衛星導航增強系統討論

施滸立 李 林

(1.中國科學院國家天文臺，北京100012；2.北京日月九天科技有限公司，北京100102；3.杭州電子科技大學，杭州 310018)

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衛星導航增強系統討論

施滸立1,2李 林1，3

(1.中國科學院國家天文臺，北京100012；2.北京日月九天科技有限公司，北京100102；3.杭州電子科技大學，杭州 310018)

回顧了衛星導航增強系統的由來和發展，討論了衛星導航增強系統的使命及組成，介紹了衛星導航增強系統的演進及部分亮點，探討了衛星導航增強系統的實質及關鍵技術，最后對衛星導航增強系統作了討論、展望與評論。

衛星導航；增強系統；差分系統；廣域；局域

0 引言

回眸衛星導航系統的發展歷程，研究差分系統和增強系統的由來[1-2]和發展[3-4]，認為由于兩大事件的影響，促進了它的降臨和發展。

第一件事件是政策刺激事件，海灣戰爭后，美國國防部為了防止非授權用戶使用P碼和與C/A碼碼相位測量值，發布了選擇可用性(SA，Selective，Availability)和防電子欺騙(AS，AntiSpoofing)政策，1991年7月在BookⅡ衛星上實施了使用P碼的限制性措施，即在衛星時頻基準上施加了δ技術和在導航電文里增加了ε技術。所謂δ技術就是對衛星時頻基準施加了高頻抖動噪聲；所謂ε技術，就是人為將衛星星歷中軌道參數的精度降低到200m左右。使非授權用戶不能正常使用GPS信號，精度下降到百米量級。

有矛便會出現盾，科技工作者開展了針鋒相對的抗差技術研發，發現SA誤差的時間變化周期大約是120s，而衛星鐘差變化相當緩慢，故可以分離SA所施加的干擾噪聲，使定位精度重新獲得恢復。這些反SA的措施成為SA的克星，也激發了科技工作者研發抗噪聲、消誤差的激情及智慧。由于差分技術已能消除SA干擾對GPS測量的影響。而且美國已經具備新的控制使用導航信號的能力，于是在2000年5月1日，美國政府宣布取消SA政策，定位精度又回歸到正常的10m量級。SA政策被取消了，但出現的抗差技術，繼續促進消誤差的研究工作，以及差分和增強系統的蓬勃發展。

第二個事件是需求牽引事件，隨著衛星導航終端用于飛機航路、終端區和非精密進場三個飛行階段后，衛星導航技術是否還能夠提升，滿足精密進近和著陸階段的需求呢？聯邦航空局(FAA)提出了這一變革性的需求，并資助多所大學和研究單位，開展多類試驗，包括做了成百上千次的飛行試驗，發展了局域增強系統(LAAS)，在50km左右的覆蓋區域內，定位精度達到1m量級，使GPS的完善性、可用性、精度和連續性等導航性能需求(RNP)滿足精密進近和著陸的要求，為飛機的各個飛行階段提供了可靠的無縫導航服務，促進了增強系統的升級和發展。

上述兩個事件確實促進了差分和增強系統的發展，但我更相信GPS作為一種精密測量系統，在子午儀(Transit)和Geostar等衛星導航工程的基礎上，在精度、可靠性和可用性方面早已做了較全面的考量與設計。但不否認，政策刺激和需求的牽引，特別是上述兩件典型事件所產生的影響力，加速了差分和增強系統的發展和成功。

