星站差分定位系統綜述及分析?

王宏凱 鐘 斌 邊少鋒 李 娟

（1.海軍工程大學 武漢 430033）（2.青島農業大學 青島 266109）

1 引言

目前，星站差分定位系統己經成為多個國家衛星導航系統不可缺少的配套設施，是提高定位精度的重要手段。繼美國、歐盟之后，許多國家都在致力于衛星定位星基增強技術的開發。星基增強技術的基本原理是差分定位。該系統的原理為，將己知位置的參考站獲得的數據，經過差分改正后，上傳至衛星并由衛星發送至用戶，用戶定位精度可以得到顯著提高［1］。星站差分定位一般由四部分組成:地面部分、空間部分、用戶部分和支持系統，空間段一般由地球同步衛星構成；地面段包括監測站、主控站、注入站和通信網絡；用戶段是由能夠接收SBAS 信號的接收機構成［2］。SBAS 系統基本構架如圖1 所示。通過地球同步衛星或其他通訊衛星（如Inmarsat 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、電離層延遲等多種改正信息，以實現對原有導航定位系統精度的改善和提高。

國外已經建成并開始服務的星基增強系統有美國的廣域增強系統WAAS、歐洲地球同步衛星導航增強服務系統EGNOS、日本的基于多功能運輸衛星的增強系統MSAS、印度的GPS 輔助型靜地軌道增強導航系統GAGAN［3］；計劃建設中的星站差分定位系統有俄羅斯的差分改正監測系統SDCM和韓國增強衛星系統KASS［4～6］。中國的星站差分定位系統利用北斗星系統的通訊鏈路，向中國以及周邊地區播發差分定位信息以及衛星可用性等信息［7］，標志著中國在建立衛星導航定位領域的發展已步入世界的先進行列。

鑒于星站差分定位系統的重要作用和發展形勢，本文對目前國外主要星站差分定位系統的發展情況加以整理，進行簡要介紹，并對北斗星站差分定位系統建設情況及必要性進行了分析。

2 國外星站差分定位系統概況

2.1 歐洲EGNOS系統

星站差分定位典型的代表是歐洲地球同步衛星導航增強系統EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），它 通 過 增 強GPS 和GLONASS 兩個衛星導航系統的定位精度，來滿足高安全用戶的需求。EGNOS 空間部分包括3 顆GEO 衛星，搭載導航增強轉發器，播發導航增強信號；兩顆是Inmarsat-3 衛星，一顆在大西洋東部，另一顆在印度洋；還有一顆是ESA在非洲上空的地球同步通訊衛星Artemis。軌道分別為西經15.5°、東經65.5°以及東經21.3°。

EGNOS 地面系統包括MCC（主控制中心），RIMS站（測距與完好性監測站）和陸地導航地球站（NLES）。用戶部分包括:用于空間信號性能驗證的EGNOS接收機，以及水運、空運和陸運用戶專用設備；系統靜態和動態測試平臺，用于用戶接收機驗收、系統性能證明、定位誤差比較分析。支持系統包括EGNOS 廣域差分網以及系統開發驗證平臺、工程詳細技術設計、系統性能評價以及問題發現等支持系統。EGNOS 系統構成及空間段覆蓋示意見圖2。

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；3）EGNOS數據訪問服務，定位精度優于1m，已于2012 年7 月開始服務［8］。EGNOS 的生命安全服務服務在2015年實現LPV-200 服務能力，并于2016 年利用空客A350 成功完成LPV-200 飛行進近。截止到2016年4月，已經公布了有261個基于EGNOS的LPV 飛行程序。歐洲具備EGNOS 能力的飛機場已經超過了50 個，以法國和德國為主，而未來計劃配備EGNOS 能力的飛機場還將超過50 個。這樣來看，未來在歐洲將至少有100個機場具備EGNOS能力［5］。

圖2 EGNOS系統構成及空間段覆蓋示意圖

2.2 Starfire系統

市場上已經得到廣泛應用的星站差分定位系統Starfire 系統。StarFire 網絡是美國NAVCOM 公司在1999 年建立的在全球范圍內提供GPS 差分信號發布服務廣域差分系統，它提供了獨一無二的可靠性和分米級的定位精度，具備99.99%可靠性。StarFire?DGPS 包括10 通道（雙頻GPS 信號接受），另外兩個獨立的通道，一個用于接受SBAS（Satellite Based Augmentation System）信號，另外一個用于接受L 波段差分改正信號。設備通過兩個115Kbps 數據傳輸口，原始數據的輸出可達50Hz，PVT（Position Velocity Time）數據輸出可達25Hz。改正信號通過Inmarsat 靜止衛星進行廣播，無須建立測區的基準站或進行后處理。

