國外衛星導航增強系統發展概覽

●　文|北京空間科技信息研究所　　 趙爽

國外衛星導航增強系統發展概覽

●文|北京空間科技信息研究所 趙爽

衛星導航增強系統是衛星導航系統建設中的一項重要內容，堪稱衛星導航系統的“能力倍增器”。目前的衛星導航系統盡管已經在各個民商用領域應用廣泛，并且成為各大軍事強國軍用發展所不可或缺的一環，但由于技術和系統的局限性，在某些領域如航空精密進近等仍無法滿足需求，需要增強系統將其能力加以提升。

從目前全球衛星導航系統發展的大趨勢看，從前的美國GPS系統“一家獨大”，已經由于俄羅斯GLONASS、中國二代北斗（COMPASS）、歐洲伽利略的崛起，向著“四分天下”發展。甚至未來可能還會有印度、日本等國家的全球系統出現，那時全球GNSS將是“群雄逐鹿”的局面，系統間的競爭將愈加激烈。如何能夠突破重圍，在競爭中立于不敗之地？本文認為系統服務性能將是制勝關鍵，而作為系統能力倍增器的增強系統將是實現這一能力的重中之重。

目前，國外衛星導航增強系統主要分為星基增強系統（SBAS）和地基增強系統（GBAS）兩大類。星基增強系統如美國的廣域增強系統（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監測系統（SDCM）等，地基增強系統如美國的局域增強系統（LAAS）等。這些系統綜合使用了各種不同增強效果的導航增強技術，最終實現了其增強衛星導航服務性能的目的。從增強效果上看，這些增強系統所使用的衛星導航增強技術主要包括精度增強技術、完好性增強技術、連續性和可用性增強技術。其中，精度增強技術主要運用差分原理，進一步可分為廣域差分技術、局域差分技術、廣域精密定位技術和局域精密定位技術；完好性增強技術主要運用完好性監測原理，進一步可分為系統完好性監測技術、廣域差分完好性監測技術等等。連續性和可用性增強技術主要是增加導航信號源，進一步可分為天基衛星增強技術、地基偽衛星增強技術等。當前衛星導航增強系統所采用的各種增強技術分類見表1。本文主要從星基增強系統和地基增強系統這一分類角度，對于目前國外衛星導航增強系統的發展情況進行簡要介紹。

表1　當前衛星導航增強系統所采用的增強技術分類

一、星基增強系統及應用發展

星基增強系統（SBAS）通過地球靜止軌道（GEO）衛星搭載衛星導航增強信號轉發器，可以向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現對于原有衛星導航系統定位精度的改進，從而成為各航天大國競相發展的手段。目前，全球已經建立起了多個SBAS系統，如美國的廣域增強系統（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監測系統（SDCM）、歐洲的歐洲地球靜止導航重疊服務（EGNOS）、日本的多功能衛星星基增強系統（MSAS）以及印度的GPS輔助靜地軌道增強導航系統（GAGAN）。

上述SBAS系統的工作原理大致相同。首先，由大量分布極廣的差分站（位置已知）對導航衛星進行監測，獲得原始定位數據（偽距、衛星播發的相位等）并送至中央處理設施（主控站），后者通過計算得到各衛星的各種定位修正信息，通過上行注入站發給GEO衛星，最后將修正信息播發給廣大用戶,從而達到提高定位精度的目的。

1.美國廣域增強系統

廣域增強系統（Wide Area Augmentation System，WAAS）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，該系統通過GEO衛星播發GPS廣域差分數據，從而提高全球定位系統的精度和可用性。

美國WAAS利用遍布北美和夏威夷的地面參考站（Wide-area Reference Station，WRS）采集GPS信號并傳送給主控站（Wide-area Master Station，簡稱WMS）。WMS經過計算得出差分改正（Deviation Correction，DC）并將改正信息經地面上行注入站傳送給WAAS系統的GEO衛星。最后由GEO衛星將信息播發給地球上的用戶，這樣用戶就能夠通過得到的改正信息精確計算自己的位置。

WAAS系統的發展分為4個階段（圖1）：第1階段為初始運行能力階段（IOC），其研發始于20世紀90年代，2003年7月10日完成，實現WAAS信號對95%的美國領土的覆蓋，動態定位水平精度3～5m，垂直精度3～7m。第2階段（2003—2008年）和第3階段（2009—2013年）將實現WAAS系統對航空進場著陸能力的改善，通過WAAS實現飛機的LPV（垂直指引功能定位信標）和LPV-200能力，可以使飛機在不具備儀表著陸系統（Instrument Landing System，ILS）的飛機場仍可實現類似于儀表著陸的高安全性著陸。而開通LPV-200認證的飛機能夠使降落判決最小高度降低至200英尺，從而提高了跑道的可用性。第4階段（2014—2028年），WAAS系統將增加L5頻段信號，并實現L1和L5的雙頻跟蹤能力。按照計劃，此項能力將在2019年左右初步實現。

