張峻林

(北京東方聯(lián)星科技有限公司，北京 100085)

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衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)

張峻林

(北京東方聯(lián)星科技有限公司，北京 100085)

精度、連續(xù)性、可用性、完好性，是評(píng)價(jià)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)及用戶接收機(jī)設(shè)備性能的四項(xiàng)基本指標(biāo)。其中，精度是指GNSS的定位和授時(shí)精確度，完好性是指GNSS定位和授時(shí)輸出結(jié)果的可信度。沒有完好性保證的GNSS定位和授時(shí)技術(shù)無法成為眾多應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)航手段，尤其是那些與經(jīng)濟(jì)、財(cái)產(chǎn)、生命相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域(如航空導(dǎo)航、航海導(dǎo)航、武器制導(dǎo)、交通執(zhí)法、不停車收費(fèi)、氣象探空、電力授時(shí)等)，對(duì)GNSS的精度和完好性提出了較高要求，這些要求超出了GNSS基本系統(tǒng)的服務(wù)能力，因此需要在GNSS基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建設(shè)專門的增強(qiáng)系統(tǒng)，以提高用戶設(shè)備的精度和完好性，從而滿足特定用戶的使用需求。歐美等國(guó)針對(duì)GPS在航空、航海領(lǐng)域的應(yīng)用，建設(shè)了多套GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，中國(guó)針對(duì)BDS基本系統(tǒng)，建設(shè)了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。在分析GNSS精度和完好性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，介紹GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)和技術(shù)。

定位精度；差分技術(shù)；完好性增強(qiáng)

0 引言

當(dāng)今已建成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS和中國(guó)的BDS。GNSS技術(shù)是無線電導(dǎo)航技術(shù)的一種應(yīng)用，用戶接收機(jī)收到衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航信號(hào)后，通過無線電單向測(cè)距手段，獲得衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線與用戶接收機(jī)之間的距離，即“偽距”，當(dāng)用戶接收機(jī)同時(shí)收到4顆或以上的衛(wèi)星信號(hào)并實(shí)現(xiàn)偽距測(cè)量后，即可建立并求解導(dǎo)航方程，計(jì)算出用戶接收機(jī)的三維位置和精確時(shí)間。

由于GNSS民用信號(hào)可供任何用戶免費(fèi)使用，且沒有用戶數(shù)量限制，因此，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于與位置、速度和時(shí)間有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括航空導(dǎo)航、航海導(dǎo)航、航天器測(cè)控、武器制導(dǎo)、氣象探空、大地測(cè)量、位移監(jiān)測(cè)、車輛導(dǎo)航、手持導(dǎo)航、物流跟蹤、通信和電力授時(shí)等。

評(píng)價(jià)一個(gè)GNSS及其用戶設(shè)備的性能，通常使用四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即精度、連續(xù)性、可用性、完好性。不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)這四項(xiàng)指標(biāo)的要求也不同。GPS正式啟用以來，人們?cè)谔岣咂渚确矫婊舜罅烤?，并已證明了GNSS的精度可以滿足眾多應(yīng)用領(lǐng)域的需求。但是，目前市場(chǎng)上使用的GNSS接收機(jī)，除個(gè)別航空型和航海型專用接收機(jī)外，其他領(lǐng)域的接收機(jī)基本沒有完好性指標(biāo)，然而事實(shí)上，在許多應(yīng)用領(lǐng)域使用GNSS，不但對(duì)其精度指標(biāo)有明確要求，同時(shí)還要求滿足完好性指標(biāo)。沒有完好性保障的GNSS技術(shù)，只能起輔助作用，無法成為那些涉及法律、財(cái)產(chǎn)、生命安全相關(guān)領(lǐng)域的主導(dǎo)航手段。因此，隨著應(yīng)用的深入，如何增強(qiáng)GNSS的精度和完好性問題，將成為衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的主要矛盾。