衛星導航增強系統從差分技術發展而來，根據國際民航組織ICAO國際民航公約附件十中GNSS SARPs的規定，全球導航衛星系統GNSS的增強系統分為三類：陸基增強系統GBAS(Ground Based Augmentation System)、星基增強系統SBAS(Satellite Based Augmentation System)、機載增強系統ABAS(Aircraft Based Augmentation System)。其中，GBAS包括廣域增強系統(Wide Area Augmentation System，WAAS)、局域增強技術(Local Area Augmentation System，LAAS)。SBAS利用衛星向用戶廣播GNSS的完好性和修正信息，并提供測距信號來增強GNSS。ABAS將GNSS組件信息和機載設備信息進行增強及綜合，確保空間信號的需求。至今，已出現了各種衛星導航增強系統。除美國的WAAS和LAAS外，其他國家或地區如歐盟、日本、印度、加拿大和澳大利亞等也紛紛建設了各自的衛星導航增強系統，包括歐洲靜止軌道衛星導航重疊服務(European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS)系統、日本的多功能傳輸衛星(MTSAT，Multi-functional Transport Satellite)增強系統(MSAS，Multi-functional Satellite Augmentation System)和準天頂衛星導航系統(QZSS，Quasi-Zenith Satellite System)，以及印度的GPS輔助地球同步軌道衛星導航增強系統(GAGAN，GPS Aided GEO Augmented Navigation)。

我國也較早地利用GPS系統開展了局域差分系統的建設和應用，北斗區域衛星導航系統建成以后，差分和增強系統的研發與應用加速開展，在城市規劃、國土測繪、地籍管理、城鄉建設、環境監測、防災減災、交通監控等方面開展了較廣泛的應用。

1 衛星導航增強系統的使命及組成

1.1 使命[5-6]

衛星導航增強系統的使命是提升衛星導航主系統的性能，擴大主系統的功能，保證導航、定位、授時和測姿的完好實施，內容有以下三方面。

1.1.1 精度增強

精度指在給定時間內，終端位置和速度的估計值或測量值與真實位置或速度的一致性的度量。精度增強指提高測量值和計算結果的精確程度，或指減少誤差量的能力。精度增強依靠差分技術，典型做法是將一臺接收機作為參考基準用，稱為基準站接收機，其位置經預先精確測量得到，這樣就有了衛星到基準接收機的真實幾何距離。如果將基準接收機對衛星的距離測量值與其真實幾何距離相比較，差值就是基準接收機對衛星距離的測量誤差。由于在同一時刻、同一地域內的其他接收機對同一顆衛星的距離測量值有相關或相近的誤差，因而基準站將其測量誤差通過電波發播給用戶接收機的話，流動用戶就可以利用接收到的誤差修正值來校正流動站接收機對同一顆衛星的距離測量值 。精度增強使導航定位精度從幾十米、十幾米提高到水平方向約2～3m、高程約5～7m，特別是隨著載波相位測量技術的應用，使精度提高到厘米、甚至毫米量級。

1.1.2 完好性增強

完好性是指當衛星導航系統出現異常、故障或精度不能滿足要求時，實時向用戶發出“可用”、“不可用”告警的能力，用系統不能提供完善性服務的概率表示。從20世紀80年代末開始，學者們一直關注這一問題，積極開展完好性監測研究。衛星導航系統本身原來也有一定的完好性監測能力，但告警時間太長，需要花幾個小時，且信息很單一。所以開展完好性增強十分必要，它直接影響衛星導航的系統精度、連續性和可用性等指標，并關系到大量最終用戶的生命財產安全。完好性監測貫穿在系統整個生命周期內，特別到系統運行后期，隨著星地設備的老化衰退，完好性就越發重要。

1.1.3 可用性增強

可用性是指整個系統的導航功能和異常檢測功能都能滿足規定使用要求正常工作的概率，一般用滿足要求時能連續工作的時間長短來度量。可用性增強包括完善性、可靠性、時間可用性及精度能力的增強。需要注意的是，系統硬件失效或導致工作中斷的告警信息都會導致這一服務質量考核指標下降。

1.2 組成[7-8]

增強系統一般由基準監測站或基準監測站網絡、數據處理中心或主控站、數據傳輸和播發數據通信鏈路三大部分組成。

1.2.1 基準監測站

基準監測站分為兩類：基準監測站和完善性監測站，一般配置高性能的原子鐘及接收視野內衛星信號的高質量的接收機，接收機接收導航信號獲得原始觀測數據，檢出測量參數的誤差值。完善性監測站專用于完善性檢驗，獲得的觀測值不用來計算精度修正值，而只產生“不能使用”電文向用戶終端告警。兩類監測站也可以合起來，這時監測站數據除了產生修正信息以外，還要得出完善性結論，發布告警信息。

