層垂直延遲，然后計算該IPP電離層的垂直延遲誤差e

2）假設(shè)廣域增強系統(tǒng)中監(jiān)測站向中心站傳輸觀測數(shù)據(jù)的更新率是10 s，而中心站向用戶廣播網(wǎng)格點垂直延遲和GIVE的更新率是3 min，那么對于每個IPP都會得到由18個eIP（Pt）為1組的電離層垂直延遲的誤差序列。

3）中心站判斷第j個網(wǎng)格點IGP周圍相鄰4個單元中的誤差序列數(shù)目。如果其中至少有3個網(wǎng)格單元，每個單元中至少含有1個垂直誤差序列，才可計算該IGP點的GIVE值；否則，標記該IGP的GIVE在下一個3 min內(nèi)是“不可用”的。

4）對3 min內(nèi)滿足以上條件的每一條IPP誤差序列構(gòu)造誤差限差m=18，為對應(yīng)置信度99.9%的分位數(shù)。

5）由中心站計算網(wǎng)格點處絕對垂直誤差

其中：θi是測站對衛(wèi)星的高度角；dij是第i個IPP到第j個IGP間的距離；n為鄰近網(wǎng)格的穿透點個數(shù)。

6）計算網(wǎng)格點IGP點處的GIVE

其中：第1項為所有穿透點誤差限值的最大值；第2項為網(wǎng)格點電離層延遲的絕對誤差；q/2是最大量化誤差。

7）將網(wǎng)格點電離層延遲誤差GIVE按GIVE標記值（grid ionospheric vertical error indicator，GIVEI）分檔輸出。GIVEI值從0～15，其中15代表與該格網(wǎng)點未被監(jiān)測到。

從上述GIVE的計算方法可以看出，對于某一確定的電離層格網(wǎng)點（ionospheric grid point，IGP），其對應(yīng)的GIVE值與其周圍的可用電離層穿透點（ionospheric pierce point，IPP）相關(guān)，可用IPP個數(shù)越多，其對電離層延遲誤差的估計越精確。

2EGNOS實測數(shù)據(jù)分析

本節(jié)基于2012年EGNOS升級后的實測數(shù)據(jù)，對EGNOS的UDRE和GIVE進行了討論，重點分析了UDREI與衛(wèi)星可見的RIMS個數(shù)之間的關(guān)系，和GIVEI與IGP可見的IPP個數(shù)之間的關(guān)系。

截至2012年3月下旬，EGNOS共有37個RIMS。但是，其中部分RIMS尚處于測試階段，未投入運行；部分RIMS僅用于UDRE監(jiān)測或者僅用于GIVE監(jiān)測。實際用于UDRE監(jiān)測的RIMS共有31個，用于GIVE監(jiān)測的RIMS共有33個[7-9]。

截至2012年3月下旬，EGNOS中使用了4個垂向格網(wǎng)帶（南北方向）和1個橫向格網(wǎng)帶（東西方向）。其中，垂向格網(wǎng)帶包括第3帶（55個IGP）、第4帶（85 個IGP）、第5帶（78個IGP）、第6帶（21個IGP）；橫向格網(wǎng)帶為第9帶（80個IGP）[7-10]。

圖2中顯示了EGNOS中使用的RIMS和IGP，三角形代表IGP，圓圈代表RIMS。

2.1 UDREI與衛(wèi)星可見RIMS個數(shù)間的關(guān)系分析

基于EGNOS中RIMS位置，和從GPS衛(wèi)星歷書計算出來的衛(wèi)星位置，計算每顆衛(wèi)星的可見RIMS個數(shù)。同時，從GEO衛(wèi)星廣播的增強信息中讀取星鐘/星歷校正信息，基于此提取每顆被監(jiān)測衛(wèi)星的UDREI值。根據(jù)衛(wèi)星可見的RIMS個數(shù)和其UDREI值，分析二者之間的關(guān)系。具體的統(tǒng)計分析流程如圖3所示。

圖2 EGNOS的RIMSs和IGPsFig.2 RIMSs and IGPs of EGNOS

圖3 UDREI統(tǒng)計分析算法流程圖Fig.3 Flow chart of the statistic and analysis of UDREI

處理從2012年3月13日—4月12日一個月的EGNOS數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，當衛(wèi)星可見的RIMS個數(shù)較少時，UDREI值為14，即不可監(jiān)測；隨著可見RIMS個數(shù)的增多，UDREI逐漸減小，當衛(wèi)星可以看到所有的RIMS，即可見RIMS達到31個時，UDREI值集中在6附近。

