基于RTCA標準的WAAS和EGNOS廣播星歷差分完好性服務性能研究

孟鑫,曹月玲,樓立志,毛鵬宇

(1.同濟大學 測繪與地理信息學院,上海 200092;2.中國科學院上海天文臺,上海 200030)

基于RTCA標準的WAAS和EGNOS廣播星歷差分完好性服務性能研究

孟鑫1,2,曹月玲2,樓立志1,毛鵬宇1

(1.同濟大學 測繪與地理信息學院,上海 200092;2.中國科學院上海天文臺,上海 200030)

為了提高GPS衛星導航系統服務性能,很多國家和地區建立了獨立的星基增強系統(SBAS),通過提供廣播星歷差分與完好性增強信息,滿足高精度高完好性用戶使用需求。本文介紹了美國WAAS和歐洲EGNOS等星基增強系統的廣播星歷差分完好性信息電文編碼格式,并對實際星基增強系統的廣播星歷差分與完好性電文進行解析。由于不同的星基增強系統采用的信息處理模式不同,針對WAAS和EGNOS兩個不同地區建立的星基增強系統,對廣播星歷差分慢變改正/快變改正的變化特征進行了比較分析。研究了星基增強系統廣播星歷差分完好性信息用戶使用算法,基于國際GNSS服務組織(IGS)提供的GPS實測數據,對WAAS系統和EGNOS系統的廣播星歷差分服務精度和完好性性能進行了對比分析。結果表明,WAAS系統的偽距單點定位精度約為1.2 m, EGNOS系統的偽距單點定位精度約為1.8 m,與GPS基本導航服務相比,偽距單點定位精度可提高約22%和16%。兩個星基增強系統利用完好性電文計算的完好性保護限值大致相當,均在16 m以內,能夠對定位誤差進行包絡。

WAAS;EGNOS;差分;完好性

0 引 言

隨著民用航空對GNSS衛星導航系統應用要求的不斷提升,很多國家和地區建立了星基增強系統(SBAS),它們獨立于GNSS運控系統,由不同機構運營和維持。如美國的廣域增強系統(WAAS),歐洲的地球靜止導航重疊系統(EGNOS),日本的多功能星基增強系統(MSAS),印度的GPS輔助靜地軌道增強導航系統(GAGAN),以及俄羅斯的差分校正和監測系統(SDCM)等[1]。其中WAAS和EGNOS是SBAS系統中建設較為成熟的系統。WAAS系統是由美國聯邦航空局(FAA)開發建立的一個主要用于航空領域的導航增強系統,由3個主站、38個參考站、1個上行注入站和3顆地球同步靜止衛星組成,主要針對GPS系統提供差分與完好性服務[2]。EGNOS系統是歐洲自主開發建設的星基導航增強系統,通過增強GPS和GLONASS衛星導航系統的定位精度,來滿足高安全用戶的需求[3]。

SBAS系統通過地球靜止軌道(GEO)衛星搭載衛星導航增強信號轉發器,向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種差分與完好性等增強信息,以提高用戶定位精度,保障服務的安全性[4]。增強信息需要按照一定的播發協議進行傳輸,美國航空無線電委員會(RTCA)制定的RTCA DO-229D標準[5],起初是為GPS和WAAS航空設備提供的最低運行性能標準,由于GPS在全球范圍內的廣泛使用,此標準也就被全世界普遍采用,具備了國際標準的性質,包括EGNOS和WAAS在內的SBAS系統都遵循此標準。RTCA DO-229D標準規定了SBAS系統地球同步衛星傳輸的信號規格、完好性信息及差分改正信息的傳輸格式[6]。

本文以廣播星歷和鐘差慢變改正信息為例,介紹RTCA DO-229D標準差分完好性信息電文編碼格式,以及電文解析方法。針對美國WAAS系統和歐洲EGNOS系統,解碼并分析比較兩個星基增強系統中廣播星歷差分與完好性信息變化特征。利用解析的WAAS和EGNOS廣播星歷差分完好性信息,基于IGS網GPS實測數據進行偽距單點定位處理,并與GPS基本導航定位服務精度進行對比,分析兩個星基增強系統差分服務精度。基于完好性電文信息,通過計算用戶定位保護門限,完好性風險概率,對兩個增強系統的完好性服務性能也進行了比較分析。本文針對廣播星歷差分進行研究,暫不分析格網電離層信息。后文提到的差分信息均指廣播星歷差分改正信息。

