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欧洲的导航重叠系统(EGNOS)

添加时间:2018-10-16 来源:环球新时空信息技术研究院 作者:环球新时空信息技术研究院
  欧洲地球静止卫星导航重叠服务(EGNOS),为GPS标准定位服务提供了增强信号。该EGNOS信号与GPS L1(1575.42 MHz)的民用C/A信号,具有同样的信号频带与调制的民用信号功能。而GPS信号由来自绕地球运行的卫星,从而提供全球性的定位和定时信号服务,EGNOS拟在欧洲提供误差改正数和完好性信息,以改进定位导航服务。
 
  这些增强的实现,是通过为GPS卫星提供的轨道和时钟误差改正,并纠正用户信号路径上电离层延迟效应来得到的。通过EGNOS的GEO广播的复杂信息,其中还包括完好性数据,允许具有高置信度的残差约束条件。EGNOS已部署使用两个现有的INMARSAT-III导航转发器(AOR-E和IOR-W),加上阿蒂米斯卫星上的导航转发器(AOC)。
 
  (1)EGNOS的总体架构
 
  EGNOS整体架构非常复杂,而且高度冗余。它是由部署在20多个国家的超过40个部分组成。EGNOS的设计是为了满足国际SBAS标准,并执行以下任务:接收采集GPS / GLONASS/ GEO信号和数据;为服务区估计完好性数据和WAD(广域差分)改正参数;
 
  通过GEO卫星,发送一个类GPS信号,利用完好性和误差改正消息作为增强,发送给用户。并且验证这些完好性和改正信息的正确性。
 
  EGNOS由空间段、地面段、用户段和支持段等组成。地面段:精确计算差分改正和完好性界限,通过空间段的广播,向所有用户提供这些信息;空间段,使用三个地球静止轨道卫星,提供冗余的数据传输通道,向GNSS用户播出消息,其中包含差分改正信息与相关的完好性信息;用户段:由具有EGNOS功能的GNSS接收机完成,使用户能够准确地计算出自己的位置;支持段:包含离线支持设施的活动,如性能分析,故障排除,维护和质量保障。
 
  (2)EGNOS的空间段
 
  EGNOS的空间段,由3颗GEO卫星广播GPS卫星在L1频段(1575,42 MHz)的误差改正和完好性信息。这种卫星配置方法,即使有一个地球静止轨道卫星链路故障情况下,也能为整个服务区域提供高冗余度。EGNOS运作保持这样一种方式,在任何时间点,通常三个GEO中至少有两个在广播的运作信号可供使用。实际上仅需要跟踪单个GEO卫星链路,就可以从EGNOS的SoL服务中受益。这样,保证了在中断的情况下的切换能力,并确保连续性服务的高水平。
 
  应该强调指出的是,EGNOS空间段,将为了保持冗余度的类似水平而随时更新补充。未来卫星的准确轨道位置可♂会变化,但是这不会影响提供给用户的服务。同样地,不同的PRN码号码可被分配给将来的GEO卫星。然而,所有的SBAS用户接收机被设计为能够自动地检测和对SBAS保留一个预先分配组使用的任何代码。因此,这种演变将是透明的最终用户,因此将无需接收设备的任何人为干预或改变。
 
  图6.17  EGNOS星基增强系统区域覆盖图形
 
  (3)EGNOS的地面段
 
  EGNOS地面段,包括测距完好性监测站(RIMS)网、四个任务控制中心(MCC)、六个导航陆地地球站(NLES)和EGNOS广域网(EWAN)的网络。地面段还部署了两个额外的设施,以支持系统运作和提供服务,它们是性能评估和检测设施(PACF)与专用质量评估设施(ASQF),它们是由EGNOS服务提供商(ESSP SAS)加以运作。EGNOS系统是一种广泛分布和冗余系统。数据流从一个子系统到另一个子系统具有不同程度的关键性。
 
  图6.18 EGNOS的数据流流程图
 
  EGNOS的数据流流程如下:
 
  EGNOS主要功能由地面段通过以下关键子系统实现的,它们是:测距完好性监测站(RIMS)、中央处理设备(CPF)单元和导航陆地地球站:地面段是个周期性的同步和流水线作业系统。位于地理相隔的不同场所的子系统之同步,是通过GPS接收机提供以GPS时为参照的1PPS同步脉冲,与相关子系统实现同步。EGNOS地面段的另一个特点是,所有的监测和控制(M&C)由人工(而非自动功能)来执行的,功能的实现集中在中央控制设备(CCF)子系统,后者是在关键数据流流程外实现的。在另一个CCF(热备份)值班操作人员也已准备好,如果主CCF未能接管系统的监测和控制。其它的两个CCF作为冷备份,以防主CCF如果出现故障时,可以被重新激活。
 
  在EGNOS数据流表示中,实时关键数据流以红色表示,而非关键数据流以绿色显示。
 
  涉及关键数据处理的相关子系统,负责EGNOS系统主要性能的实现(包括精度、完好性、连续性、报警时间,和服务覆盖),而涉及管理非关键数据的子系统负责实现监测和控制(M&C)和归档功能。
 
