施滸立 李 林

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，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(xué)，杭州 310018)

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衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)討論

施滸立1,2李 林1，3

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，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(xué)，杭州 310018)

回顧了衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的由來(lái)和發(fā)展，討論了衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的使命及組成，介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的演進(jìn)及部分亮點(diǎn)，探討了衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)及關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)作了討論、展望與評(píng)論。

衛(wèi)星導(dǎo)航；增強(qiáng)系統(tǒng)；差分系統(tǒng)；廣域；局域

0 引言

回眸衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程，研究差分系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)的由來(lái)[1-2]和發(fā)展[3-4]，認(rèn)為由于兩大事件的影響，促進(jìn)了它的降臨和發(fā)展。

第一件事件是政策刺激事件，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后，美國(guó)國(guó)防部為了防止非授權(quán)用戶(hù)使用P碼和與C/A碼碼相位測(cè)量值，發(fā)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(wèi)星上實(shí)施了使用P碼的限制性措施，即在衛(wèi)星時(shí)頻基準(zhǔn)上施加了δ技術(shù)和在導(dǎo)航電文里增加了ε技術(shù)。所謂δ技術(shù)就是對(duì)衛(wèi)星時(shí)頻基準(zhǔn)施加了高頻抖動(dòng)噪聲；所謂ε技術(shù)，就是人為將衛(wèi)星星歷中軌道參數(shù)的精度降低到200m左右。使非授權(quán)用戶(hù)不能正常使用GPS信號(hào)，精度下降到百米量級(jí)。

有矛便會(huì)出現(xiàn)盾，科技工作者開(kāi)展了針?shù)h相對(duì)的抗差技術(shù)研發(fā)，發(fā)現(xiàn)SA誤差的時(shí)間變化周期大約是120s，而衛(wèi)星鐘差變化相當(dāng)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(fù)。這些反SA的措施成為SA的克星，也激發(fā)了科技工作者研發(fā)抗噪聲、消誤差的激情及智慧。由于差分技術(shù)已能消除SA干擾對(duì)GPS測(cè)量的影響。而且美國(guó)已經(jīng)具備新的控制使用導(dǎo)航信號(hào)的能力，于是在2000年5月1日，美國(guó)政府宣布取消SA政策，定位精度又回歸到正常的10m量級(jí)。SA政策被取消了，但出現(xiàn)的抗差技術(shù)，繼續(xù)促進(jìn)消誤差的研究工作，以及差分和增強(qiáng)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展。

第二個(gè)事件是需求牽引事件，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航終端用于飛機(jī)航路、終端區(qū)和非精密進(jìn)場(chǎng)三個(gè)飛行階段后，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是否還能夠提升，滿(mǎn)足精密進(jìn)近和著陸階段的需求呢？聯(lián)邦航空局(FAA)提出了這一變革性的需求，并資助多所大學(xué)和研究單位，開(kāi)展多類(lèi)試驗(yàn)，包括做了成百上千次的飛行試驗(yàn)，發(fā)展了局域增強(qiáng)系統(tǒng)(LAAS)，在50km左右的覆蓋區(qū)域內(nèi)，定位精度達(dá)到1m量級(jí)，使GPS的完善性、可用性、精度和連續(xù)性等導(dǎo)航性能需求(RNP)滿(mǎn)足精密進(jìn)近和著陸的要求，為飛機(jī)的各個(gè)飛行階段提供了可靠的無(wú)縫導(dǎo)航服務(wù)，促進(jìn)了增強(qiáng)系統(tǒng)的升級(jí)和發(fā)展。

上述兩個(gè)事件確實(shí)促進(jìn)了差分和增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展，但我更相信GPS作為一種精密測(cè)量系統(tǒng)，在子午儀(Transit)和Geostar等衛(wèi)星導(dǎo)航工程的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)。但不否認(rèn)，政策刺激和需求的牽引，特別是上述兩件典型事件所產(chǎn)生的影響力，加速了差分和增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展和成功。