1 SBAS電文格式及解碼

1.1電文格式及參數說明

RTCA DO-229D標準中,定義了64種SBAS導航電文類型及格式,其中差分完好性信息通過Message Type 2-5(快變改正信息)、Message Type 25(慢變改正信息)等SBAS電文播發。以Message Type 25(慢變改正信息)為例,介紹SBAS電文編碼格式。

Message Type 25為每一顆GPS衛星提供基于WGS-84 坐標系的慢變改正信息,包括衛星軌道改正值和鐘差改正值。慢變改正信息的電文播發有兩種速度模式(velocity=0、velocity=1),當velocity=0時,表示沒有速度改正值,只有衛星軌道和鐘差的常數改正值,且每條信息播發4顆衛星的慢變改正信息,其電文格式如圖1所示。當velocity=1時,表示此信息中不僅有衛星的軌道和鐘差的常數項改正,還有軌道速度改正和鐘差漂移改正項,每條信息播發2顆衛星的慢變改正信息,其電文格式如圖2所示[5]。

圖2 Message Type 25的電文格式(velocity code=1)

EGNOS系統采用的是第一種速度模式,而WAAS系統采用的是第二種速度模式的電文來播發慢變改正信息。Message Type 25中各電文參數定義如表1所示。

表1 Message Type 25電文參數定義(Velocity Code=1)

1.2解碼方法

EGNOS電文可以從EGNOS信息服務器(EGNOS Message Server)下載,服務器地址為ftp://ems.estec.eas.int/。下載的EGNOS電文每一個小時記錄為一個ems文件,格式為衛星號、年、月、日、時、分、秒、電文類型及250比特的十六進制電文碼。在解碼時,根據不同電文類型,將其按照RTCA D0-229D標準中的電文格式逐條解碼。在解碼過程中,需注意的是,不能直接將十六進制的電文轉換為二進制信息,要先轉換為十進制,再將每位十進制數轉為4位的二進制,然后再按照相應電文類型的電文格式,逐比特讀取,并將其轉換為十進制數,即可得到可用的電文信息。

WAAS電文可以從ftp://nstb.tc.faa.gov下載。下載的WAAS電文與EGNOS電文略有不同,WAAS電文是一天存儲為一個文件,且需要通過使用EAS網站上的WAASCONV工具,將其轉成十六進制,格式為天內秒、衛星號及250比特的十六進制電文碼。與EGNOS電文不同的是,電文類型并沒有直接給出,而是包含在250比特的信息中。

1.3慢變改正值和快變改正值的時間序列

解析WAAS系統和EGNOS系統的差分完好性電文信息,比較二者在相同時刻、對相同衛星變化特征。圖3中示出了WAAS系統和EGNOS系統PRN1,PRN15,PRN28三顆衛星在2017年1月26日24小時中的快、慢變改正數變化特征,其中,深藍色表示衛星X坐標改正值、紅色表示衛星Y坐標改正值、綠色表示衛星Z坐標改正值、黑色表示鐘差改正值、粉色表示UDREI、淺藍色表示偽距改正值(PRC)。

經過對比,在衛星出入境時,WAAS系統的完好性信息(UDREI)是逐漸變化的,同時軌道和鐘差的慢變改正數較大,當衛星入境后,UDREI穩定不再變化,改正數數值較小,變化平穩;而EGNOS的UDREI變化并不連續,會出現突然跳變的情況,無論是UDREI還是改正數都沒有較明顯的衛星出入境的變化。這可能與EGNOS系統在信息處理時選擇的衛星截止高度角較大有關。

圖3 WAAS系統和EGNOS系統差分完好性信息時間序列

2 數學模型

2.1偽距單點定位

drel+dmul+εp，

(1)

ρi=

(2)

采用高度角定權P:

(3)

(4)

式中,Elei為高度角。

為提高定位精度,采用雙頻組合,消除電離層誤差;采用EGNOS模型及Neil映射函數,對對流層延遲進行改正[7];利用 Hatch 濾波進行偽距相位平滑[8],此外,還對地球自轉及接收機天線相位中心等進行改正[9]。

2.2差分改正信息用戶算法

2.2.1 快變改正值的應用

根據RTCA D0-229D標準,偽距變化率(RRC)并沒有通過電文直接給出,而是需要通過偽距改正值(PRC)內插得到:

