兼容“北斗”的差分全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)臺站應用前景探討

竇芃（天津海事局航測科技中心）

□□隨著“北斗”導航衛(wèi)星的陸續(xù)升空，我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗”）正在蓬勃發(fā)展，建設可兼容“北斗”的無線電指向標-差分全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（RBN-DGNSS）臺站成為克服美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）局限性和風險性的最佳解決方法。

1 我國沿海RBN-DGPS臺站的現(xiàn)狀及局限性

RBN-DGPS是一種高精度、全天候的海上導航定位系統(tǒng)，它利用航海無線電指向標播發(fā)臺向用戶播發(fā)DGPS修正信息，以提高定位精度。沿海RBNDGPS是我國唯一符合國際標準的高精度無線電導航定位系統(tǒng)。

截至2008年底，我國沿海共有20個RBN-DGPS臺站向公共用戶提供無償服務，目前已基本實現(xiàn)對我國沿海的完全覆蓋。該系統(tǒng)單站作用距離300km，使用亞米級接收機時定位精度優(yōu)于5m，普通接收機定位精度優(yōu)于10m。從目前各臺站設備的運行情況來看，整個系統(tǒng)基本穩(wěn)定可靠，在海上測量、海上船舶導航定位、海上石油探測及海洋工程等諸方面都發(fā)揮了較好的效益。隨著其應用領域的不斷擴展，用戶正逐步擴展到各行各業(yè)，用戶對它的要求越來越高，對它的依賴性也越來越大。

RBN-DGPS在不斷擴展的應用領域中發(fā)揮越來越重要作用的同時，該系統(tǒng)在定位信號來源方面的局限性也日益明顯。目前，在我國衛(wèi)星導航民用領域，GPS系統(tǒng)處于壟斷地位，沿海RBN-DGPS也是依賴于GPS提供的衛(wèi)星定位服務才能進行信號差分，一旦GPS衛(wèi)星失效或者美國軍方停止向我國提供GPS定位服務，RBN-DGPS必將無法工作，陷入徹底癱瘓。

單一使用GPS進行導航定位的安全性問題已經(jīng)成為我國國防建設和經(jīng)濟發(fā)展的嚴重隱患之一。使用多星座聯(lián)合導航技術(shù)，比如同時使用“北斗”和GPS實現(xiàn)多模兼容定位，提高定位精度，縮短啟動時間，增加定位的可靠性，這是克服GPS的局限性和風險性的最佳解決方法。

“北斗”應用于海上船舶安全

2 “北斗”定位和發(fā)展策略

“北斗”是GNSS的重要組成部分之一，該系統(tǒng)堅持獨立自主、開放兼容的方針，民用部分向全球開放，與其他GNSS實現(xiàn)兼容與互操作。“北斗”采取積極開放的國際合作政策，開展系統(tǒng)、技術(shù)、市場與產(chǎn)業(yè)全方位交流合作，全面融入GNSS及其產(chǎn)業(yè)全球發(fā)展。

“北斗”的發(fā)展策略是：①在建設獨立系統(tǒng)的同時，應該充分利用其他GNSS信號資源；②調(diào)試完善系統(tǒng)，提前投入使用，培育自主產(chǎn)業(yè)；③利用后發(fā)優(yōu)勢，通過系統(tǒng)概念，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化、投入最小化、產(chǎn)出最大化。

3 多模兼容的可能性和優(yōu)勢

由于多模兼容有利于提高定位精度，有利于處理電離層風暴問題，有利于完善性監(jiān)測，因此多模兼容是保證系統(tǒng)精度的前提下，實現(xiàn)高完好性的首選途徑，已受到歐美等發(fā)達國家的高度重視。采用多模兼容接收機可同時接收多星座信號，聯(lián)合定位，實現(xiàn)完全兼容。

多模兼容的優(yōu)勢在于：①可視衛(wèi)星數(shù)量多，可選擇空間大；②幾何精度因子小，接近1；③可使用頻點多，9～10個頻率；④定位精度高；⑤可用性和連續(xù)性高；⑥完好性有保障。

“北斗”應用于海上救援

各衛(wèi)星導航系統(tǒng)在不同屏蔽仰角條件下可視衛(wèi)星數(shù)量

“北斗”多模兼容的可能性分析表

4 將“北斗”技術(shù)應用于沿海RBN-DGPS臺站的必要性

從衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展和應用的趨勢來看，目前美國GPS無疑取得了先機，特別是在民用領域，GPS的壟斷地位都難以動搖。因此，打破GPS的壟斷地位，擺脫過分依賴GPS的局面，研究和發(fā)展多模兼容的GNSS應用設備是一個根本途徑，并逐漸得到了各個國家的普遍重視。多模兼容接收機不僅增加可觀測衛(wèi)星的數(shù)目，改善可觀測衛(wèi)星的空間幾何分布，而且增強了用戶定位導航的精確性、可用性、可靠性和安全性。對于我國沿海RBN-DGPS臺站來說，發(fā)展可兼容“北斗”的接收機及完好性監(jiān)控設備是一個解決過分依賴GPS，提高系統(tǒng)可靠性的根本途徑。