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)從差分技術(shù)發(fā)展而來(lái)，根據(jù)國(guó)際民航組織ICAO國(guó)際民航公約附件十中GNSS SARPs的規(guī)定，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的增強(qiáng)系統(tǒng)分為三類(lèi)：陸基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS(Ground Based Augmentation System)、星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS(Satellite Based Augmentation System)、機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)ABAS(Aircraft Based Augmentation System)。其中，GBAS包括廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System，WAAS)、局域增強(qiáng)技術(shù)(Local Area Augmentation System，LAAS)。SBAS利用衛(wèi)星向用戶(hù)廣播GNSS的完好性和修正信息，并提供測(cè)距信號(hào)來(lái)增強(qiáng)GNSS。ABAS將GNSS組件信息和機(jī)載設(shè)備信息進(jìn)行增強(qiáng)及綜合，確?？臻g信號(hào)的需求。至今，已出現(xiàn)了各種衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。除美國(guó)的WAAS和LAAS外，其他國(guó)家或地區(qū)如歐盟、日本、印度、加拿大和澳大利亞等也紛紛建設(shè)了各自的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，包括歐洲靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)(European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS)系統(tǒng)、日本的多功能傳輸衛(wèi)星(MTSAT，Multi-functional Transport Satellite)增強(qiáng)系統(tǒng)(MSAS，Multi-functional Satellite Augmentation System)和準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(QZSS，Quasi-Zenith Satellite System)，以及印度的GPS輔助地球同步軌道衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)(GAGAN，GPS Aided GEO Augmented Navigation)。

我國(guó)也較早地利用GPS系統(tǒng)開(kāi)展了局域差分系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成以后，差分和增強(qiáng)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用加速開(kāi)展，在城市規(guī)劃、國(guó)土測(cè)繪、地籍管理、城鄉(xiāng)建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、交通監(jiān)控等方面開(kāi)展了較廣泛的應(yīng)用。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的使命及組成

1.1 使命[5-6]

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的使命是提升衛(wèi)星導(dǎo)航主系統(tǒng)的性能，擴(kuò)大主系統(tǒng)的功能，保證導(dǎo)航、定位、授時(shí)和測(cè)姿的完好實(shí)施，內(nèi)容有以下三方面。

1.1.1 精度增強(qiáng)

精度指在給定時(shí)間內(nèi)，終端位置和速度的估計(jì)值或測(cè)量值與真實(shí)位置或速度的一致性的度量。精度增強(qiáng)指提高測(cè)量值和計(jì)算結(jié)果的精確程度，或指減少誤差量的能力。精度增強(qiáng)依靠差分技術(shù)，典型做法是將一臺(tái)接收機(jī)作為參考基準(zhǔn)用，稱(chēng)為基準(zhǔn)站接收機(jī)，其位置經(jīng)預(yù)先精確測(cè)量得到，這樣就有了衛(wèi)星到基準(zhǔn)接收機(jī)的真實(shí)幾何距離。如果將基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星的距離測(cè)量值與其真實(shí)幾何距離相比較，差值就是基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星距離的測(cè)量誤差。由于在同一時(shí)刻、同一地域內(nèi)的其他接收機(jī)對(duì)同一顆衛(wèi)星的距離測(cè)量值有相關(guān)或相近的誤差，因而基準(zhǔn)站將其測(cè)量誤差通過(guò)電波發(fā)播給用戶(hù)接收機(jī)的話(huà)，流動(dòng)用戶(hù)就可以利用接收到的誤差修正值來(lái)校正流動(dòng)站接收機(jī)對(duì)同一顆衛(wèi)星的距離測(cè)量值 。精度增強(qiáng)使導(dǎo)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(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，使精度提高到厘米、甚至毫米量級(jí)。

1.1.2 完好性增強(qiáng)

完好性是指當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)異常、故障或精度不能滿(mǎn)足要求時(shí)，實(shí)時(shí)向用戶(hù)發(fā)出“可用”、“不可用”告警的能力，用系統(tǒng)不能提供完善性服務(wù)的概率表示。從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，學(xué)者們一直關(guān)注這一問(wèn)題，積極開(kāi)展完好性監(jiān)測(cè)研究。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身原來(lái)也有一定的完好性監(jiān)測(cè)能力，但告警時(shí)間太長(zhǎng)，需要花幾個(gè)小時(shí)，且信息很單一。所以開(kāi)展完好性增強(qiáng)十分必要，它直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航的系統(tǒng)精度、連續(xù)性和可用性等指標(biāo)，并關(guān)系到大量最終用戶(hù)的生命財(cái)產(chǎn)安全。完好性監(jiān)測(cè)貫穿在系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi)，特別到系統(tǒng)運(yùn)行后期，隨著星地設(shè)備的老化衰退，完好性就越發(fā)重要。

