建設北斗星基增強系統精準服務“一帶一路”

+ 孫長永、姚怡、趙軍 航天恒星科技有限公司

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建設北斗星基增強系統精準服務“一帶一路”

+ 孫長永、姚怡、趙軍 航天恒星科技有限公司

星基增強系統作為重要的導航基礎設施，通過在導航頻點播發類導航系統信號為相關國家及地區提供覆蓋范圍廣、精度高的導航位置服務。“一帶一路”戰略規劃的提出，對北斗高精度導航應用提出了強烈需求，建設北斗星基增強系統既是全面服務“一帶一路”國家整體戰略規劃的需求，也是北斗國際化發展的內在需求。本文分析星基增強系統發展現狀，提出基于北斗/GPS建設星基增強系統的構想。

衛星導航；星基增強系統；北斗；一帶一路

1 引言

全球衛星導航系統（GNSS）在國民經濟和社會生活中發揮著越來越大的作用，能夠為交通運輸、氣象、資源開采、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安等行業提供高效的導航定位服務，但由于單一衛星導航系統定位精度受限，無法滿足航空、能源開采、智慧交通、測繪等行業對高精度定位的需求。

為提高GNSS定位精度、完好性和可用性，越來越多的國家投入建設GNSS星基增強系統，利用地球靜止軌道衛星（GEO）播發軌道、鐘差、電離層改正數及完好性信息，提高GNSS的定位精度和完好性，從而提高GNSS的服務質量，滿足用戶需要。最早的星基增強系統是由美國聯邦航空局與美國運輸部于1994年聯合提出建設的WAAS（Wide Area Augmentation System）系統，該系統在GPS廣域差分技術的基礎上發展而來，用于增強GPS導航性能，為民航飛行及其著陸階段飛行提供精確的導航信息。

北斗衛星導航系統是中國實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，目前已覆蓋亞太地區。國家“一帶一路”戰略規劃的實施，對北斗衛星導航系統國際化發展與應用帶來前所未有的機遇?！耙粠б宦贰毖鼐€國家及地區互聯互通建設對北斗導航定位應用特別是高精度、高可靠性應用提出了強烈需求，建設基于地球同步軌道衛星的北斗/GPS星基增強系統，快速實現大范圍北斗高精度差分和完好性服務覆蓋，全面服務“一帶一路”國家整體戰略規劃與建設成為北斗國際化發展的內在需求。

2 星基增強系統發展現狀

星基增強系統的典型代表是美國的WAAS（Wide Area Augmentation System）系統、歐洲的靜止衛星導航重疊服務系統（European Geostationary Navigation Overlay Service ，EGNOS）、日本的多功能衛星星基增強系統（Multi-functional Satellite Augmentation System ，MSAS）、印度的GPS 輔助型對地靜止軌道擴增導航系統（GPS Aided Geo Augmented Navigation ，GAGAN）、俄羅斯的差分校正和監測系 統 SDCM（System of Differential Correction and Monitoring）等，這種系統特點是通過通信衛星播發類GPS信號為民眾提供公開服務。

2.1 美國WAAS

美國WAAS系統由美國聯邦航空局主導，由空間段、地面控制段及用戶段組成，如圖1所示?？臻g段由3顆GEO衛星組成，每個GEO衛星發射信號的頻點、調制方式與GPS衛星完成相同。地面段由3個廣域主站、38個參考站及4個地面上注站組成。WAAS系統使用GEO衛星向GNSS用戶提供播發GNSS完好性信息、GNSS改正數信息，并作為GEO衛星提供測距信號，增強GNSS系統。WAAS GEO衛星信號格式與GPS L1信號采用同樣地頻率，調制模式，偽碼PRN生成。

圖1 WAAS系統構成

WAAS系統主要功能是：采集GPS衛星數據；確定GPS信號電離層延遲、GPS衛星軌道校正參數、GPS衛星鐘校正參數；監測GPS衛星完好性；完成數據獨立驗證；提供WAAS廣播數據和測距信號；完成WAAS系統維護與操作。WAAS具備以下性能：水平、垂直定位精度優于2米（95%）；完好性告警時間8秒。

