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1、GPS理论与应用 20 卫星导航增强系统 SBAS 刘瑞华中国民航大学电子信息与自动化学院 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 授课内容1 国外卫星导航增强系统发展2 SBAS系统原理3 卫星导航差分增强技术 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 1 国外卫星导航增强系统发展 星导航增强系统是卫星导航系统建设中的一项重要内容 堪称卫星导航系统的 能力倍增器 目前的卫星导航系统尽管已经在各个民商用领域应用广泛 并且成为各大强国发展所不可或缺的一环 但由于技术和系统的局限性 在某些领域如航空精密进近等仍无法满足需求 需要增强系统将其能力加以提升 目前 国外卫星导航增强系统
2、主要分为星基增强系统 SBAS 地基增强系统 GBAS 星基增强系统 SBAS 通过地球静止轨道 GEO 卫星搭载卫星导航增强信号转发器 可以向用户播发星历误差 卫星钟差 电离层延迟等多种修正信息 实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进 从而成为各航天大国竞相发展的手段 目前 全球已经建立起了多个SBAS系统 如美国的广域增强系统 WAAS 俄罗斯的差分校正和监测系统 SDCM 欧洲的欧洲地球静止导航重叠服务 EGNOS 日本的多功能卫星星基增强系统 MSAS 以及印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统 GAGAN 各SBAS系统全球分布图 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 这些
3、系统综合使用了各种不同增强效果的导航增强技术 最终实现了其增强卫星导航服务性能的目的 从增强效果上看 这些增强系统所使用的卫星导航增强技术主要包括精度增强技术 完好性增强技术 连续性和可用性增强技术 其中 精度增强技术主要运用差分原理 进一步可分为广域差分技术 局域差分技术 广域精密定位技术和局域精密定位技术 完好性增强技术主要运用完好性监测原理 进一步可分为系统完好性监测技术 广域差分完好性监测技术等等 连续性和可用性增强技术主要是增加导航信号源 进一步可分为天基卫星增强技术 地基伪卫星增强技术等 当前卫星导航增强系统所采用的各种增强技术分类见下表 当前卫星导航增强系统所采用的增强技术分类
4、GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 1 1美国广域增强系统广域增强系统 WideAreaAugmentationSystem 简称WAAS 是由美国联邦航空局 FAA 开发建立的一个主要用于航空领域的导航增强系统 该系统通过GEO卫星播发GPS广域差分数据 从而提高全球定位系统的精度和可用性 美国WAAS利用遍布北美和夏威夷的地面参考站 Wide areaReferenceStation WRS 采集GPS信号并传送给主控站 Wide areaMasterStation 简称WMS WMS经过计算得出差分改正 DeviationCorrection DC 并将改正信息经地面上行注
5、入站传送给WAAS系统的GEO卫星 最后由GEO卫星将信息播发给地球上的用户 这样用户就能够通过得到的改正信息精确计算自己的位置 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 第1阶段为初始运行能力阶段 IOC 其研发始于20世纪90年代 2003年7月10日完成 实现WAAS信号对95 的美国领土的覆盖 动态定位水平精度3 5m 垂直精度3 7m WAAS发展阶段部署与GEO卫星时间表 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 第2阶段 2003年 2008年 和第3阶段 2009年 2013年 将实现WAAS系统对航空进场着陆能力的改善 通过WAAS实现飞机的LPV 垂直指引功
6、能定位信标 和LPV 200能力 可以使飞机在不具备仪表着陆系统 InstrumentLandingSystem ILS 又译为仪器降落系统 是目前应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统 它是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引 建立一条由跑道指向空中的虚拟路径 飞机通过机载接收设备 确定自身与该路径的相对位置 使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度 最终实现安全着陆 的飞机场仍可实现类似于仪表着陆的高安全性着陆 而开通LPV 200认证的飞机能够使降落判决最小高度降低至200英尺 从而提高了跑道的可用性 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 第4阶段 2014 2
7、028年 WAAS系统将增加L5频段信号 并实现L1和L5的双频跟踪能力 按照计划 此项能力将在2019年左右初步实现 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 在WAAS建立之初 其空间段由两颗国际海事卫星Inmarsat 3 F4 西太平洋地区AOR 和Inmarsat 3 F3 太平洋地区 POR 组成 两颗GEO卫星的轨道分别位于西经133 和西经107 现在 这两颗卫星已经分别被另外两颗GEO卫星所取代 即国际通信卫星有限公司 Intelsat 的商业卫星Galaxy 15以及加拿大的通信卫星Anik F 1R 此外 2010年末国际海事卫星Inmarsat 4 F3成为了W
8、AAS系统的第三颗GEO卫星 轨道为西经98 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 1 2俄罗斯差分校正和监测系统自2002年起 俄罗斯联邦就开始着手研发建立GLONASS系统的卫星导航增强系统 差分校正和监测系统 SDCM SDCM将为GLONASS以及其他全球卫星导航系统提供性能强化 以满足所需的高精确度及可靠性 和其他的卫星导航增强系统类似 SDCM也是利用差分定位的原理 该系统主要由3部分组成 差分校准和监测站中央处理设施用来中继差分校正信息的地球静止轨道卫星 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 1 3欧洲地球静止导航重叠服务欧洲地球静止导航重叠服务 EGNO
