卫星导航差分系统和增强系统(十五)
2019-09-25刘天雄
+ 刘天雄
3.4.3 日本多功能卫星增强系统(MSAS)
多功能卫星增强系统(Multi-Functional Satellite Augmentation System,MSAS)是GPS在日本的星基增强系统,目的是提高GPS的精度、完好性和可用性。利用日本多功能交通卫星(Multifunctional Transport Satellites,MTSAT)播发GPS的差分改正数和完好性信息。MSAS由日本民航局(Japanese Civil Aviation Bureau)负责建设,1996年,日本启动MSAS建设,合同承包商是阿尔卡特(Alcatel)、东芝(Toshiba)和三菱(Mitsubishi)公司,2007年9月27日,MSAS宣布开始运行,为民航飞机航路和非精密进近提供水平引导服务,此外,MSAS还为日本飞行区的飞机提供全程气象和天气数据信息服务。
MSAS由地面段、空间段、用户段三部分组成,系统组成如图51所示,地面参考站网络接收并处理GPS信号,生成SBAS电文并上注给GEO卫星,再由卫星将SBAS增强信号透明转发给用户,用户根据SBAS电文修正位置解算结果,同时获取系统完好性告警信息。地面段由4个分别位于日本Sapporo、Tokyo、Fukuoka、Naha的地面监测站(Ground Monitor Station,GMS)、2个分别位于Kobe和Hitachiota的主控站(Master Control Station,MCS),以及2个分别位于夏威夷和澳大利亚的监测及测距站(Monitor and Ranging Station,MRS)组成。
MSAS地面段地面监测站GMS负责监测GPS和MTSAT卫星播发的信号,主控站MCS根据地面监测站GMS监测的信号,进一步计算GPS信号的差分改正数和系统完好性等级,将增强电文上注给卫星,监测及测距站MRS的主要任务有两方面,一是监测GPS和MTSAT卫星播发的信号,二是修正MSAS的GEO卫星轨道参数,精密确定卫星的星历。
图51 日本MSAS多功能卫星增强系统组成
MSAS空间段由两颗位于地球同步静止轨道(GEO)的MTSAT多功能交通卫星组成,配置的导航载荷模块透明转发主控站MCS生成的差分改正数和系统完好性增强电文。2005年2月26日,由美国Loral空间系统公司研制的MTSAT-1R卫星发射入轨,也称为Himawari 6卫星,卫星定点于140°E,GPS分配的测距码编号是PRN129,美国电气制造商协会(National Electrical Manufactureers Association,NEMA)编号NEMA42。2006年2月18日,由日本Mitsubishi公司研制的MTSAT-2卫星发射入轨,也称为Himawari 7卫星,卫星定点于145°E,GPS分配的测距码编号是PRN137,美国电气制造商协会编号NEMA50。两颗卫星设计寿命均是5年,Kobe和Hitachiota的主控站(MCS)分别控制这两颗卫星的运行状态,卫星利用GPS L1频点广播MSAS增强信号,同时播发Ku波段高速的通信信息和气象数据。
MSAS用户段是能够接收GPS信号和MSAS增强信号的SBAS接收机,利用GPS信号确定用户的位置和时间信息,利用MSAS增强信号获得GPS信号的差分改正数据以进一步提高定位精度,同时获得GPS的完好性告警信息。机载设备需要完全满足航空无线电技术委员会RTCA定义的最小操控性能标准MOPS要求,需要满足RTCA SBAS MOPS DO-229标准相关要求。
MSAS通过GEO播发GPS系统测距信号和导航增强信息,覆盖范围为日本所有飞行服务区,MSAS服务范围如图52所示,系统能够满足国际民航组织(ICAO)对非精密进近阶段(NPA)和I类垂直引导进近(APV-I)阶段的服务要求。