從各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的管理來看，只有目前未建成的歐洲Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng)屬于非軍方管理控制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它從規(guī)劃設計初期便確定了建立國際控制下的民用導航衛(wèi)星系統(tǒng)的策略；而其他系統(tǒng)都是由其國家軍方進行管理控制的，有權(quán)在任意時間對民用頻段進行干擾，因此，在民用應用方面存在潛在的不確定因素。在這種情況下，如果RBN-DGPS臺站具備多模兼容播發(fā)體制，就能確保海上用戶定位精度不會受某個衛(wèi)星導航系統(tǒng)干擾和失效的影響，從而在保證航行安全指揮等應用上扮演關(guān)鍵角色，發(fā)揮出重要的作用。無論用戶的衛(wèi)星接收機是單一的導航系統(tǒng)接收機還是多模兼容的接收機，都將通過指向標接收機接收到相應衛(wèi)星導航系統(tǒng)的準確差分信號，提高導航定位精度。因此，將可兼容“北斗”的衛(wèi)星導航定位設備應用于現(xiàn)有RBN-DGPS臺站，將其擴展建成同時兼容GPS和“北斗”的差分播發(fā)臺，具有非常重要的意義。

綜上所述，在未來的規(guī)劃建設中使RBN-DGPS差分臺站具備兼容“北斗”的能力，使其發(fā)展成為RBN-DGNSS，為沿海用戶提供更加全面、精確、安全的無線電定位導航服務信息，對提高國家海事航運技術(shù)服務水平具有非常重要的意義，對我國海事航運的現(xiàn)代化發(fā)展奠定更加扎實穩(wěn)定的基礎而言是非常必要的。

完成裝配的“北斗”導航衛(wèi)星（南勇/攝）

5 建設兼容“北斗”的RBN-DGNSS臺站的構(gòu)想

RBN-DGNSS臺站的總體架構(gòu)可與現(xiàn)行的RBNDGPS臺站保持一致，仍由基準臺、播發(fā)臺和完好性監(jiān)控臺組成。建成后的RBN-DGNSS臺站，可接收多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號，并進行處理和差分信息播發(fā)，大大提高現(xiàn)役RBN-DGPS臺站的作用。其中涉及到的改造關(guān)鍵部分包括基準臺的接收機、完好性監(jiān)控臺的導航接收機、完好性監(jiān)控計算機的軟件及與這些設備有關(guān)聯(lián)的物理連接。基準臺的接收機由原來的GPS接收機更新為具備能夠接收多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星信號進行綜合解算的多模兼容接收機；完好性監(jiān)控臺的導航接收機由原來的導航GPS接收機更新為具有多模兼容完好性監(jiān)控的差分接收機；而原播發(fā)臺設備保留繼續(xù)使用，整個播發(fā)工作流程與當前保持一致，只需將監(jiān)控臺軟件功能升級。

多模兼容的RBN-DGNSS臺站主要功能和特點如下：

1）各衛(wèi)星導航系統(tǒng)差分信息由基準臺統(tǒng)一計算，順序或可選擇發(fā)送。基準臺實現(xiàn)多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星信息的差分計算、打包、順序播發(fā)和人工設置播發(fā)。

2）完好性監(jiān)控臺按不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)完好性監(jiān)控。監(jiān)控臺同時對多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的差分信息進行獨立監(jiān)測，同時滿足單衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機和多模兼容接收機用戶的需要。

3）多模兼容的監(jiān)控臺軟件。RBN-DGNSS臺站擴展了系統(tǒng)設備和差分信息播發(fā)內(nèi)容，監(jiān)控臺軟件需要重新設計。新的監(jiān)控臺軟件參考三期RBN-DGPS臺站現(xiàn)行監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)監(jiān)測、存儲、參數(shù)配置，設備狀態(tài)監(jiān)測等功能項，擴展到適用于RBN-DGNSS臺站的多模兼容差分信息的監(jiān)控。

“北斗”導航衛(wèi)星進行天線展開試驗（南勇/攝）

4）信號處理軟件可升級和設置，無需更換硬件，適應分期建設投入。信號處理軟件是多模兼容接收機接收到各衛(wèi)星信號之后的內(nèi)部計算處理軟件。臺站硬件平臺搭建完成后，可根據(jù)衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展情況，針對可運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行相應的信號處理軟件升級，以達到一次性投入、分階段實現(xiàn)的目標。

多模兼容的 RBN-DGNSS臺站改造重點示意圖

6 結(jié)語

水運是全世界最廣泛的運輸方式之一，也是衛(wèi)星導航最早應用的領域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛(wèi)星導航終端設備，使海上和水路運輸更為高效和安全。“北斗”將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導航定位和安全保障，同時其特有的短報文通信功能將支持各種新型服務的開發(fā)。

“北斗”和其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)不存在相互取代的問題，而是互為備份，從而形成高安全的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。“北斗”在我國沿海臺站上的發(fā)展應用也應該充分利用DGPS臺站多年來積累的技術(shù)和經(jīng)驗，促進多模兼容設備發(fā)展，減少成本投入，同時充分保障“北斗”的優(yōu)勢體現(xiàn)和系統(tǒng)的可用性，最終使其發(fā)展成為RBN-DGNSS臺站，從而為用戶提供更加全面、精確、安全、可靠的沿海無線電定位導航服務信息，提高海事航運技術(shù)服務水平。■