1.1.3 可用性增強(qiáng)

可用性是指整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航功能和異常檢測(cè)功能都能滿(mǎn)足規(guī)定使用要求正常工作的概率，一般用滿(mǎn)足要求時(shí)能連續(xù)工作的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)度量?？捎眯栽鰪?qiáng)包括完善性、可靠性、時(shí)間可用性及精度能力的增強(qiáng)。需要注意的是，系統(tǒng)硬件失效或?qū)е鹿ぷ髦袛嗟母婢畔⒍紩?huì)導(dǎo)致這一服務(wù)質(zhì)量考核指標(biāo)下降。

1.2 組成[7-8]

增強(qiáng)系統(tǒng)一般由基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站或基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心或主控站、數(shù)據(jù)傳輸和播發(fā)數(shù)據(jù)通信鏈路三大部分組成。

1.2.1 基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站

基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站分為兩類(lèi)：基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站和完善性監(jiān)測(cè)站，一般配置高性能的原子鐘及接收視野內(nèi)衛(wèi)星信號(hào)的高質(zhì)量的接收機(jī)，接收機(jī)接收導(dǎo)航信號(hào)獲得原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，檢出測(cè)量參數(shù)的誤差值。完善性監(jiān)測(cè)站專(zhuān)用于完善性檢驗(yàn)，獲得的觀測(cè)值不用來(lái)計(jì)算精度修正值，而只產(chǎn)生“不能使用”電文向用戶(hù)終端告警。兩類(lèi)監(jiān)測(cè)站也可以合起來(lái)，這時(shí)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)除了產(chǎn)生修正信息以外，還要得出完善性結(jié)論，發(fā)布告警信息。

監(jiān)測(cè)站數(shù)量多、分布廣，可以獲得更多不同空間和不同地域分布的測(cè)量數(shù)據(jù)，有利于分析、處理誤差數(shù)據(jù)，提高精度。如美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WASS)建設(shè)了25個(gè)監(jiān)測(cè)站，后增加到38個(gè)；歐洲EGNOS計(jì)劃設(shè)置33～35個(gè)基準(zhǔn)站；而印度的GAGAN有8個(gè)基準(zhǔn)站。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理中心或主控站

增強(qiáng)系統(tǒng)，特別是廣域增強(qiáng)系統(tǒng)必須要有一個(gè)處理能力強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理中心，有時(shí)亦稱(chēng)為廣域主控站(WMS)。主要任務(wù)是根據(jù)已知監(jiān)測(cè)站的位置和采集到的參數(shù)計(jì)算分離出衛(wèi)星軌位、時(shí)鐘、電離層及對(duì)流層時(shí)延等誤差。數(shù)據(jù)處理中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后生成星歷、鐘差等差分改正數(shù)，電離層時(shí)延?xùn)鸥穹植紖?shù)，以及完好性等級(jí)及告警數(shù)據(jù)等增強(qiáng)數(shù)據(jù)，確定被觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的完整性、精度，殘差等信息，最后把經(jīng)分析加工后的信息，編制成增強(qiáng)電文，廣播給用戶(hù)終端。

數(shù)據(jù)處理中心決定著增強(qiáng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。系統(tǒng)一般設(shè)置1～2個(gè)主控站就能滿(mǎn)足需求。如WAAS系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)主控站；MSAS系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)主控站；而GAGAN系統(tǒng)只在班加羅爾設(shè)置了1個(gè)主控站。

1.2.3 通信鏈路和發(fā)布平臺(tái)

數(shù)據(jù)處理中心編制增強(qiáng)電文，傳送給發(fā)布平臺(tái)播發(fā)增強(qiáng)信息或“類(lèi)GPS”測(cè)距信號(hào)，供用戶(hù)終端使用。有兩類(lèi)播發(fā)情況，一類(lèi)是僅廣播增強(qiáng)信息，如單站RTK，通過(guò)VHF、UHF向流動(dòng)用戶(hù)終端廣播增強(qiáng)信息；另一類(lèi)不但傳輸增強(qiáng)信息，而且還提供“類(lèi)GPS”的測(cè)距碼信號(hào)，增加測(cè)距冗余度，特別當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座分布不理想時(shí)，增強(qiáng)平臺(tái)將能改善星座的幾何分布因子DOP，提高定位精度。衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的增強(qiáng)平臺(tái)分為陸基、星基、機(jī)載三類(lèi)。各增強(qiáng)系統(tǒng)中平臺(tái)的設(shè)置情況如下：美國(guó)WAAS由4顆海事衛(wèi)星(Inmarsat)組成，后又增加了2顆同步軌道衛(wèi)星；日本的QZSS，考慮到日本地處北半球多山地區(qū)域，用了3顆大橢圓軌道的IGSO衛(wèi)星；印度的GAGAN，用了3顆GEO衛(wèi)星。歐洲EGNOS將用3～4顆地球同步軌道衛(wèi)星。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的演進(jìn)及亮點(diǎn)