StarFire 網絡自從1999 年4 月開始運行以來，基本上覆蓋了全世界［9］。在北緯76°到南緯76°的任何地球表面，都能提供同樣的精度。

StarFire 是由美國NavCom 公司建立的商業GPS 廣域差分系統，也是全球首個能夠提供5cm 精度實時定位的星基增強系統，可以覆蓋南北緯76°區間的任何地域。該系統采用多數據通道、兩個獨立的數據處理中心以及雙衛星上傳設備，來確保向全球用戶提供連續、可靠的定位服務。

StarFire系統包括遍布全球的80多個參考站組成的雙頻參考站網，2 個數據處理中心、通信鏈路、3 個全球分布的注入站、6 顆INMARSAT 同步衛星。系統提供高精度、高可靠GPS廣域差分增強服務，定位精度達到厘米級，具有較高的性價比，廣泛應用于大地測量、航空攝影測量、遙感制圖、移動目標姿態方向測定、精確授時、工程形變監測、機械控制、海洋測繪、港口調度、港口碼頭工程、機器人和無人機精確導航等行業和應用領域。

2.3 OmniSTAR系統

作為另外一個市場上廣泛應用的星站差分定位系統，OmniSTAR 系統是一套可以覆蓋全球的高精度GPS 增強系統。該系統通過分布在世界各地的70 個地面參考站來測定GPS 系統的誤差，由分別位于美國、歐洲和澳大利亞的3 個控制中心站對各參考站的數據進行分析和處理，并將經分析和確認后的差分改正數據通過同步衛星廣播給用戶，實現高精度的的實時定位［8］。OmniSTAR 提供測量、定位、環境和包括陸地和近海的衛星服務。在陸地上新的應用方面OmniSTAR 服務可以滿足精密定位系統的需求。OmniSTAR 提供了實時的DGPS 定位服務。它能夠改善GPS 接收機的精度，提高約100 倍。OmniSTAR 系統比部分市場上其它競爭的系統能提供更大的地理覆蓋。目前，在mniSTAR信號覆蓋范圍內可最高實現單機10cm 的實時定位精度。OmniSTAR 的應用橫跨了眾多工業，包括農業（精密耕作）、采礦業和大地測量等。航空業應用包括農作物灌溉和地理測繪等。

OmniSTAR 提供三種GPS 差分等級的服務:VBS、HP、和XP。OmniSTAR VBS 是一個亞米級的服務。一個典型的24 小時的VBS 采樣顯示的2σ（95%）置信度下的水平位置偏差小于1m，而3σ（99%）的位置偏差接近于1m。新的OmniSTAR HP服務在2σ（95%）的置信度下的水平位置偏差小于10cm，3σ（99%）的水平位置偏差小于15cm［9］。在農業機械引導和許多的測量任務方面，有其獨特的應用。它操作實時，不需要當地基準站或遙感鏈路。新的OmniSTAR XP 服務提供短期幾英寸和長期重復性優于20cm（95%CEP）的精度。它特別適合農業自動化操縱系統。精度比HP 低，約20cm，全世界范圍內可用，在測量方面，與地域性差分系統（如WAAS）相比，精度有所提高。用戶在購買具有OmniSTAR 功能的GPS 接收機后，可向Omni-STAR 的服務商交納服務費用，申請開通服務。目前在中國地區，可支持VBS和HP/XP服務。

OmniSTAR 系統是由OmniSTAR 公司開發和運營的一套覆蓋全球的高精度差分增強系統，面向單頻和雙頻高精度用戶提供基于星基播發提供GPS廣域差分服務，精度從分米級至厘米級。用戶主要分布在石油勘探、精準農業、電力施工、礦產作業、水利施工等諸多非測繪行業。

OmniSTAR 系統由分布在全球的100 多個單頻、雙頻地面參考站，由分別位于美國、歐洲和澳大利亞的3 個控制中心以及用于播發差分改正數據的海事衛星組成。控制中心對各參考站的數據進行分析和處理，并將生成的差分改正數據通過海事衛星廣播給用戶，為陸地、空中應用提供全天候的高精度、高可靠性實時差分定位商業服務，如圖3所示。

圖3 OmniSTAR參考站分布和衛星覆蓋圖

除了南北緯60°以外的部分地區外，OmniSTAR系統服務覆蓋了全球大部分陸地，但系統無法提供完好性服務。OmniSTAR具體服務類型參見表1。

2.4 其他國家星站差分定位系統簡介

俄羅斯以及亞洲的日本、印度都在競相發展各自具有星基播發的增強系統，助力本國衛星導航的建設與應用。

1）日本GPS 連續應變監測系統（COSMOS）和MSAS

COSMOS 系統是由日本國家地理院于90 年代初開始建設的地殼應變監測網逐步發展而來的。該系統站點分布密度較大，平均密度20km，最密的地區如關東、東京、京都等達到了10km～15km，到2005年底站點數目已經達到1200個。該系統主要應用于地震監測和預報、控制測量、建筑、工程控制、形變監測、測圖和地理信息系統數據更新以及氣象測報等領域。