  EGNOS地面段,还包括以下配套设施。PACF:性能评估和检测设备,提供区域性的性能分析、故障排除、操作流程,以及规范和验证的升级,并支持维护EGNOS管理工作;ASQF:专用质量评估设施提供民航与航空工具的认证机构资格验证,和认证不同的EGNOS的应用程序。
 
  (4)EGNOS的用户段
 
  EGNOS用户段为GNSS接收机(含有接收GPS信号的能力)。GNSS接收机只监控由卫星发出的信号,并不与卫星建立任何链接。因此,GNSS接收机不可能由第三方用于找出用户的位置,而不会让用户自己都不知道。
 
  为了获得能够与EGNOS兼容的接收GNSS信号的接收机,目前市场上有不同制造商制造的可用许多接收机。EGNOS接收机如同普通的GPS接收机,但其内部的特殊软件允许接收机锁定到由EGNOS卫星所使用的代码,并计算EGNOS改正的GPS信号。除了这一点,EGNOS接收机就像普通的GNSS接收机,并使用相同类型的天线。
 
  (5)EGNOS的信号
 
  EGNOS信号的射频特性。正如任何其他SBAS,EGNOS在L1频段(1575.42兆赫)广播的增强信息,采用右旋圆极化(RHCP)信号。每个单独的秒种,EGNOS发送的导航电文包含250比特的信息。这种原始的导航电文与前向纠错(FEC)码一起,通过?卷积编码导致500符号/秒的EGNOS数据流。这个数据流被加到模2和的1023位的PRN码上,将随后以1.023兆码片/秒(MCP的)的速率通过双相移键控(BPSK)调制到L1载波频率。
 
  对于地球表面的观测仰角大于5度、视线不受遮挡的情况下,EGNOS信号由3dBi线性极化天线所接收,信号功率在-161 dBW到-153 dBW范围内,假设天线的正对着电波传播方向。此外,寄生传输极限值至少被限制在未调制载波功率的40dB以下。拟在未来的更新过程中,将提高在EGNOS空间段的信噪比,以期改善在用户级别的跟踪性能。
 
  正如MOPSDO 229标准所述,与EGNOS信号特性最相关的部分详细描述如下:
 
   载波相位噪声:未调制载波的相位噪声谱密度定义为,10Hz单边噪声带宽的锁相环能够跟踪载波,精度达到0.1弧度(rms);
 
   信号谱:信号是在GPS L1频率1575.42兆赫上广播。至少95%广播功率被包含在L1频率为中心的+/- 12MHz的频带内。由EGNOS卫星发送的信号的带宽至少为2.2MHz;
 
   多普勒频移:多普勒频移,是由于GEO的相对运动造成的,可通过固定用户所感知的,由EGNOSGEO卫星广播的信号,卫星相对运动在最坏的情况下为每秒(在L1上,≈210赫兹)小于40米(在GEO的寿命行将结束阶段);
 
   载波频率稳定性:载波频率的短期稳定性(Allan方差的平方根)在用户接收机天线的输入端优于5x10-11(在1至10秒时间间隔内),但不包括电离层和多普勒效应的影响;
 
   极化偏振:GEO卫星的广播信号是右旋圆极化。椭圆率最差不会超过2dB(从视轴来看,其角度误差范围为±9.1o);
 
   相关损耗:相关损耗被定义为与从一个完美的相关器输出功率的比率,有两种情况:1)实际接收机EGNOS信号相对与一个完美未过滤的PN参考的相关比;或2)完美的未过滤的PN信号,归一化到相同总功率,如第一种情况下的EGNOS信号,针完美未滤波的PN参考相关。从调制缺陷和EGNOS卫星有效载荷内的滤波所得的相关损耗应小于1dB。
 
  (6)EGNOS的服务
 
  EGNOS使命是支持广泛的应用。出于这个原因,并为了容易与伽利略系统联合提供服务,为此要求提供不同类型的服务支持,包括:开放式服务(OS),免费提供给欧洲公众;人员生命安全服务(SOL),将提供在空间性能上最严水平的信号,服务于在欧洲生活的生命安全用户群体;商业数据分发服务(CDDS),针对需要性能增强的商业和专业客户,提供增值服务;EGNOS数据接入服务(EDAS),是GNSS商业数据分发服务(DDS)的技术核心,并向无法随时查看EGNOS卫星(如城市峡谷)的用户,提供和交付EGNOS数据,并且有机会支持其他多种多样的增值服务、应用和研究计划。
 
  (7)EGNOS的演变和未来
 
  欧盟委员会,在其负责EGNOS计划中,具有管理实体的作用,为EGNOS任务定义了发展路线图。该路线图将传统的和新兴的任务进行了合理的对接和处理:
 