2.1 演進(jìn)[9-10]

在需求的牽引下，衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)逐漸發(fā)展，現(xiàn)在已成為衛(wèi)星導(dǎo)航中不可或缺的組成部分，有些還成為能獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)。其演進(jìn)歷程大致有以下四個(gè)方面。

2.1.1 從低精度向高精度演進(jìn)

增強(qiáng)系統(tǒng)是從差分發(fā)展起來(lái)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(hù)接收機(jī)離參考站的距離有關(guān)，一般要求不超過(guò)300～500km范圍。位置差分解的精度還與接收的衛(wèi)星數(shù)量及其分布有關(guān)。而偽距差分則不一樣，其“修正偏差”只與觀測(cè)衛(wèi)星有關(guān)。偽距測(cè)量值有通過(guò)碼相關(guān)測(cè)量獲得，也有通過(guò)載波相位測(cè)量獲得，后者的偽距精度高達(dá)厘米級(jí)，甚至毫米量級(jí)。

2.1.2 從靜態(tài)修正向動(dòng)態(tài)修正演進(jìn)

衛(wèi)星導(dǎo)航差分應(yīng)用從靜態(tài)應(yīng)用開(kāi)始，但靜態(tài)差分只能解決定位。導(dǎo)航是動(dòng)態(tài)的，不但與位置精度有關(guān)，而且還與速度及加速度等動(dòng)態(tài)要求有關(guān)。為此，發(fā)明了RTK(Real Time Kinematic)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。它由一個(gè)參考站與若干個(gè)流動(dòng)站組成，通信頻段采用VHF、UHF頻段，通信體制采用擴(kuò)頻或跳頻體制，能在1～2s的時(shí)間里獲得高精度位置信息。20世紀(jì)90年代初，這項(xiàng)技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，極大地拓展了GPS的使用空間。直到今天，如果沒(méi)有CORS和PPP的出現(xiàn)，RTK技術(shù)仍代表著高精度GPS的最高水平。RTK可以應(yīng)用于快速測(cè)量、精密測(cè)圖、工程放樣和工程監(jiān)控方面的動(dòng)態(tài)精密定位。但適用范圍小于10km。導(dǎo)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(jiān)測(cè)向網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)演進(jìn)

RTK技術(shù)也有一定局限性：用戶(hù)需要架設(shè)本地的參考站；誤差隨距離增長(zhǎng)；可靠性和可行性隨距離降低；需要多次設(shè)站等。為了克服這些短擺，20世紀(jì)90年代中期，開(kāi)始開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)RTK的基本思想是：在一定區(qū)域內(nèi)，根據(jù)多個(gè)基準(zhǔn)站的已知誤差，利用誤差的強(qiáng)相關(guān)性，可以推算并消除該區(qū)域內(nèi)任何一處流動(dòng)站的已知誤差。目前代表性的方法有虛擬參考站技術(shù)(VRS，Virtual Reference Station)、FTK技術(shù)和綜合誤差內(nèi)插技術(shù)(CBI，Combined Bias Interpolation，)三類(lèi)。 VRS分別采用電離層與對(duì)流層估計(jì)模型，可以生成虛擬參考站，對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正。FKP技術(shù)采用整體的網(wǎng)絡(luò)解，并用卡爾曼濾波進(jìn)行非差數(shù)據(jù)處理。

總之，增強(qiáng)系統(tǒng)依靠通信網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算中心，并用移動(dòng)通信網(wǎng)把解算得到的誤差修正值告知用戶(hù)，網(wǎng)絡(luò)化助力增強(qiáng)系統(tǒng)。CORS就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化增強(qiáng)的典型實(shí)例。