(5)

Δt=tof-tof,previous,

(6)

式中：PRCcurrent為當前電文偽距改正值,即PRC(tof);PRCprevious為前一電文的偽距改正值;tof為最近快變改正值的時間;tof,previous為PRCprevious對應的時間;

則改正后的偽距應為

PRCcorrection(t)=PRmeasured(t)+PRC(tof)+

RRC(tof)×(t-tof) ,

(7)

(8)

2.2.2 慢變改正值的應用

根據電文信息,衛星軌道改正值為:

(9)

衛星鐘差改正值為

δΔtSV(t)=δaf0+δaf1(t-t0)+δafG0,

(10)

則改正后的衛星鐘差應為

(11)

改正后的衛星坐標:

(12)

2.3完好性監測保護門限計算模型

完好性反映的是根據觀測量解算出來的位置結果的可靠性,以PL(保護門限,以一定的置信概率限定的誤差范圍)表示,對定位誤差具有包絡作用,若定位誤差超越PL,則認為是一個危險誤導信息(HMI),對于SBAS系統,HMI的概率為10-7.如圖4所示,當計算位置誤差超過水平保護門限(HPL)或垂直保護門限(VPL)時,系統需在告警時間(TTA)內向用戶發出告警,否則認為存在完好性風險[10]。HAL(VAL)為HPL(VPL)的極限值,HAL(VAL)是由某一特定的飛行階段決定的,如CAT-1的VAL為10 m,若HPL(VPL)超過HAL(VAL),則認為此時系統不支持該階段的完好性性能需求[11]。本文將通過計算HPL、VPL、HMI概率、完好性風險,分析WAAS系統和EGNOS系統的完好性性能。

圖4 完好性關系示意圖

VPL=KV×dU

(13)

(14)

(15)

其中：dU為垂直誤差的方差；dmajor為平面誤差橢圓的長半軸

dmajor=

(16)

(17)

觀測設計矩陣G第i行:

Gi=[-cos(ele(i))×sin(az(i))-

cos(ele(i))×cos(az(i))-

sin(ele(i)) 1],

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

σTVE=0.12 m .

(26)

3 數據計算分析及結果

為分析WAAS和EGNOS兩個星基增強系統的差分服務精度,本文分別選擇了EGNOS、WAAS覆蓋范圍內的多個IGS測站實測數據進行偽距單點定位計算,分別采用兩種模式進行定位處理:1)只利用觀測偽距和廣播星歷進行偽距單點定位、2)利用EGNOS/WAAS差分信息對偽距單點定位進行差分改正,比較兩種模式的定位精度。

為比較WAAS和EGNOS兩個星基增強系統的完好性服務性能,分別選擇3個IGS測站5天數據,計算完好性保護門限,統計完好性風險概率,又從中選取1個IGS測站1天數據,分析保護門限與定位誤差的包絡情況。

3.1SBAS系統差分服務精度分析

WAAS系統和EGNOS系統的服務區域不同。利用美國境內widc站、whc1站、amc2站驗證WAAS系統服務性能。利用歐洲境內hueg站、sofi站、gras站驗證EGNOS系統服務性能。采用2017年1月22日至26日5天GPS觀測數據,數據采用間隔為30s,進行偽距單點定位分析。GPS基本導航定位精度與兩個SBAS增強系統的差分定位精度比較如表2和圖5所示。

表2WAAS和EGNOS定位結果RMS統計表

WAAS站widcwhc1amc2平均定位誤差/mGPS2 1701 2031 2671 547GPS/WAAS1 5361 0011 0011 179提高29 22%16 79%21 00%22 34%EGNOS站huegsofiGras平均定位誤差/mGPS2 2202 1471 9072 091GPS/EGNOS2 1261 7511 4371 771提高4 23%18 44%24 65%15 77%

圖5 WAAS和EGNOS定位精度統計圖

圖5中,紅色表示GPS基本導航定位精度,藍色表示WAAS差分定位精度,綠色表示EGNOS差分定位精度。

通過表2和圖5的分析結果可以看出,使用WAAS差分改正信息后,美國境內觀測站偽距單點定位精度平均提高了約22%,三維定位精度約為1.2 m.歐洲境內觀測站使用EGNOS系統差分改正信息后,偽距單點定位精度約為1.8 m,與GPS基本導航定位精度相比,定位精度提高了約16%.