2.2 歐洲EGNOS

EGNOS是由歐空局主導建設的廣域差分完好性SBAS系統，覆蓋歐盟地區，并計劃向非洲地區拓展，主要包括34個帶RAIM功能的監測基準站，3顆GEO衛星，7個地面上行站，4個運行控制中心，系統構成如圖2所示。

EGNOS通過GEO衛星播發測距增強信號、完備性信號、衛星軌道參數和鐘差改正信號以及GPS偽距電離層改正信號提供增強服務。EGNOS具備以下性能：覆蓋區內水平定位精度優于2米，高程優于3米；完好性告警時間6秒。

圖2 EGNOS系統構成

2.3 日本MSAS

MSAS是日本的多功能GPS衛星星基增強系統，主要目的是為日本航空提供通信與導航服務覆蓋范圍為日本所有飛行服務區?？臻g段由兩顆多功能傳輸衛星（MTSat）組成，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，系統構成如圖 3所示。

圖3 MSAS系統構成

2.4 印度GAGAN

GAGAN是由印度空間組織（ISRO）和印度航空管理局（AAI）聯合組織開發的，系統建設的目的是在印度提供滿足民用和航空應用的精度和完好性要求的星基增強服務，覆蓋范圍為印度及其周邊地區。GAGAN系統的空間段由三顆位于印度洋上空的GEO衛星構成，地面段包括2個主控站、15個地面參考站以及2個上行注入站組成，系統構成如圖 6所示。

圖4 GAGAN系統構成

2.5 俄羅斯SDCM

SDCM是由俄羅斯建設的，是用于監測GPS和GLONASS并提供差分服務的星基增強系統，SDCM同時對GPS和GLONASS進行完好性監測，目前覆蓋范圍為俄羅斯聯邦地區并計劃全球進行拓展。其空間段當前由三顆GEO衛星組成，地面段由24個基準站，1個主控中心組成。目前SDCM已建設了25個監測站，其中19個位于國內，6個位于海外（含南極3個），利用這些監測站，可將GLONASS水平和垂直定位精度分別從8.8米、13.2米提高到0.98米、1.7米。未來，俄羅斯計劃在2020年前，在世界范圍內建成82 個SDCM監測站，其中國內29個，海外53個。按照俄在導航領域最新發展計劃，在2018年之前，俄將在全球范圍內部署建設57個SDCM站。

圖5 SDCM系統構成

2.6 小結

從目前全球星基導航系統建設情況及分布來看，星基增強系統作為重要的導航基礎設施，受到世界各國的青睞，星基導航增強系統通過在導航頻點播發類導航系統信號提供免費公開服務，接收機不需要做額外硬件配置僅需簡單固件升級即可接收增強信號，即可為相關國家及區域提供高精度導航位置服務。另外，建設星基增強系統不僅能夠實現導航性能大幅提升同時通過政府間合作可獲取全球多個地區的導航觀測數據，為導航系統良好運行提供保障。

圖6 星基增強系統組成

3 北斗/GPS星基增強系統建設構想

3.1 系統組成

北斗/GPS星基增強系統主要由地面參考站網、數據處理中心、地面上行站、空間段以及用戶終端組成。

地面參考站網由一定數目的監測站及控制中心組成，監測站對北斗/GPS導航衛星進行實時的數據接收，獲取觀測數據發送控制中心，控制中心匯總地面參考站網中所有監測站的實時數據、非實時數據、氣象數據及監測站坐標并對外發布FTP服務（控制中心根據運營服務需要需至少進行1：1備份建設）。地面參考站網建設應以覆蓋“一帶一路”經濟帶為主要目標進行建設，并充分利用IGS-MGEX/國際GNSS監測評估系統（iGMAS）等公共基礎參考站資源實現原始觀測數據的采集，為廣域增強信息處理提供數據基礎。