表1 OmniSTAR系統的服務類型及服務性能

MSAS系統是由日本氣象局和日本交通部組織實施的基于兩顆多功能衛星的GPS 星基增強系統。該系統從1996 年開始實施，主要目的是為日本飛行區的飛機提供全程通信和導航服務。系統覆蓋范圍為日本所有飛行服務區，也可為亞太地區的機動用戶播發氣象數據信息。該系統包括2 個主控站（MCS）、4 個地面參考站（GMS）、2 顆GEO 衛星、2個測距監測站（MRS），具體見圖4。

圖4 日本MSAS系統組成

MSAS系統能夠很好地提高日本偏遠島嶼機場的導航服務性能，滿足國際民航組織（ICAO）對非精密進近階段（NPA）和I 類垂直引導進近（APV-I）階段的服務要求［10］，在日本區域內精度優于1m，不在日本區域外規定精度，通常為2m～4m，且距離日本越遠，精度越低。

2）印度星基增強系統（GAGAN）

GAGAN系統由印度航空機構和太空研究組織于2001 年8 月共同計劃實施，于2015 年7 月14 日發布系統服務［11］。該系統在地面段有15 個參考站、3 個上行注入站和1 個任務控制中心。GAGAN系統的技術體制與美國的WAAS相同，目前空間部分依賴GSAT-8和GSAT-10衛星，GSAT-15衛星作為該系統空間轉發器的備份。系統將改善印度的空中交通安全狀況，并為印度的區域導航衛星系統（IRNSS）建設提供經驗［12］，為50 多個機場提供服務，AAI 計劃用該項技術代替儀表著陸系統（ILS），為飛機提供更加精準的航線指引，節省時間和燃料成本，同時，只有安裝了SBAS系統的飛機才能使用這項技術。

3）俄羅斯系統差分校正與監測系統（SDCM）

SDCM 系統是由俄羅斯航天局開發的差分校正與監測系統，并于2007 年開始試運行。該系統由分布于俄羅斯境內的19個地面監測站網絡、6個海外監測站（其中3 個位于南極），位于莫斯科的控制中心和3 顆地球靜止軌道衛星組成［4］，可通過互聯網、電視通道和蜂窩網絡向用戶實時提供GLONASS、GPS的差分校正信息（完好性信息、廣域和局域差分改正數據）。系統結構如圖5所示。

圖5 SDCM結構圖

SDCM可提供1m～1.5m的水平定位精度和2m～3m的垂直定位精度。2012年4月16在莫斯科進行的定位精度試驗結果表明:在觀測時間為24 小時的情況下，GPS+SDCM系統可以達到水平方向1.0m（95%）、垂直方向2.5m（95%）的定位精度；GLONASS+SDCM 系統可以達到水平方向0.98m（95%）、垂直方向1.7m（95%）的定位精度。

3 北斗星站差分定位系統發展概況

我國北斗衛星的星站差分定位系統正在逐步建設之中，部分已在中國和亞太地區得到應用，但精度稍低。以現有工程建設經驗，北斗/GPS 星站差分定位系統定位精度可優于1m，完好性告警時間達到10s，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［13］。

為使北斗星站差分定位系統達到國際標準，將其服務推向國際，實現與其他星站差分定位系統的兼容互操作，我國代表多次參與星基增強互操作工作組（SBAS IWG）會議。從2015 年4 月，我國代表首次參與SBAS 兼容互操作討論，將北斗星站差分定位系統帶入了國際化領域，至2016年11月，我國及其他各國代表在DFMC SBAS定義文檔和接口控制文檔上簽字，標志著北斗導航系統作為第四個增強對象得到了正式確認，奠定了北斗全球衛星導航及北斗星站差分定位系統的國際地位。我國代表在參與SBAS IWG 協調的同時，還持續參與國際民航組織導航系統專家組（ICAO NSP）的多邊國際SBAS 標準制定工作，將DFMC SBAS 定義文件和接口文件的相關內容整合到GNSS SARPs中［5］。為保證系統的播發信號的頻點資源，我國已經啟動了北斗GEO 衛星的L1/B1C 和L5/B2a兩個頻點信號B2a信號與GPS、Galileo/EGNOS、Inmarsat 的協調工作，并已于2016 年啟動了北斗星站差分定位系統B1C信號的頻率協調工作。