2.1.4 從精度增強(qiáng)向可用性增強(qiáng)演進(jìn)。

增強(qiáng)系統(tǒng)在精度增強(qiáng)方面取得顯著成效后，便開(kāi)始注意信號(hào)的完好性、連續(xù)性、完善性及時(shí)間可用性等，這些要求統(tǒng)稱(chēng)為可用性要求，實(shí)現(xiàn)這一增強(qiáng)叫做可用性增強(qiáng)。如WAAS選擇采用同步衛(wèi)星的彎管轉(zhuǎn)發(fā)器作為完好性通道。在6s之內(nèi)發(fā)布修正錯(cuò)誤信息，確保修正后位置精度在保護(hù)門(mén)限以?xún)?nèi)，或接到“不可用”告警，指令用戶(hù)機(jī)不再使用相關(guān)的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

2.2 亮點(diǎn)[11-12]

在衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的演化和前進(jìn)的歷程中出現(xiàn)不少技術(shù)亮點(diǎn)，現(xiàn)介紹我國(guó)有關(guān)部門(mén)和專(zhuān)家在增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展中的兩件亮點(diǎn)技術(shù)。

2.2.1 提出覆蓋范圍增強(qiáng)的新概念

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)已經(jīng)解決了精度增強(qiáng)、可用性增強(qiáng)及可靠性增強(qiáng)，那么今后衛(wèi)星導(dǎo)航還需要增強(qiáng)什么呢？衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和增強(qiáng)信號(hào)在城市高樓街道間、高山峽谷里、密林隧道中，特別在室內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)嚴(yán)重受阻，為了解決導(dǎo)航定位的覆蓋范圍問(wèn)題，科技部國(guó)家遙感中心和武漢大學(xué)提出了羲和計(jì)劃，構(gòu)建廣域室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，希望充分利用各種可用于導(dǎo)航定位的空間信號(hào)，有效解決衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)個(gè)人移動(dòng)終端“最后一公里”問(wèn)題，“十二五”期間在863計(jì)劃支持下，取得了重大突破，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)范圍室外優(yōu)于1m，室內(nèi)優(yōu)于3m定位精度的應(yīng)用示范。

2.2.2 發(fā)展了區(qū)域連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)——CORS

武漢大學(xué)利用衛(wèi)星定位誤差的相關(guān)性計(jì)算基準(zhǔn)站上的綜合誤差，并內(nèi)差出用戶(hù)站的綜合誤差，發(fā)展了區(qū)域連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)-CORS。CORS是利用GNSS技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信和移動(dòng)通信技術(shù)組成的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，提供移動(dòng)定位、動(dòng)態(tài)框架等空間位置信息的服務(wù)系統(tǒng)。區(qū)域性CORS不僅是動(dòng)態(tài)的空間數(shù)據(jù)參考框架，同時(shí)也是快速、高精度獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征的信息基礎(chǔ)設(shè)施之一。可滿(mǎn)足國(guó)土測(cè)繪、城市管理、交通物流、氣象預(yù)報(bào)以及突發(fā)事件應(yīng)急決策等多種現(xiàn)代化信息化管理的要求。已在湖北等地建成示范項(xiàng)目，經(jīng)測(cè)試，采用北斗三頻實(shí)時(shí)精密定位，其平面和高程精度分別達(dá)到2cm和5cm。

3 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)及關(guān)鍵

3.1 實(shí)質(zhì)[13-14]

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原來(lái)是一個(gè)以高空導(dǎo)航衛(wèi)星為基準(zhǔn)的廣域廣播定位系統(tǒng)，是一個(gè)不閉合的開(kāi)放系統(tǒng)，采用的鏈路是開(kāi)口鏈路。增強(qiáng)系統(tǒng)的使命是進(jìn)一步提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(huán)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(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)反饋閉環(huán)控制是衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)性理念。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)[15-16]

