印度的基于卫星的增强系统GAGAN 在印度地区导航重新定义

【北京环球新时空信息技术研究院】编译

随着各种全球导航卫星系统的出现，空基导航已成为提供位置，速度和定时服务的先驱。 基于卫星的增强系统提高全球导航卫星系统提供的服务质量的系统预计将取代大量的地面导航系统，并且可以更有效地利用现有的空域。 认识到这些系统的潜在优势，印度在印度地区早期采取了主动行动并实现了自己的SBAS，称为GAGAN – GPS辅助地质增强导航。 本文介绍了GAGAN的设计，开发，实施，测试和认证。

GPS辅助地理增强导航（GAGAN）系统是印度空间研究组织（ISRO）与印度机场管理局（AAI）共同开发的，以部署和认证基于卫星的增强操作系统（SBAS）。 该系统的服务区覆盖印度飞行情报区（FIR），具有扩展到邻近的FIR的能力。

GAGAN提供符合由全球导航卫星系统（GNSS）小组制定的国际民用航空组织（ICAO）标准和建议措施（SARPs）的民用航空导航信号。 GAGAN系统在印度飞行情报区提供的精度达到1/10海里半径以内（所需导航性能或RNP-0.1）的范围内非精密进场（NPA）服务，在垂直指导下进行）在名义日期间在印度大陆上空进行并提供APV-1.0（精确进场）服务。 该系统可与其他国际SBAS系统（如美国广域增强系统（WAAS），欧洲地球静止导航覆盖服务（EGNOS）和日本MTSAT卫星增强系统（MSAS））进行互操作，并提供跨区域的无缝空中导航。

GAGAN要素

为在印度有效实施SBAS，GAGAN系统由以下要素组成。（见图1）

1.印度参考站（INRES） – 在印度15个地点

2.印度主控中心（INMCC） – 两个在班加罗尔

3.印度陆上上行站（INLUS） – 三个站，两个在班加罗尔、一个在新德里

4.在轨运行的对地静止卫星（GSAT8 / GSAT10）和一颗在轨备用GSAT-15卫星，卫星于2015年11月10日发射

5.数据通信子系统 – 两个光纤通信（OFC）电路和两个甚小孔径终端（VSAT）电路。 以下各节将更详细地介绍每个元素。

INRES – 印度参考站。

INRES站收集测量数据和来自所有GPS和GEO卫星的广播消息，并将它们转发给国际海事委员会（INMCC）进行进一步处理。 在艾哈迈达巴德，班加罗尔，查谟，古瓦哈提，加尔各答，新德里，PortBlair，Trivandrum，Jaisalmer，Goa，Porbandar，Gaya，Dibrugarh，Nagpur和Bhubaneshwar设立了15个INRES台站。

INMCC – 印度主控中心

全国各个INRES收集的数据将实时（每秒）传输给INMCC，并以SBAS信息的形式进行处理，以生成更正和完整性参数。 生成的SBAS信息被发送到INLUS进行进一步处理。

INLUS – 印度陆地上行站

INLUS接收来自INMCC的SBAS信息，为GPS兼容性格式化它们，并将SBAS信息上传到GEO固定卫星，以便向用户社区广播。 SBAS信息包含的信息允许SBAS接收机消除GPS定位解决方案中的错误，从而允许显着增加定位准确性和可靠性。 除了校正之外，还可以计算置信度参数（完整性）并将其作为信息提供给用户。 这些信息通过印度陆地上行链路站（INLUS）与C-band链接到GSAT-8 / GSAT-10 GEO卫星，这些站在L1和L5频段下链接给用户。 广播信息由兼容SBAS的接收机使用，该接收机在对GPS信号应用校正时计算其位置。