在WAAS建立之初，其空間段由兩顆國際海事衛星Inmarsat-3 -F4 (西太平洋地區AOR)和Inmarsat-3-F3 (太平洋地區，POR)組成，兩顆GEO衛星的軌道分別位于西經133°和西經107°。現在，這兩顆衛星已經分別被另外兩顆GEO衛星所取代，即國際通信衛星有限公司（Intelsat）的商業衛星Galaxy -15以及加拿大的通信衛星Anik –F-1R。此外，2010年末國際海事衛星Inmarsat-4 -F3成為了WAAS系統的第三顆GEO衛星，軌道為西經98°。

圖1　WAAS發展階段部署與GEO衛星時間表

2.俄羅斯差分校正和監測系統

自2002年起，俄羅斯聯邦就開始著手研發建立GLONASS系統的衛星導航增強系統——差分校正和監測系統（SDCM）。SDCM將為GLONASS以及其他全球衛星導航系統提供性能強化，以滿足所需的高精確度及可靠性。和其他的衛星導航增強系統類似，SDCM也是利用差分定位的原理，該系統主要由3部分組成：差分校準和監測站、中央處理設施以及用來中繼差分校正信息的地球靜止軌道衛星。

3.歐洲地球靜止導航重疊服務

歐洲地球靜止導航重疊服務（EGNOS）是歐洲自主開發建設的星基導航增強系統，它通過增強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。它是歐洲GNSS計劃的第一步，是歐洲開發的Galileo衛星導航系統計劃的前奏。EGNOS系統是歐洲航天局（ESA）、歐盟（EU）和歐洲航空安全組織（Eurocontrol）聯合規劃的項目，歐空局全面負責EGNOS系統的技術設計和工程建設，歐盟負責國際合作，并且確保把各類用戶對系統的要求融入到EGNOS系統的設計和實施中。歐洲航空安全組織設計民用航空需求，并且在系統測試中扮演主要角色。

EGNOS系統已經于2009年開始正式運行使用，并將至少工作20年以上。目前，EGNOS系統可以提供三種服務：①免費的公開服務，定位精度1m，已于2009 年10月開始服務；②生命安全服務，定位精度1m,已于2011年3月開始服務；③EGNOS數據訪問服務，定位精度小于1m，已于2012年7月開始服務。

4.日本多功能衛星星基增強系統

日本的多功能衛星星基增強系統（MSAS），是基于2顆多功能衛星的GPS星基增強系統，主要目的是為日本航空提供通信與導航服務。系統覆蓋范圍為日本所有飛行服務區，也可以為亞太地區的機動用戶播發氣象數據信息。該項目由日本氣象局和日本交通部于1996年開始實施。

MSAS的空間段由兩顆多功能傳輸衛星（MTSat）組成，他們是日本發展的地球靜止軌道氣象和環境觀測衛星——“向日葵”（Himawari）衛星的第二代。MTSat是日本國土交通省（MLIT）和日本氣象廳共同出資發展的氣象觀測與GPS系統導航增強衛星。除了為日本氣象廳提供氣象服務外，還為日本民航局（JCAB）執行航空運輸管理和導航服務。美國勞拉空間系統公司是MTSat-1/1R衛星的主承包商，日本三菱電機公司是MTSat-2衛星的主承包商。截至目前，在軌運行的衛星包括MTSat-1R和MTSat-2，分別位于東經140°和145°上，采用Ku頻段和L頻段兩個載波，其中Ku頻段主要用于播發氣象數據，L頻段頻率與GPS L1頻段相同，主要用于導航服務。

MSAS系統的地面段包括：2個主控站分別位于神戶和常陸太田，4個地面監測站（GMS）分別位于福岡、札幌、東京和那霸，2個監測測距站（MRS）分別位于夏威夷和澳大利亞。

5.印度GPS輔助靜地軌道增強導航系統

印度的GPS輔助靜地軌道增強導航系統（GAGAN）是由印度空間組織（ISRO）和印度航空管理局（AAI）聯合組織開發。

GAGAN系統的空間段由3顆位于印度洋上空的GEO衛星構成，采用C頻段和L頻段，其中C頻段主要用于測控，L頻段與GPS的L1（1575.42MHz）和L5 （1176.45MHz）頻率完全相同，用于播發導航信息，并可與GPS兼容和互操作。空間信號覆蓋整個印度大陸，能為用戶提供GPS信號和差分修正信息，用于改善印度機場和航空應用的GPS定位精度和可靠性。