基于作者曾經(jīng)從事過的航空導(dǎo)航專用LAAS基站設(shè)計(jì)和增強(qiáng)型WAAS接收機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并搜集整理了世界各地過去30多年來在GNSS精度和完好性增強(qiáng)方面所采用的技術(shù)和所達(dá)到的效果，本文綜述GNSS精度和完好性增強(qiáng)系統(tǒng)和技術(shù)，以期對(duì)GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有所幫助。

在以上四個(gè)指標(biāo)中，人們首先關(guān)心的是精度，即定位和授時(shí)結(jié)果的精確度。例如，GPS基本系統(tǒng)的定位精度為10m，授時(shí)精度為100ns，GLONASS和BDS的精度與GPS相當(dāng)。該10m定位精度可以滿足大部分用戶的使用要求，但是，對(duì)于飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)、飛機(jī)著陸、船舶進(jìn)港、船舶靠岸、氣象探空、大地測(cè)量、位移監(jiān)測(cè)、交通執(zhí)法等領(lǐng)域，該定位精度則不能完全滿足應(yīng)用要求，需要進(jìn)一步提高；在航天測(cè)控、通信授時(shí)、相對(duì)定位等領(lǐng)域，有些應(yīng)用場(chǎng)合要求授時(shí)精度達(dá)到10ns，GNSS基本系統(tǒng)提供的100ns授時(shí)精度也不能完全滿足用戶的需求。因此，需要在現(xiàn)有GNSS基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建設(shè)增強(qiáng)系統(tǒng)，輔助提高GNSS基本系統(tǒng)的精度，以滿足特定用戶的需求。

GNSS完好性是GNSS定位和授時(shí)可信度的度量。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)NSS完好性要求也不同，例如船舶在遠(yuǎn)洋航路上航行時(shí)，對(duì)完好性要求相對(duì)較低，依靠GNSS基本系統(tǒng)提供的完好性保障能力，以及用戶接收機(jī)內(nèi)部提供的自主完好性監(jiān)視能力，即可滿足使用要求；但是，當(dāng)船舶進(jìn)港和靠岸時(shí)，基本系統(tǒng)提供的完好性指標(biāo)則無法滿足導(dǎo)航需求，需要建設(shè)專門系統(tǒng)，在提高精度的同時(shí)，提高GNSS的完好性，保證船舶進(jìn)港和靠岸的安全。航空導(dǎo)航對(duì)完好性的要求高于航海導(dǎo)航，因此，針對(duì)航空飛行的全部五個(gè)階段，即航路飛行、終端區(qū)飛行、進(jìn)近(指飛機(jī)下降時(shí)機(jī)頭對(duì)準(zhǔn)跑道飛行的過程)、著陸、地面滑行，都需要在GNSS基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建設(shè)專門的增強(qiáng)系統(tǒng)，在提高精度的同時(shí)，提高其完好性，保證飛行安全。在智能交通領(lǐng)域，當(dāng)基于GNSS定位結(jié)果進(jìn)行違章罰款時(shí)，由于涉及執(zhí)法問題，也對(duì)GNSS的完好性提出了要求。GNSS授時(shí)用于發(fā)電、輸電、變電環(huán)節(jié)的時(shí)間同步，為確保電力安全，要求GNSS系統(tǒng)和用戶設(shè)備具有較高的完好性。

在實(shí)際應(yīng)用中，往往既要提高GNSS的精度，又要提高其完好性。因此，在工程實(shí)踐中，GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)一般同時(shí)具有提高精度和提高完好性雙重作用。例如，美國(guó)針對(duì)GPS在航空和航海導(dǎo)航中的應(yīng)用，建設(shè)了星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS(Space-Based Augmentation System)、陸基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS(Ground-Based Augmentation System)和岸基增強(qiáng)系統(tǒng)RBN-DGPS(Radio-Beacon Network-Differential GPS)，中國(guó)針對(duì)BDS在大地測(cè)量、位移監(jiān)測(cè)、氣象探空、交通管理等領(lǐng)域的應(yīng)用，正在建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

本文在分析GNSS精度和完好性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，介紹GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)和技術(shù)。主要內(nèi)容包括：GNSS的理想精度和實(shí)際精度、GNSS完好性及破壞完好性的因素、保障完好性的途徑。并介紹了幾個(gè)典型的GPS和BDS增強(qiáng)系統(tǒng)。