監測站數量多、分布廣，可以獲得更多不同空間和不同地域分布的測量數據，有利于分析、處理誤差數據，提高精度。如美國的廣域增強系統(WASS)建設了25個監測站，后增加到38個；歐洲EGNOS計劃設置33～35個基準站；而印度的GAGAN有8個基準站。

1.2.2 數據處理中心或主控站

增強系統，特別是廣域增強系統必須要有一個處理能力強的數據處理中心，有時亦稱為廣域主控站(WMS)。主要任務是根據已知監測站的位置和采集到的參數計算分離出衛星軌位、時鐘、電離層及對流層時延等誤差。數據處理中心對數據進行處理后生成星歷、鐘差等差分改正數，電離層時延柵格分布參數，以及完好性等級及告警數據等增強數據，確定被觀測衛星信號的完整性、精度，殘差等信息，最后把經分析加工后的信息，編制成增強電文，廣播給用戶終端。

數據處理中心決定著增強系統性能的優劣。系統一般設置1～2個主控站就能滿足需求。如WAAS系統設置了2個主控站；MSAS系統設置了2個主控站；而GAGAN系統只在班加羅爾設置了1個主控站。

1.2.3 通信鏈路和發布平臺

數據處理中心編制增強電文，傳送給發布平臺播發增強信息或“類GPS”測距信號，供用戶終端使用。有兩類播發情況，一類是僅廣播增強信息，如單站RTK，通過VHF、UHF向流動用戶終端廣播增強信息；另一類不但傳輸增強信息，而且還提供“類GPS”的測距碼信號，增加測距冗余度，特別當衛星導航系統星座分布不理想時，增強平臺將能改善星座的幾何分布因子DOP，提高定位精度。衛星導航增強系統的增強平臺分為陸基、星基、機載三類。各增強系統中平臺的設置情況如下：美國WAAS由4顆海事衛星(Inmarsat)組成，后又增加了2顆同步軌道衛星；日本的QZSS，考慮到日本地處北半球多山地區域，用了3顆大橢圓軌道的IGSO衛星；印度的GAGAN，用了3顆GEO衛星。歐洲EGNOS將用3～4顆地球同步軌道衛星。

2 衛星導航增強系統的演進及亮點

2.1 演進[9-10]

在需求的牽引下，衛星導航增強系統逐漸發展，現在已成為衛星導航中不可或缺的組成部分，有些還成為能獨立運行的系統。其演進歷程大致有以下四個方面。

2.1.1 從低精度向高精度演進

增強系統是從差分發展起來的，差分主要是修正誤差。最初的差分是位置差分，位置差分解的精度與用戶接收機離參考站的距離有關，一般要求不超過300～500km范圍。位置差分解的精度還與接收的衛星數量及其分布有關。而偽距差分則不一樣，其“修正偏差”只與觀測衛星有關。偽距測量值有通過碼相關測量獲得，也有通過載波相位測量獲得，后者的偽距精度高達厘米級，甚至毫米量級。

2.1.2 從靜態修正向動態修正演進

衛星導航差分應用從靜態應用開始，但靜態差分只能解決定位。導航是動態的，不但與位置精度有關，而且還與速度及加速度等動態要求有關。為此，發明了RTK(Real Time Kinematic)實時動態定位技術。它由一個參考站與若干個流動站組成，通信頻段采用VHF、UHF頻段，通信體制采用擴頻或跳頻體制，能在1～2s的時間里獲得高精度位置信息。20世紀90年代初，這項技術一經問世，極大地拓展了GPS的使用空間。直到今天，如果沒有CORS和PPP的出現，RTK技術仍代表著高精度GPS的最高水平。RTK可以應用于快速測量、精密測圖、工程放樣和工程監控方面的動態精密定位。但適用范圍小于10km。導航定位精度在水平方向1～3cm，在垂直方向2～5cm。