圖6 中國精度信號覆蓋范圍

2015 年6 月，由我國北斗導航企業、北京合眾思壯科技股份有限公司自主研發的全球星基高精度增強服務系統，“中國精度”正式提供服務，并面向全球同步發布，這將使我國北斗用戶在無需架設基站的情況下，可在全球任一地點實現便捷的亞米級、分米級和厘米級3 種不同精度層級的定位増強服務［13～14］，信號覆蓋范圍見圖6。作為首個由中國企業完全建設和完全控制的全球高精度增強系統，“中國精度”具有全部自主知識產權和全部控制權，打破國際企業的技術壟斷和封鎖，保障國家地理空間信息的安全性和自主權，彌補了我國衛星導航產業在精度、可用性和完好性方面的不足，從提高北斗服務精度入手提升了北斗的全球競爭力。“中國精度”自2018 年5 月31 日起將啟用新的播發頻率進行播發信號［15］（見表2），服務類型及定位精度見表3。且對2018年6月30日之前購買服務的用戶，終身享受免費的亞米級增強服務［16］。

表2 中國精度信號播發新頻率更改

表3 服務類型及定位精度

4 發展北斗星站差分定位系統的必要性分析

1）是北斗衛星導航系統的重要組成部分

持續提升北斗衛星導航系統的服務能力是北斗系統建設與發展的重要使命之一。目前北斗系統已經完成區域組網，空間星座、地面控制和用戶終端三部分組成了北斗的基本系統，提供10m左右的定位精度，可初步滿足各行業對衛星導航定位服務的基本需求。北斗星站差分定位系統將作為北斗基本系統的重要組成部分，通過地面參考站的修正，將定位精度提高至米級、分米級甚至厘米級，以及事后毫米級，系統的完好性和輔助定位能力，全面提升北斗系統服務性能，改善北斗服務質量，實現北斗高精度導航定位服務能力。

2）是解決我國關鍵行業及領域高精度位置安全的重要手段

長期以來，我國測繪、交通、電力、國土資源調查、城建等行業應用領域嚴重依賴基于國外GNSS的高精度定位服務，特別是在高速公路、高鐵、橋梁、水電站等大型國家重要基礎設施的建設過程中基本上都是基于GPS 的實時動態差分或事后精密定位技術，相關的標準、地圖、以及地理信息產品都是基于國外GNSS 差分高精度服務獲得，并且工程實施基本上采用了國外測量系統與軟硬件設備，客觀上存在嚴重的位置安全隱患。

北斗星站差分定位系統的建設將為上述行業應用領域提供同等精度的差分動態定位服務以及事后精密定位服務，并且通過可靠穩定的國產北斗星站差分定位系統與軟硬件設備，確保關鍵行業和應用領域高精度位置數據的安全可控，從根本上解決我國關鍵行業及領域高精度位置應用安全。

3）是加快北斗應用推廣與產業化的關鍵基礎設施

經過幾年的努力，北斗應用已經初步解決了芯片、模塊等基礎產品核心技術的突破，相關產品已經可以滿足行業和大眾基本需要［17］，但北斗應用推廣與產業化工作仍面臨多重阻礙和不足，發展起步艱難。一方面，長期以來，基于GPS技術的導航、定位與授時產品以其穩定可靠的產品與服務質量贏得了市場的絕大部分份額，占據絕對的競爭優勢；另一方面，高可靠穩定、低功耗、低成本、高性能的北斗基礎產品的研發仍需市場需求的牽引和驗證，而市場選擇主要依據綜合競爭力。尤其在北斗ICD 已經公布后，國外高性能、低功耗、低成本的產品即將大肆沖擊民族北斗產業，且形勢非常迫切。

為此，盡快建設高可靠、全國無縫覆蓋的北斗星站差分定位系統，打造米級、分米級差異化服務優勢，提供優于現有GPS 的定位服務，彌補北斗基礎產品其他方面不足，提升本土北斗的綜合競爭力，才能為北斗開展規模應用推廣與產業化打開突破口，加速北斗應用推廣與產業化步伐。

5 結語

目前，衛星導航星站差分系統己經成為衛星導航系統必備的配套設施，是保障與提高定位精度的基礎設備。繼美國、歐盟之后，許多國家都在致力于星站差分技術的開發和研究。發展北斗星站差分定位系統，既是維護國家國土安全的重要國家基礎設施，又是市場潛力巨大、發展迅速的高新技術產業。從當前國際形勢來看，我國必須發展自己的星站差分定位系統，其系統建設和完善是一項復雜工程，同時也是一項重大科研課題。發展我國星站差分定位系統，可以增強北斗系統的導航和定位能力，更好地為我國北斗用戶提供全方位導航定位服務。尤其在地基增強網絡無法覆蓋的區域，如海洋、沙漠等，通過星站差分定位系統也能達到較高的定位精度。用戶可以接收來自北斗GEO 衛星的廣域差分信號，來提高定位精度與可靠性。同時星站差分定位系統的完善還有利于對北斗二代導航衛星系統的的定位精度進行評價，對北斗二代導航系統的發展起著積極的作用。