1 GNSS的理想精度和實(shí)際精度

GNSS采用無線電單向測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度三維定位和授時(shí)，決定GNSS精度的關(guān)鍵因素是單向測(cè)距精度。

1.1 GNSS的理想精度

通過獲取GNSS信號(hào)中測(cè)距碼相位的方法，測(cè)量衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的距離(偽距)，進(jìn)而確定用戶的位置，稱為偽距定位；通過獲取GNSS信號(hào)中載波相位的方法，測(cè)量衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的距離，進(jìn)而確定用戶的位置，稱為載波相位定位。

偽距定位的精度取決于接收機(jī)的偽距測(cè)量精度，偽距的測(cè)量精度取決于導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)距碼碼元長(zhǎng)度。以BDS B1民用信號(hào)為例，測(cè)距碼的碼速率為2.046MHz，每個(gè)碼元長(zhǎng)度約為0.5μs，對(duì)應(yīng)的距離為150m，通過接收電路，測(cè)量精度可達(dá)到1/100碼元，偽距測(cè)量精度約為1.5m，在假設(shè)GNSS的幾何精度因子DOP(Dilution of Precision)為1的條件下，偽距定位的理想精度為1.5m。但是，在GNSS信號(hào)的產(chǎn)生、傳播和接收過程中，引入了一些外來誤差，只有減小或消除這些誤差，才可能使偽距定位精度接近其理想精度。

載波相位定位精度取決于接收機(jī)的載波相位測(cè)量精度，載波相位測(cè)量精度取決于導(dǎo)航信號(hào)的頻率和波長(zhǎng)。BDSB1載波頻率為1561.098MHz，每個(gè)周期對(duì)應(yīng)的距離約為0.19m，通過接收電路，測(cè)量精度可達(dá)到1/100周期，對(duì)應(yīng)的測(cè)距精度為1.9mm，這就是載波相位定位的理想精度，該精度比偽距定位精度高763倍，原因在于載波頻率(1561.098MHz)是測(cè)距碼頻率(2.046MHz)的763倍。

然而，實(shí)際應(yīng)用中，在沒有外界輔助增強(qiáng)的情況下，GNSS基本系統(tǒng)的偽距定位精度約為10m，沒有外界輔助的載波相位接收機(jī)則無法實(shí)現(xiàn)定位。為了使GNSS的實(shí)際精度接近其理想精度，在過去30多年時(shí)間里，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的主要力量用于提高GNSS的精度。