班加罗尔11米C频段上行天线

GSAT-8与GAGAN有效载荷11

GEO卫星

ISRO负责为GAGAN计划提供GEO卫星（SPACE段）。 三颗GEO卫星GSAT-8（见附图），GSAT-10和GSAT-15携带GAGAN有效载荷。 GSAT-8（位于东经55度）和GSAT-10（东经83度）已经用PRN127和128发射了GAGAN SIS（空间信号）.载有GAGAN有效载荷的GSAT-15位于东经93.5度， 已分配PRN132。

图2提供了GAGAN最终操作阶段（FOP）配置的示意图。 图3显示了GAGAN信号的覆盖区域。

电离层模型的发展

印度低纬度地区的电离层行为并不平静，其特征在于闪烁，等离子体耗尽，大规模能量密度梯度等特征。 为确保GAGAN的最佳性能，必须检测电离层不规则性并相应调整统计置信界限。

需要特定区域模型

为了达到GAGAN要求的性能，需要开发和实施最合适的电离层模型，这个模型将适用于印度地区。此外，优先选择的电离层模型算法不应要求改变现有的SBAS信息结构，因为ICAO对GPS / WAAS机载设备DO-229的最低操作性能要求（MOPS）的任何变化都需要所有成员国达成一致。验证GAGAN系统与MOPS的变化将是一个非常耗时的过程。

在构建模型时，网格电离层垂直误差（GIVE）置信度必须不仅在电离层网格点处误差，而且在网格点之间的所有插值区域也要求误差。此外，误差界必须对名义和受干扰的电离层均有效。为了捕获赤道电离层异常的大尺度特征，该模型必须提供一种方法来克服赤道地区赤道地区电子薄壳模型的不足，并捕获赤道电离层复杂的三维性质。

印度SBAS所需特定地区模式的特点。 区域特定的电离层模型必须具有以下特征：

1，可实施的

2，能够显示其完整性

3，为精度提供足够的可用性

4，向后兼容

5，减少建模错误并支持印度地区的精密进场服务

6，用合理的准确性和完整性来定义赤道极圈

7，在安全认证方面，能够支持运营

印度航天研究组织 （ISRO）多层数据融合（MLDF）电离层垂直误差（GIVE）模型

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为了模拟电离层的垂直运动，设计了IGM-MLDF模型，在两个不同电离层电子壳层高度捕获电离层变化，最后使用加权平均方法为用户在350公里的高度上求出一个值。 该模型确保广播GIVES具有足够高的完整性，使得用户接收机计算的用户电离层垂直误差（UVES）将以非常高的概率约束其垂直电离层误差。GIVE确保UIVE的完整性，不仅在网格点而且在网格点周围的四个网格单元的所有点上，该算法为用户提供延迟和置信值，从而提高了准确性和可用性。

对算法进行了分析和评估，并且基于在印度地区使用INRES和总电子数（TEC）数据开展了详尽研究，对这些算法的性能进行了检查（图4）。选择几个列名的和  暴风雨（电离层扰动）天，在这些日子里测试候选算法的每个GGAN性能。

通过专家团队的大量评估，进一步改进了IGM-MLDF算法，帮助进行了一系列性能增强，然后进行了广泛的分析，以调整算法中的参数并确定GAGAN服务的可实现的准确性，可用性，连续性和完整性。 该算法的关键功能是计算各种壳层的延迟和置信度（拟合误差）并在350公里处组合它们，这不需要任何MOPS变化。

该模型通过M / S Raytheon整合到GAGAN的主要操作软件中，以计算和提供满足APV要求所需的电离层校正和完整性因子。

绩效评估

定期绩效评估是评估系统效用，有效性和适应性以满足所需要求的关键活动。

图5至图9提供了GAGAN性能监控的几个快照。

通过动态测试进行空间信号验证

为了获得对GAGAN性能的初步评估，使用印度航天研究组织(iSRO)飞机上的GAGAN接收机在海得拉巴和班加罗尔之间进行了动态飞行测试（图10）。 图11显示了配置