2.1.3 從單站監測向網絡化監測演進

RTK技術也有一定局限性：用戶需要架設本地的參考站；誤差隨距離增長；可靠性和可行性隨距離降低；需要多次設站等。為了克服這些短擺，20世紀90年代中期，開始開發網絡RTK技術。

網絡RTK的基本思想是：在一定區域內，根據多個基準站的已知誤差，利用誤差的強相關性，可以推算并消除該區域內任何一處流動站的已知誤差。目前代表性的方法有虛擬參考站技術(VRS，Virtual Reference Station)、FTK技術和綜合誤差內插技術(CBI，Combined Bias Interpolation，)三類。 VRS分別采用電離層與對流層估計模型，可以生成虛擬參考站，對觀測值進行修正。FKP技術采用整體的網絡解，并用卡爾曼濾波進行非差數據處理。

總之，增強系統依靠通信網絡將多個基準站數據實時傳輸到計算中心，并用移動通信網把解算得到的誤差修正值告知用戶，網絡化助力增強系統。CORS就是一個網絡化增強的典型實例。

2.1.4 從精度增強向可用性增強演進。

增強系統在精度增強方面取得顯著成效后，便開始注意信號的完好性、連續性、完善性及時間可用性等，這些要求統稱為可用性要求，實現這一增強叫做可用性增強。如WAAS選擇采用同步衛星的彎管轉發器作為完好性通道。在6s之內發布修正錯誤信息，確保修正后位置精度在保護門限以內，或接到“不可用”告警，指令用戶機不再使用相關的衛星導航數據。

2.2 亮點[11-12]

在衛星導航增強系統的演化和前進的歷程中出現不少技術亮點，現介紹我國有關部門和專家在增強系統發展中的兩件亮點技術。

2.2.1 提出覆蓋范圍增強的新概念

衛星導航增強已經解決了精度增強、可用性增強及可靠性增強，那么今后衛星導航還需要增強什么呢？衛星導航信號和增強信號在城市高樓街道間、高山峽谷里、密林隧道中，特別在室內傳播時，會嚴重受阻，為了解決導航定位的覆蓋范圍問題，科技部國家遙感中心和武漢大學提出了羲和計劃，構建廣域室內外高精度定位導航系統，希望充分利用各種可用于導航定位的空間信號，有效解決衛星導航信號到達個人移動終端“最后一公里”問題，“十二五”期間在863計劃支持下，取得了重大突破，實現了全國范圍室外優于1m，室內優于3m定位精度的應用示范。

2.2.2 發展了區域連續運行衛星定位服務系統——CORS

武漢大學利用衛星定位誤差的相關性計算基準站上的綜合誤差，并內差出用戶站的綜合誤差，發展了區域連續運行衛星定位服務系統-CORS。CORS是利用GNSS技術、計算機網絡技術、通信和移動通信技術組成的基準站網絡，提供移動定位、動態框架等空間位置信息的服務系統。區域性CORS不僅是動態的空間數據參考框架，同時也是快速、高精度獲取空間數據和地理特征的信息基礎設施之一。可滿足國土測繪、城市管理、交通物流、氣象預報以及突發事件應急決策等多種現代化信息化管理的要求。已在湖北等地建成示范項目，經測試，采用北斗三頻實時精密定位，其平面和高程精度分別達到2cm和5cm。

3 衛星導航增強系統的實質及關鍵

3.1 實質[13-14]

衛星導航系統原來是一個以高空導航衛星為基準的廣域廣播定位系統，是一個不閉合的開放系統，采用的鏈路是開口鏈路。增強系統的使命是進一步提高衛星導航系統的精度，采用誤差修正方法是最有效提高精度的方法。其中誤差閉環修正的效果又是最佳的。采用了天地閉合修正誤差的辦法實現大系統反饋閉環控制是衛星導航增強系統的實質性理念。