1.2 影響GNSS精度的因素

在實(shí)際使用中，存在諸多外來誤差，這些誤差直接影響GNSS的定位精度，例如，常見的誤差包括：1)衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)誤差，該誤差與監(jiān)測(cè)站、預(yù)測(cè)算法、控制站等因素有關(guān)，以GPS為例，其衛(wèi)星軌道誤差約為2～3m；2)星上原子鐘漂移和偏差，該誤差與監(jiān)測(cè)站、預(yù)測(cè)算法、控制站有關(guān)，誤差數(shù)值有時(shí)雖然很大，但測(cè)控系統(tǒng)通過導(dǎo)航電文將地面估計(jì)的時(shí)鐘慢變化誤差發(fā)送給用戶，因此對(duì)用戶來說，時(shí)鐘慢變化誤差比較容易處理；3)星上發(fā)射天線相位中心偏差，該誤差與星上天線方向圖有關(guān)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)完成后，該偏差是固定值；4)電離層傳輸誤差，該誤差與用戶所處的位置和時(shí)間有關(guān)，隨白天黑夜的交替而變化，同時(shí)受太陽黑子活動(dòng)的影響很大，在太陽黑子穩(wěn)定期，用戶當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午兩點(diǎn)前后，該誤差最大可達(dá)25m左右；5)對(duì)流層傳輸誤差，該誤差與衛(wèi)星信號(hào)路徑上大氣層溫度和濕度有關(guān)，可以通過測(cè)量用戶所處地面溫度和濕度估計(jì)該誤差；6)相對(duì)論效應(yīng)引起的時(shí)鐘頻偏，由于衛(wèi)星處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其重力勢(shì)能與地面接收機(jī)的重力勢(shì)能不相等，從而影響星上原子鐘速率，該影響雖然很小，但對(duì)于厘米級(jí)或毫米級(jí)測(cè)量來說，則不可忽視；7)多路徑誤差，該誤差與星上發(fā)射天線、用戶接收天線周圍信號(hào)的反射和折射環(huán)境有關(guān)，對(duì)于靜態(tài)用戶來說，該誤差項(xiàng)呈現(xiàn)一定的周期性，對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的用戶而言，該誤差不可控；8)接收天線相位中心偏差，該誤差由天線方向圖決定，可由天線出廠前標(biāo)定來減?。?)接收機(jī)測(cè)量噪聲，該誤差由接收機(jī)內(nèi)的模擬電路和數(shù)字電路產(chǎn)生，往往以高斯白噪聲形式出現(xiàn)，一般通過濾波辦法消除；10)SA的影響，該誤差是人為加入的衛(wèi)星星歷偏差、時(shí)鐘參數(shù)偏差和星上振蕩器抖動(dòng)，GPS的SA誤差約為50m(1σ)，看似很大，但由于該誤差對(duì)于所有的用戶是相同的，可通過簡(jiǎn)單的差分手段消除。

1.3 提高GNSS精度的途徑：差分技術(shù)

差分技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站同時(shí)接收處理導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，將各個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)量集中到一起進(jìn)行處理，從而消除各站點(diǎn)觀測(cè)到的公共的、慢變化的誤差項(xiàng)。典型的誤差主要是衛(wèi)星軌道誤差、鐘差、空間傳輸誤差。對(duì)于多路徑、機(jī)內(nèi)噪聲等誤差，可通過天線、濾波等技術(shù)減弱或消除，從而提高GNSS的精度。

不同的差分技術(shù)適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。按照技術(shù)分類，分為偽距差分和載波相位差分；按照覆蓋范圍、應(yīng)用場(chǎng)合等方式劃分，可分為廣域差分、局域差分、星基差分、陸基差分、虛擬差分(連續(xù)運(yùn)行參考站)、靜態(tài)差分、相對(duì)差分等。

通過偽距差分技術(shù)，可以將定位誤差提高到0.5～3m，即實(shí)現(xiàn)米級(jí)定位；通過載波相位差分技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)厘米級(jí)、靜態(tài)毫米級(jí)定位。應(yīng)該說，通過差分增強(qiáng)，GNSS精度越來越接近其理想精度。

當(dāng)前典型的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)有：廣域增強(qiáng)系統(tǒng)，即覆蓋北美的WAAS(Wide Area Augmentation System)、歐洲的EGNOS(European geostationary navigation overlay service)和日本的MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)；局域增強(qiáng)系統(tǒng)，即陸地機(jī)場(chǎng)專用的LAAS(Local Area Augmentation System)和艦載JPALS(Joint Precision Approach and Landing System)；全球沿海無線電信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)RBN-DGPS；以及主要用于測(cè)繪的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)CORS(Continuous Operational Reference Systems)。

這些增強(qiáng)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 典型的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)Tab.1 Classical Glvss augmentation system

2 GNSS完好性及其增強(qiáng)技術(shù)

GNSS完好性是指當(dāng)該系統(tǒng)不能提供正常服務(wù)時(shí)，向用戶及時(shí)報(bào)告問題，以確保用戶GNSS接收機(jī)輸出的正確性和可靠性。完好性是對(duì)GNSS可信度的度量。