3.2.1 誤差數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、分析及剝離技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航誤差源分為三類(lèi)：1)用戶(hù)接收機(jī)共同面臨的誤差，即衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、電離層和對(duì)流層誤差；2)不能由用戶(hù)測(cè)量或由校正模型來(lái)計(jì)算的其他傳播延遲誤差；3)接收機(jī)電子線路中的內(nèi)部噪聲、通道延遲及無(wú)確定性的多路徑傳輸誤差。利用差分技術(shù)，可以完全消除第一類(lèi)誤差，第二類(lèi)誤差的大部分也可消除，但取決于基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶(hù)接收機(jī)之間的距離；第三類(lèi)誤差依靠差分技術(shù)無(wú)法消除，如空間相關(guān)性較弱的多路徑誤差，是變化很快的隨機(jī)噪聲。為了消除前兩類(lèi)誤差源，在基準(zhǔn)參考站上設(shè)置銣鐘提供穩(wěn)定頻率標(biāo)準(zhǔn)。中心站獲得原始測(cè)量值，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行分析處理時(shí)，若采用誤差分項(xiàng)分析及剝離方法，則必須建立分項(xiàng)誤差模型。如欲提高星歷誤差的估計(jì)精度，就要建立衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型，這種動(dòng)力學(xué)方法用載波相位作為測(cè)量值，因此必須解決整周模糊度問(wèn)題。誤差改正分標(biāo)量改正和矢量改正兩種。矢量改正數(shù)包括星鐘誤差、星歷誤差和電離層時(shí)延等，改正效果好；另一種方法是在服務(wù)區(qū)內(nèi)分別采集各自站點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電離層延遲數(shù)據(jù)，上報(bào)主控站處理后，形成柵格結(jié)點(diǎn)上的服務(wù)能力，如把復(fù)雜的電離層誤差曲面化分割，用戶(hù)可以利用內(nèi)插方式選擇電離層延遲修正值。

3.2.2 載波相位測(cè)量和載波相位平滑偽距技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可以用衛(wèi)星信號(hào)的載波和Gold碼來(lái)測(cè)量延遲。單周載波長(zhǎng)約19cm。接收機(jī)的測(cè)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(dòng)接收機(jī)就可以計(jì)算出其相對(duì)固定接收機(jī)的距離或位置，精度可達(dá)厘米級(jí)。

3.2.3 各種增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容和互操作技術(shù)

兼容與互操作特性是實(shí)現(xiàn)各衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)(ICG)的定義[]是。

1)兼容性定義：全球或區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航及其增強(qiáng)系統(tǒng)的工作能力，不管是獨(dú)立使用或綜合使用，對(duì)任意一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)本來(lái)的服務(wù)和能力都不會(huì)導(dǎo)致不可接受的干擾或其他損害；

2)互操作定義：用戶(hù)綜合使用多個(gè)系統(tǒng)得到的服務(wù)水平(定位、導(dǎo)航、授時(shí))等效或超過(guò)其中任意一個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)提供的服務(wù)水準(zhǔn)。

兼容和互操作包括程序、標(biāo)準(zhǔn)、功能規(guī)范和技術(shù)性能。要實(shí)現(xiàn)天-地增強(qiáng)系統(tǒng)閉環(huán)實(shí)時(shí)兼容和互操作測(cè)量與控制方式，必須解決導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)間、空間基準(zhǔn)統(tǒng)一的問(wèn)題和擴(kuò)頻碼與載波相位的相干性問(wèn)題。

3.2.4 偽衛(wèi)星增強(qiáng)技術(shù)。

偽衛(wèi)星可以播發(fā)與導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)一樣的復(fù)制信號(hào)。如果偽衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)同步到接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，將稱(chēng)其為同步偽衛(wèi)星。同步偽衛(wèi)星可以精確初始化CDGPS導(dǎo)航，可以作為CDGPS導(dǎo)航系統(tǒng)的參考站。通過(guò)一組偽衛(wèi)星為衛(wèi)星導(dǎo)航提供增強(qiáng)或備份，這樣即使衛(wèi)星星座失效也可以導(dǎo)航。

4 展望與建議

4.1 展望[17-18]

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)作為對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，越來(lái)越顯示出它的生命力與重要性，發(fā)展極其迅速。

4.1.1 高精度的增強(qiáng)定位技術(shù)和系統(tǒng)正在促進(jìn)形成精準(zhǔn)測(cè)量產(chǎn)業(yè)

1993年，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)首先在美國(guó)明尼蘇達(dá)州的2個(gè)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果當(dāng)年用GPS指導(dǎo)施肥的作物產(chǎn)量比傳統(tǒng)平均施肥的作物產(chǎn)量提高30%左右，同時(shí)還減少了化肥施用量，經(jīng)濟(jì)效益大大提高。此后，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開(kāi)始興起，目前已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種普遍趨勢(shì)。近年來(lái)，我國(guó)也積極開(kāi)展北斗系統(tǒng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用示范工程建設(shè)，如新疆石河子市和農(nóng)八師正在部署用5萬(wàn)套北斗農(nóng)用終端。在北京打造了 “基于北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”新型應(yīng)用，每臺(tái)農(nóng)機(jī)的定位誤差控制在5cm范圍內(nèi)，保證播種、撒藥、灌溉、收割等農(nóng)機(jī)作業(yè)精準(zhǔn)有效利用。