3.2 關鍵技術[15-16]

3.2.1 誤差數據監測、分析及剝離技術

衛星導航誤差源分為三類：1)用戶接收機共同面臨的誤差，即衛星鐘差、星歷誤差、電離層和對流層誤差；2)不能由用戶測量或由校正模型來計算的其他傳播延遲誤差；3)接收機電子線路中的內部噪聲、通道延遲及無確定性的多路徑傳輸誤差。利用差分技術，可以完全消除第一類誤差，第二類誤差的大部分也可消除，但取決于基準接收機和用戶接收機之間的距離；第三類誤差依靠差分技術無法消除，如空間相關性較弱的多路徑誤差，是變化很快的隨機噪聲。為了消除前兩類誤差源，在基準參考站上設置銣鐘提供穩定頻率標準。中心站獲得原始測量值，對測量誤差進行分析處理時，若采用誤差分項分析及剝離方法，則必須建立分項誤差模型。如欲提高星歷誤差的估計精度，就要建立衛星動力學模型，這種動力學方法用載波相位作為測量值，因此必須解決整周模糊度問題。誤差改正分標量改正和矢量改正兩種。矢量改正數包括星鐘誤差、星歷誤差和電離層時延等，改正效果好；另一種方法是在服務區內分別采集各自站點對衛星的觀測數據、氣象數據、電離層延遲數據，上報主控站處理后，形成柵格結點上的服務能力，如把復雜的電離層誤差曲面化分割，用戶可以利用內插方式選擇電離層延遲修正值。

3.2.2 載波相位測量和載波相位平滑偽距技術

衛星導航接收機可以用衛星信號的載波和Gold碼來測量延遲。單周載波長約19cm。接收機的測量分辨率可以到單周載波相位的幾百分之一，約1mm，再求解出整周模糊度，移動接收機就可以計算出其相對固定接收機的距離或位置，精度可達厘米級。

3.2.3 各種增強系統的兼容和互操作技術

兼容與互操作特性是實現各衛星導航增強系統聯網的關鍵，全球衛星導航系統國際委員會(ICG)的定義[]是。

1)兼容性定義：全球或區域衛星導航及其增強系統的工作能力，不管是獨立使用或綜合使用，對任意一個獨立系統本來的服務和能力都不會導致不可接受的干擾或其他損害；

2)互操作定義：用戶綜合使用多個系統得到的服務水平(定位、導航、授時)等效或超過其中任意一個系統單獨提供的服務水準。

兼容和互操作包括程序、標準、功能規范和技術性能。要實現天-地增強系統閉環實時兼容和互操作測量與控制方式，必須解決導航信號的時間、空間基準統一的問題和擴頻碼與載波相位的相干性問題。

3.2.4 偽衛星增強技術。

偽衛星可以播發與導航衛星測距信號一樣的復制信號。如果偽衛星的發射信號同步到接收到的導航衛星的信號，將稱其為同步偽衛星。同步偽衛星可以精確初始化CDGPS導航，可以作為CDGPS導航系統的參考站。通過一組偽衛星為衛星導航提供增強或備份，這樣即使衛星星座失效也可以導航。

4 展望與建議

4.1 展望[17-18]

衛星導航增強系統作為對衛星導航系統的補充和增強，越來越顯示出它的生命力與重要性，發展極其迅速。

4.1.1 高精度的增強定位技術和系統正在促進形成精準測量產業

1993年，精準農業技術首先在美國明尼蘇達州的2個農場進行試驗，結果當年用GPS指導施肥的作物產量比傳統平均施肥的作物產量提高30%左右，同時還減少了化肥施用量，經濟效益大大提高。此后，精準農業開始興起，目前已成為農業發展的一種普遍趨勢。近年來，我國也積極開展北斗系統精準農業應用示范工程建設，如新疆石河子市和農八師正在部署用5萬套北斗農用終端。在北京打造了 “基于北斗系統的精準農業”新型應用，每臺農機的定位誤差控制在5cm范圍內，保證播種、撒藥、灌溉、收割等農機作業精準有效利用。