9、S 是欧洲自主开发建设的星基导航增强系统 它通过增强GPS和GLONASS卫星导航系统的定位精度 来满足高安全用户的需求 它是欧洲GNSS计划的第一步 是欧洲开发的Galileo卫星导航系统计划的前奏 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS EGNOS系统是欧洲航天局 ESA 欧盟 EU 和欧洲航空安全组织 Eurocontrol 联合规划的项目 欧空局全面负责EGNOS系统的技术设计和工程建设 欧盟负责国际合作 并且确保把各类用户对系统的要求融入到EGNOS系统的设计和实施中 欧洲航空安全组织设计民用航空需求 并且在系统测试中扮演主要角色 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 S
10、BAS EGNOS系统已经于2009年开始正式运行使用 并将至少工作20年以上 目前 EGNOS系统可以提供三种服务 免费的公开服务 定位精度1m 已于2009年10月开始服务 生命安全服务 定位精度1m 已于2011年3月开始服务 EGNOS数据访问服务 定位精度小于1m 已于2012年7月开始服务 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS EGNOS系统空间段由三颗地球静止轨道通信卫星组成 搭载导航增强转发器 播发导航增强信号 目前该系统所使用的三颗卫星为Inmarsat 3F2 AOR E Inmarsat 3F1 IOR 以及ARTEMIS卫星 轨道分别为西经15 5 东经65
11、 5 以及东经21 3 Inmarsat 3F1和Inmarsat 3F2是国际移动卫星 Inmarsat 的第3代 卫星的主承包商是马丁 玛丽埃塔航天公司 MartinMariettaAstroSpace 有效载荷由马特拉 马可尼航天公司提供 采用GE 4000平台 阿特米斯 ARTEMIS 卫星是在ESA的支持下发展的试验通信卫星 全称为 先进中继和技术试验任务卫星 主要目标是验证移动通信和数据中继相关的通信技术 ARTEMIS卫星于2001年7月12日发射 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS EGNOS系统空间段覆盖范围见下图 EGNOS系统空间段覆盖 GPS理论与应用20
12、 卫星导航增强系统 SBAS 目前 欧洲具备EGNOS能力的飞机场已经超过了50个 以法国和德国为主 而未来计划配备EGNOS能力的飞机场还将超过50个 这样来看 未来在欧洲将至少有100个机场具备EGNOS能力 具备EGNOS系统的机场分布图 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 1 4日本多功能卫星星基增强系统MSAS Multi FunctionalSatelliteAugmentationSystem 是日本的多功能GPS卫星星基增强系统 主要目的是为日本航空提供通信与导航服务 系统覆盖范围为日本所有飞行服务区 也可以为亚太地区的机动用户播发气象数据信息 该项目由日本气象局
13、和日本交通部于1996年开始实施 合同承包商是阿尔卡特 东芝和三菱公司 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS MSAS的空间段由两颗多功能传输卫星 MTSat 组成 它们是日本发展的地球静止轨道气象和环境观测卫星 向日葵 Himawari 卫星的第二代 MTSat是日本国土交通省 MLIT 和日本气象厅共同出资发展的气象观测与GPS系统导航增强卫星 除了为日本气象厅提供气象服务外 还为日本民航局 JCAB 执行航空运输管理和导航服务 美国劳拉空间系统公司是MTSat 1 1R卫星的主承包商 日本三菱电机公司是MTSat 2卫星的主承包商 截至目前 在轨运行的卫星包括MTSat 1R
14、和MTSat 2 分别位于东经140 和145 上 采用Ku波段和L波段两个载波 其中Ku波段主要用于播发气象数据 L波段频率与GPSL1频段相同 主要用于导航服务 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS MSAS系统的地面段包括 2个主控站分别位于神户和常陆太田 4个地面监测站 GMS 分别位于福冈 札幌 东京和那霸 2个监测测距站 MRS 分别位于夏威夷和澳大利亚 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS MSAS系统构成 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 日本的多功能卫星星基增强系统 MSAS 已于2007年9月实现初始运行 完成了地面系统以及两颗MTS
15、AT卫星的集成 卫星覆盖区域测试以及MTSAT卫星位置的安全评估和运行评估测试 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 对非精密近进阶段 NPA 等方面的要求 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS MTSat 1R卫星 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 1 5印度GPS辅助静地轨道增强导航系统印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统 GAGAN 是由印度空间组织 ISRO 和印度航空管理局 AAI 联合组织开发 GAGAN系统的空间段由3颗位于印度洋上空的GE
16、O卫星构成 采用C频段和L频段 其中C频段主要用于测控 L频段与GPS的L1 1575 42MHz 和L5 1176 45MHz 频率完全相同 用于播发导航信息 并可与GPS兼容和互操作 空间信号覆盖整个印度大陆 能为用户提供GPS信号和差分修正信息 用于改善印度机场和航空应用的GPS定位精度和可靠性 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS 2 SBAS系统原理单纯依靠卫星导航系统 哪怕是目前定位精度最高的GPS系统 也无法满足一些对定位精度要求比较高的应用需求 比如航空领域的飞机精密进近等 因此 针对这种需求 尤其是来自航空业的迫切需要 许多国家都发展了自己的卫星导航增强系统 各类SBAS系统的工作原理大致相同 首先 由大量分布极广的差分站 位置已知 对导航卫星进行监测 获得原始定位数据 伪距 卫星播发的相位等 并送至中央处理设施 主控站 后者通过计算得到各卫星的各种定位修正信息 通过上行注入站发给GEO卫星 最后将修正信息播发给广大用户 从而达到提高定位精度的目的 GPS理论与应用20 卫星导航增强系统 SBAS SBAS系统原理示意图 GPS理论与应用20 卫星导航增强