飞机机身上的GPS和SBAS天线。

对GAGAN接收机数据进行分析，以评估飞机在每一秒钟时间内运动环境中的位置精度，并验证GAGAN SIS在所需服务水平方面的性能。 基于差分GPS（DGPS）和GAGAN数据，附图显示了东（图13），北（图14）和上（图15）组件沿飞行路径（图12）的位置精度。 水平保护极限（HPL）和垂直保护极限（VPL）是根据每个历元飞行测试期间记录的GAGAN数据计算出来的。

动态飞行测试结果显示如下：

GAGAN沿东方的真实精度（DGPS东参考）小于7.6米，100％的时间，这在所有出发的GAGAN性能要求范围内。

GAGAN沿北方的真实精度（DGPS北参考）小于7.6米，100％的时间，这在所有出发的GAGAN性能要求范围内。

GAGAN沿向上的真实精度（DGPS Up参考）小于7.6米。

4.纬度，经度和海拔的位置标准差小于4米

通过采用GAGAN航空，航班延误，改道和取消将被最小化，同时减少控制飞行到地形的事件

表明GAGAN的位置精度不超过7.6米的要求

GAGAN认证

民航总局（DGCA）成立了一个技术审查小组（TRT），负责审查与安全相关的具体工件和危险记录，并提供解决任何观察到的问题的建议。 AAI聘请了MITRE公司来支持认证工作。 GAGAN实施通过了两步认证决定。 TRT审查了完整性相关的文物和危害记录，并向认证机构对认证的结果提出建议。

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危害审查委员会分析并审查了TRT推荐的软件和硬件变更对系统性能的影响，并且通过了GAGAN的认证。联合检查和审查所有地面设备和文件，以及系统安全和环境管理过程。系统和设施认证过程完成 。由DGCA，AAI和ISRO成员组成的小组进行了检查。 最初，于2013年12月30日获得经DGCA认证的GAGAN，用于航路运行（RNP 0.1），随后2015年4月21日，进行精密进场服务（APV 1）。 APV1认证的GAGAN信号，2015年5月19日开始播出。

对印度航空的好处

通过采用GAGAN可使航班延误，改航和取消（DDC）将被最小化，同时将受控飞行撞地（CFIT）事件减少75％。 此外，印度的新型SBAS能够实现直飞航线和减少分离最小值，这将减轻飞行员和管制员的工作量。

此外，GAGAN有助于在地面导航系统不可用的地区加强海洋空中交通管制。 此外，通过GAGAN的启用更短直航航程可节省时间和燃油。 因此，由于飞行路径缩短导致的温室气体排放减少空气污染减少。 与此同时，由SBAS实现的灵活飞行路线使由于恶劣天气造成的路线偏差不复杂，并且还能够减少。

GAGAN系统可与其他SBAS系统互操作，并将在该地区提供无缝导航

飞机相关的噪音敏感地区的声音效果。 GAGAN是低成本地区机场的推动者，并将迎来与印度快速发展的航空市场的更大连接。 尽管主要用于民用航空，但GAGAN信号可以被广泛的民用和非航空用户使用。 在整个印度次大陆，GAGAN将为诸如智能交通，海事，高速公路，铁路，测量，大地测量，安全机构，电信行业，针对消费者的基于位置的服务等给许多其他用户段提供超越航空的优势。

结论

我们注意到，在WAAS，EGNOS和MSAS之后，印度是世界上第四个实施民用航空标准波束引导进场系统（SBAS）的国家。 印度已成为世界上第三个拥有APV-1精确进场能力的国家，也是世界上第一个服务于赤道地区的SBAS系统。 GAGAN系统可与其他SBAS系统互操作，并将在该地区提供无缝导航，缩小欧洲和日本之间的差距。

感谢

通过ISRO，AAI，DGCA，Raytheon的工程师们，TRT审查委员会成员，SIS验证测试团队，MITRE以及其行业合作伙伴为GAGAN系统实现而努力的支持和贡献，使本文成为可能。

制造商

在飞行试验中使用的GGAN接收机是由加拿大阿尔伯塔省卡尔加里市诺瓦特尔公司外加DL4 SBAS接收机。