數據處理中心是整個星基增強系統的核心，負責完成數據接收、北斗/GPS精密軌道確定、北斗/GPS精密鐘差確定、區域電離層建模、增強信息生成，另外作為星基增強系統的核心，具備系統運營、維護、控制能力，確保整個星基增強系統的有效運轉。

圖7 iGMAS/IGS-MGEX北斗/GNSS多模參考站資源分布圖

地面上行站主要負責從數據處理中心獲取系統增強電文信息，通過基帶處理將其調制成為GEO衛星信號，經上變頻和功率放大后，通過天線上行注入到GEO衛星中，同時上行站負責接收GEO衛星下行信號，實現L頻段下行監測功能。

空間段接收地面上行站上注的信號，轉發給終端用戶?？臻g段衛星資源除采用北斗同步衛星播發方式外，也可充分利用尼星等中國制造衛星資源，并可通過租賃INMARSAT/THURAYA等構筑覆蓋全球的天基資源，實現全球廣域增強覆蓋。

用戶終端接收增強信號和北斗/GPS信號進行解調得到增強信息和觀測數據；利用增強信息和觀測數據進行定位解算。

3.2 系統工作流程

星基增強系統工作流程如下：

圖8 INMARSAT/THURAYA/NIGCOMSAT-1R L band覆蓋圖

（1）參考站采集導航衛星信號和氣象等原始觀測數據，實行全天24小時連續觀測，通過控制中心將原始觀測數據傳輸至數據處理中心；

（2）數據處理中心利用控制中心發送的北斗/GPS觀測數據、增強參考站接收的SBAS觀測數據和收集的IGS精密定軌數據、原始觀測數據等，實現衛星精密軌道確定、精密鐘差確定和區域電離層建模，計算完好性信息，生成增強信息并傳輸至地面上行站；

（3）地面上行站接收數據處理中心發送的導航增強數據流，基于原子鐘和接收機輸出的時頻基準進行載波生成與數據碼調制，完成上變頻后上注到通信衛星，同時地面上行站也通過配備的星基增強接收機、頻譜儀等完成播發信號的檢核；

（4）通信衛星完成頻段變換，利用L波段播發北斗/GPS增強信號；

（5）用戶終端接收北斗/GPS、星基增強信號，利用增強信息提高定位精度和應用完好性。

4 應用前景與展望

“一帶一路”戰略將涵蓋全球超過64%的人口，全球30%的GDP，依托“一帶一路”國家戰略加快建設北斗星基增強系統具有重要的戰略意義：一方面星基增強系統具有覆蓋范圍廣，投資少，建設周期短的特點，能夠快速提升北斗定位精度及完好性指標，滿足“一帶一路”沿線高精度定位和完好性應用需求；另一方面北斗系統的穩定運行需要全球建設大量的觀測站，星基增強系統所建設參考站可獲得大量北斗觀測數據，為北斗系統運行提供有力保障支撐。

圖9 星基增強系統工作流程圖

以現有工程建設經驗，北斗/GPS星基增強系統定位精度可優于1米，完好性告警時間達到10秒，可為“一帶一路”沿線國家提供高精度位置服務，滿足沿線國家航空、能源開采、智慧交通、測繪等行業對高精度定位的需求。

［1］Kaplan， E.D； Hegarty， C.J； 寇艷紅.GPS原理與應用.第二版［M］.北京：電子工業出版社， 2007.

［2］Global Positioning System Wide Area Augmentation System（WAAS） Performance Standard.Federal Aviation Administration & Department of Transportation of USA，2008.10.

［3］Walter Todd， Enge Per， Reddan Pat.Modernizing WAAS［C］.Proceedings of the Institute of Navigations GNSS Meeting （ION GNSS 2004）， 2004.

［4］倪育德，劉瑞華.EGNOS系統增強服務的原理與實現.中國民航大學學報.第25卷， 第5期.2007年10月.

孫長永（1984.01-）：男，航天恒星科技有限公司，工程師，通信與信息系統專業，主要研究方向為GNSS/SBAS及其應用。姚怡（1984.10-）：女，航天恒星科技有限公司，工程師，通信與信息系統專業，主要研究方向為通信衛星地面應用系統設計。