GNSS由空間段、運(yùn)控段、用戶段組成，加上信號(hào)傳播的環(huán)境段，構(gòu)成了GNSS信號(hào)生成、傳輸和接收的全過程。在這四個(gè)階段中，涉及信號(hào)生成、信號(hào)同步、信號(hào)發(fā)射、衛(wèi)星軌道測(cè)控、衛(wèi)星時(shí)鐘測(cè)控、電離層監(jiān)視、接收天線信號(hào)轉(zhuǎn)換、接收機(jī)內(nèi)部導(dǎo)航解算等眾多環(huán)節(jié)，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能導(dǎo)致GNSS定位授時(shí)結(jié)果的不可信。GNSS完好性增強(qiáng)技術(shù)的本質(zhì)工作，是及時(shí)有效地識(shí)別、剔出導(dǎo)致GNSS定位授時(shí)結(jié)果不可信的各類因素。

GPS系統(tǒng)經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)80年代近20年的試驗(yàn)驗(yàn)證之后，于1994年底正式向全球提供全功能的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)。1995年，斯坦福大學(xué)GPS實(shí)驗(yàn)室針對(duì)航空導(dǎo)航對(duì)GPS精度和完好性要求，開始了GPS增強(qiáng)技術(shù)的研究工作，并先后設(shè)計(jì)了廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS和局域增強(qiáng)系統(tǒng)LAAS，并將LAAS技術(shù)從陸地機(jī)場(chǎng)著陸應(yīng)用推廣到飛機(jī)著艦應(yīng)用，即后來的JPALS。至今，GPS完好性增強(qiáng)方面已積累了20多年的經(jīng)驗(yàn)，因此，本節(jié)將以GPS為例，介紹衛(wèi)星導(dǎo)航完好性方面存在的問題和主要解決辦法。

2.1 GPS基本系統(tǒng)空間段和運(yùn)控段完好性異常及處理能力

GPS標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)SPS(Standard Positioning Services)規(guī)范中，規(guī)定GPS災(zāi)難性誤導(dǎo)信息HMI(Hazardous Miss-leading Information)發(fā)生概率不大于0.002，即每年少于18小時(shí)。這些災(zāi)難性誤導(dǎo)信息需要及時(shí)被檢測(cè)到，并通知最終用戶，否則可能發(fā)生重大事故[1]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2000年～2010年的10年間，發(fā)現(xiàn)空間信號(hào)完好性異常超過3000次，接近平均每天一次。

針對(duì)GPS空間段和運(yùn)控段發(fā)生的完好性異常，GPS基本系統(tǒng)的做法是：由地面運(yùn)控系統(tǒng)檢測(cè)到異常，形成定論和指示信息，把這一指示信息添加到導(dǎo)航電文中，形成新的導(dǎo)航電文，由地面注入到導(dǎo)航衛(wèi)星，再由導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送給最終用戶，這一過程一般需要1h，對(duì)于那些與生命、經(jīng)濟(jì)、財(cái)產(chǎn)安全的應(yīng)用領(lǐng)域來說，這個(gè)時(shí)間太長(zhǎng)。

2.2 破壞GPS完好性的其他因素

空間段和運(yùn)控段發(fā)生的完好性異常主要體現(xiàn)在軌道偏差(實(shí)際軌道與預(yù)測(cè)軌道的偏差)、時(shí)鐘偏差、姿態(tài)偏移等方面。除此之外，信號(hào)傳輸段、接收機(jī)、信號(hào)接收環(huán)境等方面，也可能產(chǎn)生完好性異常，例如電離層風(fēng)暴、用戶設(shè)備異常、信號(hào)折射和反射引起的多路經(jīng)、自然電磁干擾或人為電磁干擾、惡意欺騙、接收機(jī)內(nèi)部噪聲等。

2.3 外部完好性增強(qiáng)技術(shù)和系統(tǒng)

當(dāng)前，GPS空間段主用衛(wèi)星是第二代衛(wèi)星(GPS-Ⅱ)，由于GPS-Ⅱ衛(wèi)星系統(tǒng)研制時(shí)完好性增強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)尚不夠豐富，因此，依靠GPS-Ⅱ本身的完好性檢測(cè)能力不足以滿足用戶的要求。因此，在航空、航海等領(lǐng)域，采用外部增強(qiáng)的方法提高GPS的完好性。例如，針對(duì)航空飛行的航路飛行、終端區(qū)飛行和一類著陸，建設(shè)了WAAS系統(tǒng)；針對(duì)進(jìn)近、二、三類著陸和地面滑行，研制了LAAS系統(tǒng)；針對(duì)船舶進(jìn)港和靠岸，建設(shè)了RBN-DGPS系統(tǒng)。