MSAS增强信号结构符合ICAO SARPs制定的SBAS星基增强标准,包括载波频率、带宽、数据速率、信号轻度等内容,其中中心频点(Frequency):L1 = 1575.42MHz;信号带宽(Bandwidth): L1 ±2.2 MHz band;数据速率(Data Rate):原始导航增强电文采用与前向误差修正码(Forward Error Correcting,FEC)的1/2卷积编码方案,增强电文的信速速率250 bits,符号率息500 symbols per Second;信号强度:对于地面5°以上仰角的用户,系统增强信号的落地电平>-161 dBW。详见ICAO Standards and Recommended Practices, Annex 10,Volume 1 Radio Navigation Aids, July 2006。
2007年9月27日,MSAS正式为民航用户提供服务,有4个特点,一是向民航飞机航路(En-route)到非精密进近(Non Precision Approach,NPA)提供水平引导服务,二是向亚洲和太平洋地区用户提供7×24小时的全天候导航服务,三是服务区覆盖日本Fukuoka飞行信息区(Flight Information Region),四是通过NOTAM(notice to airmen)航空通信代码将MSAS增强信息播发给民航用户。MSAS启用后有效地提高了日本航空运输的安全与效率,MSAS飞行程序实施布局如图53所示,
MSAS通过两颗GEO卫星播发GPS测距信号和导航增强信息,覆盖范围为日本所有飞行服务区,系统性能也是由定位精度、系统完好性、可用性和连续性来表征,MSAS系统为航空用户提供飞机航路到非精密进近NPA提供水平引导服务指标的实现情况如表20所示,
MSAS计划升级完好性监测算法,引入GMS通信网络信息,满足国际民航组织ICAO规定的带垂直引导的水平进近LPV-200要求,此外,计划进一步扩展L1频点的带宽,播发L5频点的增强信号,以支持不同SBAS和多个卫星导航系统系统之间的双频多系统兼容互操作业务。
图52 MSAS覆盖和服务区
图53 MSAS飞行程序实施布局
表20 MSAS为航空用户提供导航非精密进近指标的实现情况
3.4.4 印度GPS辅助地球静止轨道卫星导航增强系统(GAGAN)
GPS辅助地球静止轨道卫星导航增强系统(GPS Aided Geo Augmented Navigation,GAGAN)是印度政府建设的GPS星基增强系统,2001年8月,印度机场管理局(Airports Authority of India,AAI)和印度空间研究组织(Indian Space Research Organization,ISRO)达成协议共同建设GAGAN系统,GAGAN建设分为技术演示验证(Technology Demonstration System,TDS)、初始试验阶段(Initial Experimental Phase,IEP)和最终运行阶段(Final Operational Phase,FOP)三个阶段。
2007年8月,印度空间研究组织(ISRO)利用INMARSAT 4F1通信卫星的导航载荷模块完成了GAGAN系统技术演示验证试验,2009年成了GAGAN系统初始试验阶段的工作,2009年,美国Raytheon公司获得ISRO合同,负责建设GAGAN系统的地面段部分设施。2011年5月和2012年9月,印度利用欧洲Ariane-V运载火箭在法属Guiana Kourou发射场分别成功发射了两颗搭载GAGAN系统SBAS载荷的GSAT-8卫星和GSAT-10卫星,2013年6月,GAGAN系统完成了GPS导航增强业务的稳定性测试,印度民航总局(Director General of Civil Aviation,DGCA)组织专家对稳定性测试结果开展了评估工作。
GAGAN系统由空间段、地面段和用户段组成,系统组成如图54所示,空间段由3颗位于印度洋上空的GEO卫星构成,能够播发L1和L5两个频点的增强信号;地面段由15个参考基准站(Indian Reference Station,INRES)、2个主控站(Indian Master Control Centre,INMCC)、3个地面上行链路站(Indian Land Uplink Station,INLUS)以及2个运行开展中心(operational Control Centre,OCC)。