   2011- 2030年:航路/ NPA / APV1 / LPV 200服务,仅基于GPS L1的增强。生命安全服务(SOL)的安全性,从2011年初在区域基础上开始,正在由EGNOS提供,这将由符合国际民航组织标准和建议措施的ICAO SBAS SARPS得以实现,一直确保到2030年。为了配合如此长期的时间段,它仍然需要基于安全基金来实现纲领性承诺。
 
   2020+:按照计划,EGNOS试验将在2020年发生重大演变,称为EGNOS V3,其中包括SBAS L1 / L5标准的实现,扩展双频率体制,并进入了一个多星座概念的发展阶段。
 
  为了支持这一任务使命路线图,EGNOS需要发生演变。这种演变被分成:当前EGNOS版本和EGNOS V2某些次要演变更新,以及一个重大演变导致提供新的服务的EGNOS V3。
 
  在当前EGNOS版本上的次要演变,就是在常规基础上以每年定期更新的近似速度进行,并且旨在解决基础设施陈旧的问题,支承超出APV1的LPV200服务,与改善系统的运作。
 
  重大演变需要一个完整的专门精化的工程周期,由定义系统使命为起点,在协同的SBAS标准演进中,高度配合技术可行性分析。
 
  至于新的EGNOS任务使命的集成整合,欧盟委员会是设立所谓的使命演进咨询小组(MEAG)的EGNOS专家咨询组的过程。 MEAG旨在给EC提供独立的意见和建议,针对内容是欧洲卫星导航系统计划(伽利略)和EGNOS使命任务目标的可能演变和服务定义。该专家组将从用户的需求和基于PNT覆盖范围两个方面,在欧洲和国际范围两个层面加于审慎评估。对伽利略和EGNOS计划任务和服务需求的变化也将进行分析,提出任务和服务基线的合理更新。 MEAG成员,包括来自GNSS用户群体、GNSS产业、学术界、国家航天机构和会员国其他公认的专家。MEAG通常要完成每年三次定期会议的指表要求。专家组可设立个特别工作组,以开展提供专家支持活动。该MEAG应进一步记录研究,并每年向欧洲委员会提交报告其工作结果和建议。
 
  在2015年9月,经过广泛的地面和空间测试,SES-5 GEO卫星取代了Inmarsat-4F2,已进入EGNOS运作平台。该卫星将确保可靠的EGNOS服务,直到2026年。
 
  (8)欧洲的GNSS演进计划
 
  2006年由欧空局制定的欧洲GNSS演进计划(EGEP),方案是针对第二代EGNOS和伽利略系统。该方案的第一阶段任务,包括2007 - 2009年的多星座区域系统(MRS)概念。这项工作的一个结果是,被视为EGNOS V3功能架构的候选目标,并进一步评估和EGNOS V3阶段的定义研究中提炼一个通用的MRS基线架构。EGEP
 
  对SBAS第二阶段(2010- 2011年),致力于系统演化的检查整合和现场测试。它被细分为三个主要部分,它们是:EGNOS V3定义阶段,针对制备新一代的EGNOS系统,包括处理过时问题、鲁棒性的改进、新的服务提供、标准的演进、覆盖范围扩展、使用新的广播装置,以便在2013年后推进EGNOS V3实施阶段工作;基于使用全部或部分的SPEED(EGNOS演变及示范支撑平台)基础设施,通过若干个试验床开展多种实验研究;为了采购、安装、运作和维护SPEED V1工程平台,允许运行测试和开发SPEED V1平台的升级版,在必要的SPEED的主机结构上,实现新的功能,支持第二阶段SPEED相关实验研究活动。
 
  上述试验平台的目标如下:
 
   HIS(高置信度服务),开发一个系统测试平台(基于SPEED)来设计和实验高完好性(类似于生命安全为多模应用)和认证(认证GEO信号+ GEO测距/ UDRE);
 
   ARTIC;在北纬区域开展海运和航空服务试验;
 
   HPS(高精度服务)来演示并形成HPS服务兴趣基础,首先用GPS,然后用GPS +伽利略系统;
 
   MLU(MRS的陆地使用者)服务,通过研究、演示,为陆地使用者开发新的服务:位置证明,身份验证和紧急服务;
 
  2011年,两个平行的合同已经过ESA承诺执行,开展EGNOS V3 A阶段的可行性研究。这些研究考虑了不同级别整合和不同的目标任务:
 
   综合任务:提供GPS L1的增强,以确保EGNOS服务于传统用户,至少在2030年之前;
 
   在欧洲,中东和非洲开展GPS双频增强的LPV-200服务,进而提供GPS和Galileo双系统双频增强提供高鲁棒性的LPV-200,在欧洲,中东和非洲地区的服务。
 
   任务集成整合:目前为欧盟(EU27),加上瑞士和挪威,提供了GPS和Galileo双频增强服务,要求能够在一个频率时,提高增强服务的鲁棒性;
 
   额外增值服务的提供,提供ADS-B、海事、高精度、陆地使用者...支持,目的是设计新产品,将确保EGNOS有足够的内置可扩展性和可升级功能。
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