2.4 接收機(jī)自主完好性監(jiān)視技術(shù)

由于GPS基本系統(tǒng)的完好性保障能力不足以滿足特定用戶的需求，建設(shè)專門的完好性增強(qiáng)系統(tǒng)的代價(jià)又較大，接收機(jī)自主完好性監(jiān)視RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)技術(shù)得以發(fā)展。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，人們開發(fā)了各種RAIM算法。例如只利用當(dāng)前測(cè)量值進(jìn)行一致性檢測(cè)的“快照法”；同時(shí)利用當(dāng)前測(cè)量值和過去測(cè)量值的“平均法”或“濾波法”。歸根結(jié)底，幾乎所有的RAIM算法都是基于測(cè)量值的一致性檢測(cè)技術(shù)，即利用冗余測(cè)量值檢測(cè)多個(gè)測(cè)量值中可能存在的不良信息。

2.5 GPS完好性存在的主要問題和發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前建設(shè)的GPS完好性增強(qiáng)系統(tǒng)，適合航空、航海等專業(yè)用戶需求。其他應(yīng)用領(lǐng)域如交通執(zhí)法、不停車收費(fèi)、氣象探空、電力授時(shí)、高精度位置監(jiān)視和測(cè)量、武器制導(dǎo)等領(lǐng)域，完好性問題還沒有得到徹底解決。

隨著GPS完好性經(jīng)驗(yàn)的積累，資料顯示，未來的第三代GPS系統(tǒng)(GPS-Ⅲ)空間段和運(yùn)控段的完好性保障能力會(huì)提高。

習(xí)慣上，GPS領(lǐng)域經(jīng)常以10年為一個(gè)單位談?wù)摷夹g(shù)進(jìn)步。業(yè)界普遍認(rèn)為，上一個(gè)10年是GNSS芯片的10年，基于完好性問題的復(fù)雜性，下一個(gè)10年將是GPS完好性的10年。哪個(gè)領(lǐng)域成功解決了完好性問題，GPS就可能成為那個(gè)領(lǐng)域的主導(dǎo)航手段。

3 典型的GPS增強(qiáng)系統(tǒng)和技術(shù)

針對(duì)GPS在航空、航海、測(cè)繪等領(lǐng)域應(yīng)用中存在的精度和完好性問題，美國(guó)建設(shè)了四個(gè)GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，即WAAS、LAAS、RBN-DGPS和CORS。其中WAAS主要用于航空導(dǎo)航的航路飛行、終端區(qū)飛行和非精密進(jìn)近；LAAS用于飛機(jī)Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ類精密進(jìn)近和著陸；RBN-DGPS用于近海船舶導(dǎo)航；CORS主要用于高精度測(cè)繪。

3.1 GPS廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)

WAAS系統(tǒng)是針對(duì)GPS在航路飛行、終端區(qū)飛行和非精密進(jìn)近階段的航空導(dǎo)航應(yīng)用而設(shè)計(jì)的增強(qiáng)系統(tǒng)。通過WAAS的增強(qiáng)，使GPS的精度和完好性滿足航空導(dǎo)航這三個(gè)階段的性能要求。

目前，北美、歐洲和日本分別建設(shè)了本地區(qū)的WAAS系統(tǒng)，由于建設(shè)國(guó)家和地區(qū)不同，產(chǎn)生了不同的名稱，北美地區(qū)的WAAS稱為WAAS，歐洲的WAAS稱為EGNOS，日本的WAAS稱為MSAS。由于這些增強(qiáng)系統(tǒng)均通過GEO衛(wèi)星向用戶廣播GPS增強(qiáng)信息，因此也統(tǒng)稱為星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS。