GAGAN系统参考基准站INRES负责接收和处理GPS信号并将伪距观测结果送到主控站INMCC,主控站INMCC负责计算差分改正数并评估GPS系统的完好性等级,同时生成GAGAN系统增强电文,再由地面上行链路站INLUS将GAGAN增强电文上行注入给空间段GEO卫星。用户段由GAGAN接收机组成,与WAAS系统接收机类似,可以同时接收GPS信号和GAGAN增强信号,机载用户设备可以满足民用航空SBAS标准要求。
图54 印度GPS和地球静止轨道卫星增强导航系统组成
图55 GAGAN系统的服务区域
两颗地球静止轨道卫星分别是GSAT-8(PRN-127)和GSAT-10(PRN-128),卫星上行链路采用C波段接收导航电文,卫星下行链路采用L波段播发增强信号,频点与GPS的L1(1575.42MHz)和L5(1176.45 MHz)完全相同,信号包括测距信号和导航增强信息,GAGAN系统增强电文数据格式符合国际民航组织ICAO SARPS附件B相关规定,机载增强接收设备符合RTCA MOPS DO-229D相关规定,详见The EGNOS SBAS Message Format Explained相关说明。
GAGAN系统的运行性能目标是在印度飞行信息区(Flight Information Region,FIR)满足航路导航性能RNP 0.1要求,在印度本土陆地飞行信息区满足二类垂直引导进近APV-II导航性能要求。2013年12月30日,印度民航总局DGCA评估确认GAGAN系统的性能满足航路导航性能RNP 0.1要求,这意味着装备GAGAN系统机载增强接收设备的飞机,在印度领空可以依靠GAGAN系统实现航路导航和没有垂直引导的非精密进近操作。GAGAN系统可靠的填补了欧洲EGNOS和日本MSAS星基增强服务区之间的间隙。GAGAN系统的服务区域如图55所示,
GAGAN于2015年4月21日正式提供APV-I服务,在印度民航局AAI的在其民用航空草案中明确规定2017年4月1日以后在印度民航局AAI注册的飞机必须安装GAGAN设备。GAGAN系统提供APV-1和LPV200民航飞机进近服务区域及系统可用性水平如图56所示,
表21 3颗GEO轨道Luch通信卫星信息
3.4.5 俄罗斯差分校正与监视系统(SDCM)
俄罗斯联邦空间局研制了差分校正和监视系统(System for Differential Corrections and Monitoring,SDCM),系统由空间段、地面段和用户段构成,系统组成如图57所示,空间段包括3颗GEO卫星;地面段主要由参考站网络、数据处理中心、上行注入站和地面广播网络组成,其中参考站网络由分布于俄罗斯境内的19个地面监测站和5个境外参考站组成,数据处理中心及其备份设施位于莫斯科,SDCM系统除了依靠3颗GEO卫星播发增强电文外,还通过互联网(SISNeT服务器)、GSM蜂窝通信网络(NTRIP服务器)向用户实时提供GLONASS、GPS的差分改正数以及系统的完好性信息。
SDCM是俄罗斯GLONASS卫星导航系统的星基增强系统,SDCM系统工作原理与WAAS类似,能够监测GLONASS和GPS导航信号,对导航信号进行1Hz的观测采样,由数据处理中心计算GLONASS和GPS系统的差分改正数和系统的完好性信息.
SDCM系统利用Luch多功能空间中继卫星系统的3颗GEO地球静止轨道通信卫星搭载差分校正和监视系统转发器载荷,播发差分改正数和系统完好性信息,实现对俄罗斯服务区的覆盖Loutch卫星由位于克拉斯诺亚尔斯克的列舍特涅夫研究与产品中心研制,3颗GEO轨道Luch通信卫星的信息如表21所示,
S D C M系统的设计目标主要是监测GLONASS和GPS卫星导航系统的完好性、提供GLONASS系统的差分改正数、评估GLONASS系统的性能。实测表明,SDCM系统的可以大幅度提高GLONASS系统的定位精度,水平定位精度可达1~1.5米,垂直定位精度可达2~3米,参考站附近(200千米范围内)的实时定位精度可以达到厘米级。详见http://sdcm.rniikp.ru相关说明。(全篇完)SATNET