為了進一步分析細節,WAAS系統中選擇widc站為例,如圖6所示,EGNOS系統中選擇gras站為例如圖7所示。圖中給出兩站東西、南北和高程方向的定位誤差。其中,紅色曲線表示GPS基本導航定位誤差,藍色曲線表示WAAS或EGNOS差分定位誤差。在圖6中,南北方向定位精度提高了約34%,東西方向提高了約25%,高程方向提高了約29%,WAAS系統對三個方向的定位精度提高大致相當。在圖7中,南北方向定位精度提高了約28%,東西方向提高了約6%,高程方向提高了約17%,EGNOS系統對三個方向定位精度的提高程度存在差異,其中對南北方向定位精度的提高最顯著,約提高到0.8 m.

3.2SBAS系統完好性服務分析

以美國境內widc站 如圖8所示,歐洲境內gras站如圖9所示為例,分析WAAS系統保護門限對定位誤差的包絡情況。其中,紅色表示GPS基本導航定位三維誤差,藍色表示WAAS或EGNOS差分定位三維誤差,圖8和圖9中粉色表示水平保護門限,下圖中粉色表示垂直保護門限。WAAS系統的垂直保護門限小于16 m,水平保護門限小于15 m.EGNOS系統的垂直保護門限小于14 m,水平保護門限小于12 m.可以看出二者的保護門限值大致相當,均能有效的對定位誤差進行包絡。

圖6 widc站5天定位精度對比 圖7 gras站5天定位精度對比

圖10、圖11分別示出了WAAS系統和EGNOS系統水平和垂直完好性風險,其中色塊表示三維定位誤差等于其橫坐標,且保護限值等于其縱坐標值的歷元個數。紅色區域表示三維定位誤差大于保護門限,即發出危險誤導信息,黃色區域為三維定位誤差小于保護門限,即不滿足CAT-1完好性性能需求,但保護門限大于水平告警限值,白色的區域表示,水平保護門限大于三維定位誤差且小于水平告警限值,即滿足CAT-1完好性性能需求。

圖10左圖中,落入紅色區域,發出危險誤導信息的歷元個數為0.落入黃色區域的歷元個數為40,占所有歷元個數的0.0926%。落入白色區域的滿足CAT-1的完好性性能需求的歷元個數占所有歷元個數的99.9074%.圖10右圖中,落入紅色區域的危險誤導信息歷元個數為0,落入黃色區域不滿足CAT-1的完好性性能需求的歷元個數為561,占所有歷元個數的1.2986%,落入白色區域的滿足CAT-1完好性性能要求的歷元個數占所有歷元個數的98.7014%.

圖10 WAAS系統水平和垂直完好性風險統計

圖11 EGNOS系統水平和垂直完好性風險統計

圖11示出了EGNOS系統水平和垂直完好性風險。在圖11左圖中,落入紅色區域的危險誤導信息歷元個數為1,占所有歷元個數的0.002418%,落入黃色區域不滿足CAT-1的完好性性能需求的歷元個數為3,占所有歷元個數的0.007254%,落入白色區域的滿足CAT-1完好性性能要求的歷元個數占所有歷元個數的99.9903%.圖11右圖中,落入紅色區域的危險誤導信息歷元個數為5,占所有歷元個數的0.01209%,落入黃色區域不滿足CAT-1的完好性性能需求的歷元個數為51,占所有歷元個數的0.1233%落入白色區域的滿足CAT-1完好性性能要求的歷元個數占所有歷元個數的99.8646%。

4 結束語

WAAS系統和EGNOS系統都遵循RTCA DO-229標準,但兩者在電文編碼和解碼方式上還是存在一些細微差別。在播發的慢變改正信息電文中,WAAS系統通常采用的是(velocitycode=1)模式,而EGNOS通常采用的是(velocitycode=0)模式。WAAS系統和EGNOS系統的差分改正信息時間序列變化特征也不相同, WAAS系統的差分改正信息在衛星出入境時,是連續逐漸變化的過程,而EGNOS系統的差分改正信息在衛星出入境時,會出現階躍現象,可能與兩個系統信息處理的高度截止角相關。WAAS系統和EGNOS系統的差分信息均可以有效地提高用戶偽距單點定位精度,WAAS系統偽距單點定位精度約為1.2 m,與GPS基本導航服務相比,可以提高約22%,EGNOS系統偽距單點定位精度約為1.8 m,與GPS基本導航服務相比,可以提高約16%.兩個星基增強系統的完好性監測保護門限均值均在16 m以內,對定位誤差可以進行有效地包絡。WAAS系統的水平和垂直HMI概率為0,EGNOS系統的HMI概率則較大,這與統計數量較少有關。通過分析對比WAAS和EGNOS兩個星基增強系統在電文編碼、解碼方式、差分改正信息變化、差分服務精度、完好性性能上的不同特征,可以為我國的星基增強系統的國際標準化道路提供有價值的參考信息。