提供厘米級、毫米級的實時三維空間定位服務，應用遠不止精準農業方面，在地形測量、燃氣管網精準服務、大橋或大壩的變形監測、高鐵路基監測、大型工程的施工等方面也開始發揮更多作用，正在形成一種精準測量應用產業。相信在今后若干年內，精準測量產業將一定會興旺發達起來。

4.1.2 增強系統有望促進室內外無縫導航定位的實現

差分技術可消除大部分系統誤差，但多徑誤差卻無法消除，如在城市、森林或室內等復雜環境下，多徑效應嚴重，定位精度會大幅度下降。在嚴重情況下還會使導航信號失鎖，接收機無法正常工作，降低了衛星導航系統的可用度。所以增強系統演進的下一個目標是解決擴大覆蓋范圍的問題。要能夠覆蓋城市、森林或室內等復雜環境，特別是室內公用場所，但解決的難度極大。所以突破覆蓋受限藩籬，實現室內外無縫導航定位將是國內外導航工作者的新使命。

4.1.3 增強系統有可能發展成為多信息廣義導航定位系統

增強系統產生和發展的動力在于需求牽引，在于解決實際需求問題，所以說需求牽引著增強系統的蓬勃發展。當室內導航增強系統發展以后，導航定位系統的整體面貌會有新的變化，那時增強系統可能發展成為多信息廣義導航定位服務系統，其中多種導航技術，包括衛星導航系統，都將成為廣義導航定位服務系統中的信息源，衛星導航終端將成為一種傳感器。

4.2 建議[19-20]

1)如何提高精度是增強系統追求的永恒的目標。提高精度就是與誤差作斗爭，首先要能監測出誤差，接著處理誤差，最后消除誤差。消除誤差分整體修正、分項修正、整體修正后再分項修正，以及大分項修正后整體修正多種。增強系統中大多采用分項修正方法，是否能在分項修正后再作一次整體修正。要作整體修正就要作覆蓋空域誤差分布的整體表述，這時基函數的選擇變得很重要，這是值得探索的。

2)增強系統的建設應有序開展，標準和規范要先行，合理的建設流程應該是先廣域后局域，這樣容易實現系統間的兼容和互操作，也能減少重復投入，提高建設效益。其中星基增強系統是投入產出比最佳的增強系統，應該首先發展和建設，接著再針對各種需求發展局域增強系統。我國的局域增強系統發展得很火，而廣域增強系統的建設相對遲緩，這種局面應該改觀。

3)應該充分利用世界上已有的衛星導航系統和衛星增強系統，為此，必須提供互操作能力，以便利用多系統實現無縫兼容導航。兼容與互操作既是實現增強系統內部協調一致工作的關鍵，也是實現全球同類衛星導航系統和增強系統聯網工作的關鍵。

為了提高我國衛星導航的實用性，提高北斗的應用水平，我們應該加快我國衛星導航增強系統與國際同類GPS類廣域增強系統的交流及合作，建立起統一、兼容的系統接口與服務標準，從而使我國的增強系統發揮出更大的效能。

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Discussion on Satellite Navigation Augmentation System

SHI Hu-li1，2，LI Lin1，3

(1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Science，Beijing 100012，China；2.Beijing RiYue JiuTian Technology Co.Ltd，Beijing 100102，China；3.Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)

This paper reviewed the satellite navigation augmentation system by looking back at its origin and development，discussed its mission and composition，explored its essence and key technology and finally forecasted the future of the system.

Satellite navigation；Augmentation system；Differential system；Wide area；Local area

2015 - 08 - 18；

2015 - 08 - 27。基金項目：國家自然科學基金項目(No.271284F010203)

施滸立(1944 - )，男，理學博士、工學博士，研究員，主要從事天文、導航、通信方面的研究。

E-mail：shl@bao.ac.cn

TN967.1

A

2095-8110(2015)05-0030-07