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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
2、外卫星导航增强系统主要分为 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2
3、0.卫星导航增强系统：SBAS,这些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
4、卫星导航增强系统所采用的增强技术分类,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（Wide Area Augmentation System，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-area Reference Station，WRS）采集GPS信号并传送给主控站（Wide-area Master Station，简称WMS）。WMS经过计算得出差分改正（Deviat
5、ion Correction，DC）并将改正信息经地面上行注入站传送给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35m，垂直精度37m。,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
6、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（Instrument Landing System，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。,
7、GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,第4阶段（20142028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A
8、nik F-1R。此外，2010年末国际海事卫星Inmarsat-4 -F3成为了WAAS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2
9、0.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（EGNOS）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
10、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：SBAS,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
11、-3 F2（AOR-E）、Inmarsat-3 F1（IOR）以及ARTEMIS卫星，轨道分别为西经15.5、东经65.5以及东经21.3。Inmarsat-3 F1和Inmarsat-3 F2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（Martin Marietta Astro Space），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
12、。,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.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-Functional Satellite Augmentation System) 是日本的多功能GPS卫星
13、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
14、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GPS L1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,MSA
15、S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MTSAT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
16、 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GEO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，