[1] 伯恩哈德·霍夫曼-韋倫霍夫,赫伯特·利希特內格爾,埃爾馬·瓦斯勒,等.全球衛星導航系統:GPS, GLONASS, Galileo及其他系統[M]. 北京：測繪出版社, 2009.

[2] 宋煒琳,譚述森.WAAS技術現狀與發展[J]. 無線電工程, 2007, 37(6):50-52.

[3] 趙爽.國外衛星導航星基增強系統發展概況[J]. 衛星應用, 2013(5):58-61.

[4] EGNOS .About EGNOS[EB/OL].https://egnos-user-support.essp-sas.eu/new_egnos_ops/content/about-egnos.

[5] RTCA. Minimum operational performance standards for global positioning system/wide Area Augmentation System Airborne Equipment: RTCA SC-159[S]. Washington DC: 2006.

[6] 張九宴.GPS差分協議及基準站算法研究[D]. 武漢：武漢大學, 2003.

[7] 曲偉菁,朱文耀,宋淑麗,等.三種對流層延遲改正模型精度評估[J].天文學報,2008, 49(1):113-122.

[8] 范士杰,孔祥元.基于Hatch濾波的GPS偽距相位平滑及其在單點定位中的應用[J].勘察科學技術, 2007(4):40-42.

[9] 王解先.GPS精密定軌定位[M].上海:同濟大學出版社,1997.

[10] 牛飛.GNSS完好性增強理論與方法研究[D].鄭州: 解放軍信息工程大學,2008.

[11] YEH S J,JAN S S.GBAS airport availability simulation tool[J].GPS Solutions,2016,20(2):283-288.

TheServicePerformanceResearchofWAASandEGNOSBroadcastEphemerisDifferentialIntegrityBasedonRTCA

MENGXin1,2,CAOYueling2,LOULizhi1,MAOPengyu1

(1.CollegeofSurveyingandGEO-Informatics,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.ShanghaiAstronomicalObservation,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China)

To improve the service performance of GPS, many countries and regions have established independent GPS Satellite-Based Augment System(SBAS), providing the broadcast ephemeris differential integrity message to satisfy the high precision and the high integrity users’ needs. This paper introduced the message format of the broadcast ephemeris differential integrity message of SBAS such as WAAS and EGNOS, and analyzed the real broadcast ephemeris differential integrity message of SBAS. The long-time corrections and the fast corrections’change characteristic of the broadcast ephemeris are analyzed in different regions which have the different SBAS and different message processing modes. Based on the GPS data provided by the International GNSS Service (IGS), the algorithm of using the broadcast ephemeris differential integrity message of SBAS are studied, and the positioning accuracy and integrity service of WAAS and EGNOS are compared and analyzed. The result shows that the positioning accuracy of WAAS is about 1.2 m, and the positioning accuracy of EGNOS is about 1.8 m. Compared with GPS basic navigation service, the positioning accuracy of WAAS and EGNOS could be increased by about 22% and 16%. The integrity protection limits calculated by WAAS and EGNOS are roughly equal, within 16 m, and the positioning error can be enveloped.

WAAS; EGNOS; differential; integrity

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.001

P228.4

A

1008-9268(2017)05-0001-09

2017-07-07

國家自然科學基金(批準號:41674041,11203059)

聯系人: 孟鑫E-mail: 1219752734@qq.com

孟鑫(1992-),女,碩士研究生,主要從事廣域增強與完好性。

曹月玲(1983-),女,博士,主要從事廣域差分及完好性研究。

樓立志(1972-),男,副教授,主要從事大地測量數據處理。

毛鵬宇(1992-),男,碩士研究生,主要從事GPS氣象學。