EGNOS完好性关键参数的处理与分析

方继嗣，朱衍波，王志鹏（.民航数据通信有限责任公司，北京 009；.北京航空航天大学，北京 009）

EGNOS完好性关键参数的处理与分析

方继嗣1，朱衍波1，王志鹏2
（1.民航数据通信有限责任公司，北京 100191；2.北京航空航天大学，北京 100191）

基于欧洲静地轨道卫星导航重叠服务（european geostationary navigation overlay service，EGNOS）中用户差分距离误差 （user difference range error，UDRE）和格网电离层垂直误差 （grid ionospheric vertical error，GIVE）算法，分析了UDRE与卫星可见的距离修正和完好性监测站（ranging and integrity monitoring stations，RIMS）个数之间的关系，以及GIVE与电离层格网点（ionospheric grid point，IGP）可见的电离层穿透点（ionospheric pierce point，IPP）个数之间的关系。通过对2012年EGNOS升级后为期一个月的实测数据的统计分析得出结论：在欧洲民航理事会 （european civil aviation conference，ECAC）区域，卫星可见的RIMS个数越多，其对应的UDRE标记值（UDRE indicator，UDREI）越小，当可见RIMS个数达到17及以上时，UDREI值为6；格网点可见的IPP越多，其对应的GIVE标记值（GIVE indicator，GIVEI）越小，当可见IPP个数达到10及以上时，GIVEI值为8。

增强；完好性；欧洲静地轨道卫星导航重叠服务；格网电离层垂直误差；用户差分距离误差

EGNOS属于欧洲全球卫星导航计划的第1阶段GNSS-1，通过地球静止卫星播报伪距改正和完好性信息，以改善GPS和GLONASS的性能，使之满足民用安全需求。EGNOS系统由欧洲空间局（European Space agency，ESA）、欧洲空中航行安全组织（European Organization for the Safety of Air Navigation，EUROCONTROL）和欧委会（European Commission，EC）于1993年联合共建[1]，目前已经建立了测试床（EGNOS system testbed，ESTB）[2]。2009年10月1日，EGNOS开始提供“公开服务”，2010年底，其“生命安全服务”开始运行[3]，2011年3月1日该服务正式用于民用航空。

EGNOS对欧洲“进近和着陆改进的优化程序和技术（optimized procedures and techniques for improvement of approach and landing，OPTIMAL）”等多个民用航空的重大项目提供技术支撑。西班牙GMV公司为西班牙机场和空中航行部门（Spanish airports and air navigation，AENA）开发了“EGNOSATC”工具，该工具可基于EGNOS飞行程序产生航行通告（notice to airmen，NOTAM），用于LPV和LNAV进近[4]，具备两大功能：①预测功能负责基于卫星几何、NANUs和GEO/RIMS通告预测EGNOS服务的可用性；②实时功能负责检测GPS和EGNOS卫星在RIMS站的可用性。该工具产生的所有信息将提供给空中交通管制（air traffic control，ATC）用户和航行情报服务（aeronautical information service，AIS）用户。此外，在EUROCAE主持完成的项目“EGNOS和GBAS原型分析系统（prototype EGNOS and GBAS analysis system using sapphire，pegasus）”中，也对EGNOS进行了性能预测、实时分析和事后处理等方面的研究。

EGNOS是目前世界上最成熟的两大卫星导航广域增强系统之一，对其研究，尤其是基于实测数据的研究具有重要的工程实践和应用价值。本文基于2012年3月中旬EGNOS系统升级后的实测数据，重点分析了EGNOS中的关键完好性参数UDRE和GIVE，得到了有意义的结果。

1 EGNOS完好性参数计算方法分析

星基增强系统需要分离广播星钟/星历误差和电离层延迟校正误差，因此关于星钟/星历校正的用户差分距离误差（user difference range error，UDRE）算法以及格网电离层垂直误差（grid ionospheric vertical error，GIVE）校正方法是广域增强系统的核心与关键问题[5-6]。本节在讨论二者计算方法的基础上，分析了UDRE与距离修正和完好性监测站（ranging and integrity monitoring stations，RIMS）之间的关系，以及GIVE与电离层穿透点（ionospheric pierce point，IPP）之间的关系。

1.1 EGNOS系统结构

EGNOS的系统结构由空间段、地面段和用户段三部分组成，如图1所示。空间段主要由GPS导航卫星、GLONASS导航卫星和3颗地球同步静止卫星，即ESA Artemis卫星（PRN124）、AOR-E（PRN120）和IOR-W（PRN126）组成（其中1颗为备份），主要任务是保持和实现与地面的RIMS和MCC之间的通讯联系，以及完成由MCC发送给用户的指令信息。地面段由34个测距完好性监测站（ranging and integrity monitoring station，RIMS））、4个中心处理站（master control center，MCC）以及6个导航地面站（navigation land earth station，NLES）组成，主要任务是对EGNOS系统进行全面控制和数据处理。用户段由EGNOS标准接收机组成，涉及到航空、航海和地面交通等应用，用户所使用的接收机需能同时接收EGNOS和GPS/ GLONASS的信号，并具有对这两者的信息进行定位数据综合处理的功能。