提供厘米級(jí)、毫米級(jí)的實(shí)時(shí)三維空間定位服務(wù)，應(yīng)用遠(yuǎn)不止精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面，在地形測(cè)量、燃?xì)夤芫W(wǎng)精準(zhǔn)服務(wù)、大橋或大壩的變形監(jiān)測(cè)、高鐵路基監(jiān)測(cè)、大型工程的施工等方面也開(kāi)始發(fā)揮更多作用，正在形成一種精準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。相信在今后若干年內(nèi)，精準(zhǔn)測(cè)量產(chǎn)業(yè)將一定會(huì)興旺發(fā)達(dá)起來(lái)。

4.1.2 增強(qiáng)系統(tǒng)有望促進(jìn)室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位的實(shí)現(xiàn)

差分技術(shù)可消除大部分系統(tǒng)誤差，但多徑誤差卻無(wú)法消除，如在城市、森林或室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境下，多徑效應(yīng)嚴(yán)重，定位精度會(huì)大幅度下降。在嚴(yán)重情況下還會(huì)使導(dǎo)航信號(hào)失鎖，接收機(jī)無(wú)法正常工作，降低了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用度。所以增強(qiáng)系統(tǒng)演進(jìn)的下一個(gè)目標(biāo)是解決擴(kuò)大覆蓋范圍的問(wèn)題。要能夠覆蓋城市、森林或室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境，特別是室內(nèi)公用場(chǎng)所，但解決的難度極大。所以突破覆蓋受限藩籬，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位將是國(guó)內(nèi)外導(dǎo)航工作者的新使命。

4.1.3 增強(qiáng)系統(tǒng)有可能發(fā)展成為多信息廣義導(dǎo)航定位系統(tǒng)

增強(qiáng)系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)展的動(dòng)力在于需求牽引，在于解決實(shí)際需求問(wèn)題，所以說(shuō)需求牽引著增強(qiáng)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展。當(dāng)室內(nèi)導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展以后，導(dǎo)航定位系統(tǒng)的整體面貌會(huì)有新的變化，那時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)可能發(fā)展成為多信息廣義導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)，其中多種導(dǎo)航技術(shù)，包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，都將成為廣義導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)中的信息源，衛(wèi)星導(dǎo)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(qiáng)系統(tǒng)追求的永恒的目標(biāo)。提高精度就是與誤差作斗爭(zhēng)，首先要能監(jiān)測(cè)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(xiàng)修正、整體修正后再分項(xiàng)修正，以及大分項(xiàng)修正后整體修正多種。增強(qiáng)系統(tǒng)中大多采用分項(xiàng)修正方法，是否能在分項(xiàng)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(shí)基函數(shù)的選擇變得很重要，這是值得探索的。

2)增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)有序開(kāi)展，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要先行，合理的建設(shè)流程應(yīng)該是先廣域后局域，這樣容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的兼容和互操作，也能減少重復(fù)投入，提高建設(shè)效益。其中星基增強(qiáng)系統(tǒng)是投入產(chǎn)出比最佳的增強(qiáng)系統(tǒng)，應(yīng)該首先發(fā)展和建設(shè)，接著再針對(duì)各種需求發(fā)展局域增強(qiáng)系統(tǒng)。我國(guó)的局域增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展得很火，而廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)相對(duì)遲緩，這種局面應(yīng)該改觀。

3)應(yīng)該充分利用世界上已有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)，為此，必須提供互操作能力，以便利用多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫兼容導(dǎo)航。兼容與互操作既是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)一致工作的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)全球同類(lèi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工作的關(guān)鍵。

為了提高我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航的實(shí)用性，提高北斗的應(yīng)用水平，我們應(yīng)該加快我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)與國(guó)際同類(lèi)GPS類(lèi)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的交流及合作，建立起統(tǒng)一、兼容的系統(tǒng)接口與服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，從而使我國(guó)的增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.271284F010203)

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

E-mail：shl@bao.ac.cn

TN967.1

A

2095-8110(2015)05-0030-07