按計劃，GAGAN空間段的3顆GEO衛星分別為“地球靜止衛星”（Geosynchronous Satellite，GSAT）系列的GSAT-8、GSAT-10以及GSAT-15。“地球靜止衛星”是印度自主發展的靜止軌道通信衛星系列，是印度國家衛星系統兩大系列之一，由印度空間研究組織研制，并計劃采用印度自己的“地球同步衛星運載火箭”（GSLV）發射。目前，GAGAN系統空間段計劃使用的3顆GEO衛星已經發射了兩顆：第一顆搭載GAGAN載荷的衛星GSAT-8于2011年5月發射，目前正工作在東經55?的軌道上；第二顆搭載GAGAN載荷的衛星GSAT-10于2012年9月28日發射，目前正工作在東經83度的軌道上；最后一顆GSAT-15計劃于2015年發射。

二、地面增強系統及應用發展

1.局域增強系統發展分兩步走，提供精密進場能力

局域增強系統（Local Area Augmentation System，LAAS）是一種能夠在局部區域內提供高精度GPS定位的導航增強系統。其原理與廣域增強系統（WAAS）類似，只是用地面的基準站代替了WAAS中的GEO衛星，通過這些基準站向用戶發送測距信號和差分改正信息，從而實現飛機的精密進場。圖2為LAAS示意圖。

圖2　局域增強系統（LAAS）示意圖

精密進場是飛機飛行過程中最為關鍵的階段，根據要求的不同，精密進場可分為三個級別：CAT I、CAT II 和CAT III。

WAAS只能滿足CAT I類精密進場的性能要求，對于難度更大、性能要求更加嚴格的CAT II和CAT III類精密進場，必須采用LAAS方式。盡管和WAAS相比，LAAS服務區域有限（約為30～50km），但是卻更夠提供比WAAS更高的定位精度，它利用地面信號發射器廣播差分修正信息，具有為飛機提供全天候、滿足各類精密進場與著陸要求的導航服務的潛力。

美國聯邦航空委員會（FAA）計劃采用兩階段來開發LAAS系統：在第一階段，研制可提供CAT I精密進場服務的LAAS地面站和機載航空電子設備。到第二階段，開發具有II、III類能力的LAAS。目前，第一階段的研制發展已經比較成熟，并于2011年和2012年在紐瓦克和休斯頓兩市開展LAAS站的CAT I設施建設和運行認證。針對第二階段，FAA首先基于現有成熟技術研發LAAS單頻CAT III，然后根據雙導航頻率的GPS星座進展情況，適時開展LAAS雙頻CAT III研究，以提高可用性。CAT III的LAAS地面和機載系統的開發都已經進入原型樣機階段。

2.NDGPS正在開發更高的局域高精度定位

NDGPS是由聯邦鐵路管理局、美國海岸警衛隊和聯邦公路管理局經營和維護的地面增強系統，它為地面和水面的用戶提供更精確和完全的GPS。現代化的工作包括正在開發的高精度NDGPS系統（HA-NDGPS），用來加強性能使整個覆蓋范圍內的精確度達到10～15cm。NDGPS是按照國際標準建造，世界上五十多個國家已經采用了類似的標準。

3.IGS全球覆蓋為科學研究提供支持

國際GNSS服務組織（The International GNSS Service），簡稱IGS，前身為國際GPS服務組織。IGS提供的高質量數據和產品被用于地球科學研究等多個領域。

IGS組織由衛星跟蹤站、數據中心、分析處理中心等組成，它能夠在網上幾乎實時地提供高精度的GPS數據和其他數據產品，以滿足廣泛的科學研究及工程領域的需要。

IGS的主要任務：為全球衛星定位系統（GNSS）提供高精度的標準數據和產品，以支持地球科學研究、多學科應用和教育。這些活動的目的是為了提高對地球構造及其相互關系的科學認知水平，同時也是為了方便其他有利于社會的相關應用。為完成使命，IGS下設有若干機構：一個由超過350個連續運行雙頻GPS觀測站構成的全球網絡；超過12個的區域性數據中心；3個全球數據中心；7個分析中心和數個相互聯系的活動區域性的分析中心。該組織的總部位于噴氣推進實驗室，它包括中央局信息系統，通過該系統能夠獲取IGS產品和信息。

4.連續運行參考站大范圍推廣

連續運行參考站系統（CORS）是一種廣泛使用的地基增強手段。其原理是在同一批測量的GPS點中選出一些點位可靠，對整個測區具有控制意義的測量站，采取較長時間的連續跟蹤觀測，通過這些站點組成的網絡解算，獲取覆蓋該地區和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數，用于測區內其他基線觀測值的精密解算。

CORS站很好地解決了長距離、大規模的厘米級高精度實時定位的問題，CORS在測量中擴大了覆蓋范圍、降低了作業成本、提高了定位精度和減少了用戶定位的初始化時間。

CORS是目前國內乃至全世界GPS的最新技術和發展趨勢，發達國家基本上每幾十公里就有一個站。發展中國家也在陸續地建立起CORS。截至2014年，全球CORS地面站數量超過了1900個，服務于全球超過200家組織與機構。

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