北美地區(qū)的WAAS由25個(gè)地面監(jiān)視站、2個(gè)地面主控站、3顆GEO衛(wèi)星和連接地面站的光纖通信網(wǎng)絡(luò)組成。WAAS監(jiān)視站全天候監(jiān)視GPS星座、GPS信號(hào)，以及GPS信號(hào)傳輸環(huán)境(如電離層和對(duì)流層)的變化，WAAS主控站接收處理各監(jiān)視站的信息，實(shí)時(shí)生成GPS位置增強(qiáng)數(shù)據(jù)和完好性增強(qiáng)數(shù)據(jù)，通過太平洋上空、大西洋上空和美國(guó)內(nèi)陸中部的3顆GEO衛(wèi)星，向北美地區(qū)的所有用戶廣播GPS廣域增強(qiáng)數(shù)據(jù)。只要安裝了WAAS接收機(jī)的用戶即可接收使用，免費(fèi)且沒有用戶數(shù)量限制，因此得到用戶和設(shè)備生產(chǎn)廠家的廣泛接受。WAAS設(shè)計(jì)的另一成功之處是采用GPS L1頻率[2]和BPSK調(diào)制方式向用戶廣播WAAS增強(qiáng)數(shù)據(jù)，這樣，WAAS信號(hào)和GPS信號(hào)可供用同接收天線和射頻信號(hào)處理電路，數(shù)字基帶處理電路也大同小異。這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使WAAS增強(qiáng)型接收機(jī)的成本、功耗、體積與普通GPS接收機(jī)基本一致，擴(kuò)大了WAAS的服務(wù)領(lǐng)域。

日本的MSAS和歐洲的EGNOS與北美的WAAS工作原理相同，區(qū)別在于不同地區(qū)的增強(qiáng)系統(tǒng)需要使用該地區(qū)的地面監(jiān)視站和主控站，產(chǎn)生適于該地區(qū)的增強(qiáng)信息，并通過該地區(qū)上空的GEO衛(wèi)星向用戶廣播增強(qiáng)信息。

通過WAAS的增強(qiáng)，北美地區(qū)的GPS精度已由10m(95%)提高到水平3m(95%)垂直3.5m(95%)，完好性滿足航空導(dǎo)航規(guī)定的要求。WAAS已于2003年啟用。

3.2 GPS局域增強(qiáng)系統(tǒng)(LAAS)

飛機(jī)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類精密進(jìn)近、著陸和地面滑行階段，對(duì)導(dǎo)航精度和完好性提出了更高的要求(完好性異常信息漏報(bào)概率不大于5×10-9/15s[3])，GPS基本系統(tǒng)無法滿足該要求，因此設(shè)計(jì)了LAAS，目的是使增強(qiáng)后的GPS滿足飛機(jī)精密進(jìn)近要求，使GPS成為以上三個(gè)階段航空導(dǎo)航的主導(dǎo)航手段。

LAAS系統(tǒng)由增強(qiáng)基站、偽衛(wèi)星、甚高頻數(shù)傳電臺(tái)組成?；緝?nèi)安裝了3臺(tái)GPS接收機(jī)，分別接收處理來自3個(gè)高性能天線收到的GPS信號(hào)，該天線具有穩(wěn)定的相位中心，且具有多路徑抑制能力。通過一系列算法，計(jì)算誤差，識(shí)別完好性異常，生成差分?jǐn)?shù)據(jù)和完好性監(jiān)視數(shù)據(jù)，并通過頻率為108～118MHz的甚高頻數(shù)傳電臺(tái)(VHF)，以31.5kbit/s的信息速率[3]，向機(jī)場(chǎng)周圍約45km半球范圍內(nèi)的飛機(jī)提供GPS增強(qiáng)信息。機(jī)載LAAS接收機(jī)同時(shí)接收三種信號(hào)，即GPS基本系統(tǒng)信號(hào)、LAAS增強(qiáng)數(shù)據(jù)和安裝在機(jī)場(chǎng)的偽衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)0.5m(95%)定位精度[4]，并使完好性滿足以上三個(gè)階段的要求。到目前為止，LAAS的完好性指標(biāo)尚不能完全滿足民用航空的最高完好性指標(biāo)，即Ⅲ類精密進(jìn)近的完好性要求。但經(jīng)過改造的LAAS可滿足飛機(jī)著艦要求，并由此產(chǎn)生了JPALS。