图1 EGNOS系统结构Fig.1 System architecture of EGNOS

1.2 UDRE计算方法分析

RIMS在计算UDRE时，由两路数据分别产生经过修正后的观测距离Rm和计算距离R，然后统计两路数据的差值，从而计算输出每颗卫星的UDRE值。具体计算步骤如下：

1）监测站测量的多频观测伪距在监测站经前述预处理后发送给中心站，在中心站完成对各监测站接收机的钟差解算。经监测站接收机钟差改正，得到的观测距离以Rm表示，这时Rm中仅包含卫星钟差。

2）计算距离由监测站已知坐标和经过改正的卫星坐标计算得到，并用接收的钟差快变和慢变改正数进行改正，以R表示。计算距离R中包含的误差有卫星星历残差与卫星钟差。

3）对Rm和R取差，其差值为

其中：dR仅包含该卫星的卫星星历残差与星钟残差。

4）中心站对监测同一颗卫星的不同监测站的所有差值dR进行统计，可得到相应卫星的UDRE值，即

5）计算出UDRE值以后，对UDRE值进行分档，用UDRE标记值（user difference range error indicator，UDREI）表示。UDREI值从0～15，其中：14代表没有监测到该卫星，15代表UDRE数据不可用。

从上述UDRE的计算方法可以看出，对于同一颗卫星，其UDRE值与其可见的RIMS个数相关；可见RIMS个数越多，dR越多，从式（2）可以发现，此时的UDRE对卫星星钟/星历误差的反应也越精确。

1.3 GIVE计算方法分析

卫星导航定位系统的主要误差源之一是电离层误差。现有C/A码接收机用户使用卫星广播的Klobuchar模型参数法只能修正50%左右的电离层误差。EGNOS采用格网校正法，能够为单频用户提供实时、大范围、精确的电离层修正。这种校正法将区域内电离层参考面上（通常为350～400 km）经度线和纬度线按5°的间隔分割成格网；再根据分布于EGNOS系统区域内各监测站实时精确测定的电离层时延值，用一定算法获得格网点的天顶电离层时延值；再通过静止卫星在区域内广播；而用户将根据自己接收的信号和其周围可用格网点的数据，对测距信号进行电离层时延修正。具体计算步骤如下：

1）监测站观测数据通过预处理得到第i个穿透点IPP在t时刻的电离层视线延迟估值，该值通过倾斜因子转换得到电离层垂直延迟估值IIPPi（t）。同时，由前一更新周期内插出第i个IPP在t时刻的电离层垂直延迟，然后计算该IPP电离层的垂直延迟误差e

2）假设广域增强系统中监测站向中心站传输观测数据的更新率是10 s，而中心站向用户广播网格点垂直延迟和GIVE的更新率是3 min，那么对于每个IPP都会得到由18个eIP（Pt）为1组的电离层垂直延迟的误差序列。

3）中心站判断第j个网格点IGP周围相邻4个单元中的误差序列数目。如果其中至少有3个网格单元，每个单元中至少含有1个垂直误差序列，才可计算该IGP点的GIVE值；否则，标记该IGP的GIVE在下一个3 min内是“不可用”的。

4）对3 min内满足以上条件的每一条IPP误差序列构造误差限差m=18，为对应置信度99.9%的分位数。

5）由中心站计算网格点处绝对垂直误差

其中：θi是测站对卫星的高度角；dij是第i个IPP到第j个IGP间的距离；n为邻近网格的穿透点个数。

6）计算网格点IGP点处的GIVE

其中：第1项为所有穿透点误差限值的最大值；第2项为网格点电离层延迟的绝对误差；q/2是最大量化误差。

7）将网格点电离层延迟误差GIVE按GIVE标记值（grid ionospheric vertical error indicator，GIVEI）分档输出。GIVEI值从0～15，其中15代表与该格网点未被监测到。

从上述GIVE的计算方法可以看出，对于某一确定的电离层格网点（ionospheric grid point，IGP），其对应的GIVE值与其周围的可用电离层穿透点（ionospheric pierce point，IPP）相关，可用IPP个数越多，其对电离层延迟误差的估计越精确。

2EGNOS实测数据分析

本节基于2012年EGNOS升级后的实测数据，对EGNOS的UDRE和GIVE进行了讨论，重点分析了UDREI与卫星可见的RIMS个数之间的关系，和GIVEI与IGP可见的IPP个数之间的关系。

截至2012年3月下旬，EGNOS共有37个RIMS。但是，其中部分RIMS尚处于测试阶段，未投入运行；部分RIMS仅用于UDRE监测或者仅用于GIVE监测。实际用于UDRE监测的RIMS共有31个，用于GIVE监测的RIMS共有33个[7-9]。

截至2012年3月下旬，EGNOS中使用了4个垂向格网带（南北方向）和1个横向格网带（东西方向）。其中，垂向格网带包括第3带（55个IGP）、第4带（85 个IGP）、第5带（78个IGP）、第6带（21个IGP）；横向格网带为第9带（80个IGP）[7-10]。

图2中显示了EGNOS中使用的RIMS和IGP，三角形代表IGP，圆圈代表RIMS。

2.1 UDREI与卫星可见RIMS个数间的关系分析

基于EGNOS中RIMS位置，和从GPS卫星历书计算出来的卫星位置，计算每颗卫星的可见RIMS个数。同时，从GEO卫星广播的增强信息中读取星钟/星历校正信息，基于此提取每颗被监测卫星的UDREI值。根据卫星可见的RIMS个数和其UDREI值，分析二者之间的关系。具体的统计分析流程如图3所示。

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

图3 UDREI统计分析算法流程图Fig.3 Flow chart of the statistic and analysis of UDREI

处理从2012年3月13日—4月12日一个月的EGNOS数据，得到的结果如图4所示。从图4可以看出，当卫星可见的RIMS个数较少时，UDREI值为14，即不可监测；随着可见RIMS个数的增多，UDREI逐渐减小，当卫星可以看到所有的RIMS，即可见RIMS达到31个时，UDREI值集中在6附近。

图4 30天实测数据的UDREI样本值分配图Fig.4 UDREI samples distribution based on 30 days EGNOS data

对同一可见RIMS个数对应的UDREI值进行平均，再对该值进行向上取整（保守处理，为了保证系统的完好性），得到的结果如表1所示。

表1 可见RIMS个数和UDREI之间的对应关系Tab.1 Relationship between number of visible RIMS and UDREI

2.2 GIVEI与IGP可见IPP个数之间的关系分析

与UDREI的处理方法类似，对EGNOS的GIVEI进行统计分析。首先，基于RIMS的位置和卫星位置，计算IPP的位置；其次，根据IGP和IPP的位置，计算每个IGP的可见IPP个数，此处的“可见”是指该IPP 与IGP之间的距离小于600 km，因为EGNOS格网大小为5°，大约为600 km；然后，从GEO卫星广播的增强信息中读取电离层校正信息，从中提取每个可用IGP的GIVEI的值；最后，统计所有可用IGP的可见IPP个数与GIVEI值。具体的统计分析流程如图5所示。

图5 GIVEI统计分析算法流程Fig.5 Flow chart of statistic and analysis of GIVEI

处理从2012年3月13日—4月12日的EGNOS数据，得到的结果如图6所示。从图6可以看出，可见IPP较少时，GIVEI值为15，即未监测到；随着可见IPP个数的增多，GIVEI值减小。

对同一可见IPP个数对应的GIVEI值进行平均，再对该值向上取整（保守处理，为了保证系统的完好性），得到的结果如表2所示。

图6 30天实测数据的GIVEI样本值分配图Fig.6 GIVEI samples distribution based on 30 days EGNOS data

3 结语

通过以上分析可知，在ECAC范围内，EGNOS中：

1）卫星可见RIMS个数越多，其对应的UDREI值越小。当可见RIMS个数为0～2时，其对应的UDREI值为14，随着可见RIMS个数增多，其对应的UDREI值减小，当可见RIMS个数达到17及以上时，UDREI值为6。

2）IGP可见（距离小于600 km）IPP个数越多，其对应的GIVEI值越小。当可见IPP个数为0或1时，其GIVEI值为15，随着可见IPP个数增多，其对应的GIVEI值减小，当可见IPP个数达到10及以上时，GIVEI值为8。

本文所提方法和得到的结论具有较强的工程应用价值，可为中国自主卫星导航系统的广域增强系统建设提供参考和建议措施。

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（责任编辑：党亚茹）

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">文章编号：1

1674－5590（2013）01－0013－05

2012-05-04；

2012-08-10

国家重点基础研究发展计划项目（2011CB707004）；国家科技支撑计划项目（2011BAH24B02）；国家自然科学基金项目（61079016）

方继嗣（1978—），男，湖南岳阳人，工程师，硕士，研究方向为卫星导航增强系统.