圖4 30天實測數(shù)據(jù)的UDREI樣本值分配圖Fig.4 UDREI samples distribution based on 30 days EGNOS data

對同一可見RIMS個數(shù)對應(yīng)的UDREI值進行平均，再對該值進行向上取整（保守處理，為了保證系統(tǒng)的完好性），得到的結(jié)果如表1所示。

表1 可見RIMS個數(shù)和UDREI之間的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Relationship between number of visible RIMS and UDREI

2.2 GIVEI與IGP可見IPP個數(shù)之間的關(guān)系分析

與UDREI的處理方法類似，對EGNOS的GIVEI進行統(tǒng)計分析。首先，基于RIMS的位置和衛(wèi)星位置，計算IPP的位置；其次，根據(jù)IGP和IPP的位置，計算每個IGP的可見IPP個數(shù)，此處的“可見”是指該IPP 與IGP之間的距離小于600 km，因為EGNOS格網(wǎng)大小為5°，大約為600 km；然后，從GEO衛(wèi)星廣播的增強信息中讀取電離層校正信息，從中提取每個可用IGP的GIVEI的值；最后，統(tǒng)計所有可用IGP的可見IPP個數(shù)與GIVEI值。具體的統(tǒng)計分析流程如圖5所示。

圖5 GIVEI統(tǒng)計分析算法流程Fig.5 Flow chart of statistic and analysis of GIVEI

處理從2012年3月13日—4月12日的EGNOS數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，可見IPP較少時，GIVEI值為15，即未監(jiān)測到；隨著可見IPP個數(shù)的增多，GIVEI值減小。

對同一可見IPP個數(shù)對應(yīng)的GIVEI值進行平均，再對該值向上取整（保守處理，為了保證系統(tǒng)的完好性），得到的結(jié)果如表2所示。

圖6 30天實測數(shù)據(jù)的GIVEI樣本值分配圖Fig.6 GIVEI samples distribution based on 30 days EGNOS data

3 結(jié)語

通過以上分析可知，在ECAC范圍內(nèi)，EGNOS中：

1）衛(wèi)星可見RIMS個數(shù)越多，其對應(yīng)的UDREI值越小。當可見RIMS個數(shù)為0～2時，其對應(yīng)的UDREI值為14，隨著可見RIMS個數(shù)增多，其對應(yīng)的UDREI值減小，當可見RIMS個數(shù)達到17及以上時，UDREI值為6。

2）IGP可見（距離小于600 km）IPP個數(shù)越多，其對應(yīng)的GIVEI值越小。當可見IPP個數(shù)為0或1時，其GIVEI值為15，隨著可見IPP個數(shù)增多，其對應(yīng)的GIVEI值減小，當可見IPP個數(shù)達到10及以上時，GIVEI值為8。

本文所提方法和得到的結(jié)論具有較強的工程應(yīng)用價值，可為中國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣域增強系統(tǒng)建設(shè)提供參考和建議措施。

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（責任編輯：黨亞茹）

Key parameters processing and analysis for EGNOS integrity

FANG Ji-si1，ZHU Yan-bo1，WANG Zhi-peng2
（1.Aviation Data Communication Corporation，Beijing 100191，China；2.Beihang University，Beijing 100191，China）

Based on the algorithm of the user difference range error（UDRE）of european geostationary navigation overlay service（EGNOS），foreachsatellite，therelationshipbetweentheUDREandthenumberofvisible ranging and integrity monitoring stations（RIMS）is analyzed.Also，for each ionospheric grid point（IGP），based on the algorithm of grid ionospheric vertical error（GIVE），the relationship between the GIVE and the number of visible ionospheric pierce point（IPP）is analyzed.Then，the data after EGNOS system updated in 2012 is processed，and some conclusions are obtained.In European civil aviation conference（ECAC），the more the visible RIMS is，the less the UDRE indicator（UDREI），and when the visible RIMS is 17 or more，the UDREI is 6. The more the visible IPP is，the less the GIVE indicator（GIVEI），when the visible IPP is 10 or more，the GIVEI is 8.

augmentation；integrity；European geostationary navigation overlay service；grid ionospheric vertical error；user difference range error

TN967.1

A< class="emphasis_bold">文章編號：1

1674－5590（2013）01－0013－05

2012-05-04；

2012-08-10

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2011CB707004）；國家科技支撐計劃項目（2011BAH24B02）；國家自然科學(xué)基金項目（61079016）

方繼嗣（1978—），男，湖南岳陽人，工程師，碩士，研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng).