卫星导航差分系统和增强系统（十二）

+ 刘天雄

3.4.2 欧洲静止轨道卫星导航重叠服务

3.4.2.1 系统组成

欧洲地球静止轨道卫星导航重叠服务（European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS）是GPS在欧洲的星基增强系统（SBAS），目的是在欧洲民用航空委员会（European Civil Aviation Conference，ECAC）服务区域从定位精度和完好性两个方面改善GPS的导航性能，其中完好性需要满足导航服务的可用性和连续性指标要求。EGNOS系统通过GEO卫星广播GPS卫星轨道和时钟改正数、电离层延迟改正数、完好性信息，给出具有较高置信度的位置误差边界，达到增强GPS服务的目标。2002年，欧盟和欧空局（ESA）启动EGNOS系统论证，2005年建设地面运行控制系统并同步部署卫星，2008年1月份系统空间段卫星播发导航增强信号，2010年EGNOS全面运营。

图37 EGNOS系统组成

EGNOS系统由地面段、空间段、用户段三部分组成，如图37所示，地面段由4个任务控制中心（Mission Control Center，MCC）、41个地面测距和完好性监测站（Ranging and Integrity Monitoring Station，RIMS）、6个地面导航增强信息注入站(Navigation Land Earth Station，NLES)和一套EGNOS系统广域通信网络（Wide Area Network，EWAN）组成。MCC负责任务控制和数据处理工作，4个MCC中1个工作，1个热备，2个冷备；41个RIMS分布在欧洲20余个国家，负责监测GPS和GLONASS卫星信号。空间段包括3颗GEO卫星，卫星播发中心频点为1575.42MHz的EGNOS增强信号。此外，EGNOS系统配置了系统性能评估和检查机构（Performance Assessment and Checkout Facility，PACF）以及应用检定机构（Application Specific Qualification Facility，ASQF），作为系统正常运行的支撑机构。用户段由兼容GPS和GLONASS系统的EGNOS接收机组成，主要服务民用航空用户，也可以扩展到航海和铁路等交通领域用户。

EGNOS系统每个任务控制中心配置一套中心控制设备（Central Control Facility，CCF），用来控制EGNOS系统的运行，由工作人员值守，并不是一个自动化系统，以监控EGNOS系统的工作状态，确保系统服务的可用性。CCF的主要功能包括监控EGNOS系统所有地面系统的运行状态；监控EGNOS系统GEO卫星的运行状态，监控并预测EGNOS系统的服务性能；将所有接收到的数据和系统生成的数据存档；为EGNOS系统性能评估和检查机构、应用检定机构以及为空中交通管理（Air Traffic Control，ATC）提供数据接口。四套CCF中，一个当班工作，两个作为热备份，一个作为冷备份。EGNOS系统的设计方案可以确保当其中一个CCF工作异常时，系统能够做到无缝切换以确保EGNOS系统服务的连续性。

MCC的核心设施是中心处理设备（Central Processing Facility，CPF），CPF负责接收并处理来自地面测距和完好性监测站RIMS的原始数据，精确给出监测站视野范围内每颗GPS卫星的钟差、星历差分改正数、电离层延迟改正数，差分改正数的精度与面测距和完好性监测站RIMS的配置有关，EGNOS系统播发的电离层延迟改正数仅保证欧洲大陆用户的可用性，CPF组织架构如图38所示，

此外， MCC中的CPF根据系统播发的差分改正数还能进一步评估用户关心的改正数的残余误差，残余误差由用户差分测距误差（User Differential Range Error，UDRE）和格网电离层垂直误差（Grid Ionospheric Vertical Error，GIVE）两个参数来表征，其中用户差分测距误差是用户采用系统播发的卫星的星历和星钟差分改正数后，对残余测距误差的估计值；格网电离层垂直误差是用户采用系统播发的给定地理网格点的电离层延迟改正数后，对格网电离层垂直残余误差的估计。用户差分测距误差和格网电离层垂直误差可以用于确定水平和垂直定位误差总的误差边界。总的误差边界对于涉及生命安全的应用以及想知道位置解算结果的不确定性的用户是十分有益的。MCC的CPF能够检测出GPS、GLONASS以及自身GEO信号存在的任何异常现象，如果误差超出系统设定的门限，则在6s内可以给用户报出告警信息。

图38 任务控制中心MCC中心处理设备CPF组织架构

图39 EGNOS系统3颗GEO卫星覆盖范围

EGNOS系统用3颗GEO卫星覆盖整个欧洲服务区，包括两颗Inmarsat-III通信卫星 (AOR-E和IOR-W)和一颗ESA Artemis通信卫星，其中Inmarsat-III AOR-E卫星定点在15.5°W，GPS系统分配的PRN号为120；Inmarsat-III IOR-W卫星定点在65.5°E，GPS系统分配的PRN号为126；Artemis卫星定点在21.3°W，GPS系统分配的PRN号为124；3颗GEO卫星覆盖范围如图39所示，

EGNOS系统地面段地面测距和完好性监测站RIMS的最重要任务是监测GPS、GLONASS以及EGNOS系统GEO卫星信号，将监测到的原始数据以每秒一次的频度送给4个任务控制中心MCC的CPF，为了改善EGNOS系统性能同时扩大系统服务区域，EGNOS系统在欧洲大陆设置了41个监测站，监测站分布如图40所示，

EGNOS系统地面导航增强信息注入站（NLES）接收各个MCC的CPF生成的增强电文，根据CPF给出的服务质量（quality of service，QOS）和完好性标识（integrity flags），NLES可以在4个CPF生成的增强电文中选择最优的一组数据。6个NLES中，每2个注入站对应一颗GEO卫星，将任务控制中心MCC的中心处理设备CPF生成的增强电文上行注入给GEO卫星，对应关系如表14.18所示，

图40 EGNOS系统监测站分布

表14.18 地面注入站NLES与GEO卫星的对应关系

指定同一颗GEO卫星的两个注入站完全可以互为备份，一主一备，由于注入站的内部设备原因或者系统完好性机制导致其中一个注入站不能正常工作时，MCC的CPF负责实施主备注入站的切换，EGNOS系统在设计上可以避免两个注入站同时给一颗卫星注入数据。由于EGNOS系统GEO卫星在轨没有配置星载原子钟，不能向GPS卫星那样在轨生成精确的伪随机测距码，需要在NLES利用预先分配的GPS系统C/A码族的伪随机测距码扩频处理EGNOS系统增强电文，再利用与GPS L1 C/A信号时间完全同步的辅助信号生成EGNOS增强信号，最后利用变频调制技术将EGNOS增强信号变频到C频段并上行注入给GEO卫星，GEO卫星作为透明转发器，将EGNOS系统C频段增强信号下变频到L频段，仍利用GPS的L1频点将增强信号播发给用户。

除了MCC、RIMS、NLES、EWAN维持EGNOS系统正常运控外，EGNOS系统地面段还配置了一些辅助的支撑机构，开展系统维护和性能验证等方面的工作。其中系统性能评估和检查机构PACF对EGNOS系统运行提供支持，包括性能分析、运行维护、系统功能的升级和验证等工作；应用检定机构ASQF提供民用飞行和航空认证管理工作，对不同的EGNOS系统应用开展资格验证和认证工作，这两个机构由EGNOS系统服务中心（EGNOS Service Provider，ESP）负责运行和管理。另外，EGNOS系统建设前期设置了系统发展和验证平台（Development & Verification Platform，DVP），由于确认和验证EGNOS系统设计阶段的设计要求，由仿真平台、实时测试平台、总装集成和部装平台三部分组成，目前EGNOS系统发展和验证平台DVP已合并到系统性能评估和检查机构PACF。

EGNOS系统用户段由EGNOS接收机组成，同时接收GPS信号和EGNOS增强信号后才能为用户提供增强服务，EGNOS系统采用GPS系统L1频点（1575.42MHz）播发增强信号，因此，EGNOS接收机可以采用一套RF模块和接收天线，就能同时接收GPS和EGNOS信号，内置特殊的软件可以分别解调EGNOS系统增强电文和GPS电文，根据电文中的快变和慢变WAD广域差分修正数据，EGNOS接收机计算卫星轨道、时钟误差和电离层延迟的改正数，EGNOS接收机内置软件根据接收机的位置和当地时间还能进一步减缓对流层延迟的影响，提高GPS系统PNT解算精度。

EGNOS系统提供三种服务模式，一是开放服务（Open Service，OS），2009年10月1日，EGNOS系统向欧洲公众用户免费提供OS等级的增强服务，连续监测表明在99%时间内，EGNOS系统可以将GPS系统的定位精度提高到1～2米。二是生命安全服务（Safety of Life Service，SOL），2011年3月2日，欧洲卫星服务提供商（European Satellite Services Provider，ESSP）宣布在欧洲委员会（European Commission，EC）的授权下，EGNOS系统向欧洲航空用户提供最高等级的SOL增强服务，在6s内给出系统增强信号不可用完好性告警信息。三是商业数据发布服务（Commercial Data Distribution Service，CDDS），2010年4月，EGNOS系统向商业和专业用户提供高精度的双频伪距和载波相位观测信息、实时差分改正数以及系统完好性信息，用户必须付费方可使用该服务。SATNET