3.3 差分GPS無線電信標(biāo)網(wǎng)(RBN-DGPS)

RBN-DGPS是在GPS基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用差分技術(shù)，借助海上無線電指向標(biāo)播發(fā)差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息，給海上用戶提供高精度、高可靠的定位和授時(shí)服務(wù)的助航系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于船舶進(jìn)出港及狹窄水道導(dǎo)航定位、交通安全管理、航標(biāo)定位、航道測(cè)量、航道疏浚、漁業(yè)捕撈、海上石油勘探等領(lǐng)域。該系統(tǒng)于2003年底覆蓋全球海岸線，并因此使GPS正式成為國(guó)際海事組織認(rèn)可的船舶導(dǎo)航主導(dǎo)航手段。

RBN-DGPS基站內(nèi)配備兩臺(tái)GPS接收機(jī)，分別用于獲取差分信息和完好性信息；兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，一臺(tái)用于生成GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)，一臺(tái)用于生成GPS完好性數(shù)據(jù)；一臺(tái)無線電信標(biāo)發(fā)射機(jī)，以及GNSS接收天線和無線電信標(biāo)發(fā)射天線組成。為保證系統(tǒng)的可靠性，基站內(nèi)主要設(shè)備如GPS接收機(jī)、無線電信標(biāo)發(fā)射機(jī)采用雙機(jī)熱備份工作。RBN-DGPS基站安裝在全球沿海海岸，大致每隔100～300km設(shè)置一個(gè)基站，基站位置盡可能靠近港口和河流入海口。

RBN-DGPS基站內(nèi)生成的GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)(GPS L1偽距差分?jǐn)?shù)據(jù))和GPS完好性數(shù)據(jù)被調(diào)制到283.5～325.0kHz的導(dǎo)航信標(biāo)頻率上，信息速率為2400bit/s，調(diào)制方式為最小頻移鍵控MSK(Minimum Shift Keying)。該信號(hào)通過安裝在約30m高的兩個(gè)鐵塔間的全向T型天線發(fā)射出去，在無遮擋的海面上，半徑300km以內(nèi)的用戶可接收到該信號(hào)，陸地上由于受地面雜波的影響，平原地區(qū)RBN-DGPS信號(hào)作用半徑約在150～200km。

RBN-DGPS的技術(shù)特點(diǎn)是：用戶與基站距離越近定位精度越高。在用戶距基站50km左右時(shí)，RBN-DGPS接收機(jī)的定位精度約為3m(95%)；船舶靠岸時(shí)，隨著用戶接收機(jī)與基站距離的縮短，其定位精度可達(dá)0.5m(95%)，完全滿足船舶進(jìn)港和靠岸要求。

由于RBN-DGPS技術(shù)已相對(duì)成熟，專用的RBN信號(hào)接收機(jī)的成本和體積也在不斷下降，因此，近年來美國(guó)將RBN-DGPS技術(shù)擴(kuò)展到了內(nèi)陸，并采用低成本單塔架傘形發(fā)射天線，為內(nèi)陸交通運(yùn)輸、通用航空等用戶提供GPS差分和完好性增強(qiáng)服務(wù)，并將系統(tǒng)名稱改為高精度國(guó)家差分GPS，即HA-NDGPS(High Accuracy National Differential GPS)，據(jù)稱，HA-NDGPS用戶接收機(jī)的定位精度已達(dá)到0.15m。

3.4 連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)

在大地測(cè)量、道路設(shè)計(jì)和施工、GIS數(shù)據(jù)采集、房屋和橋梁形變監(jiān)測(cè)、地殼形變監(jiān)測(cè)、氣象探空、農(nóng)機(jī)作業(yè)等領(lǐng)域，對(duì)GPS的定位精度提出了動(dòng)態(tài)厘米級(jí)、靜態(tài)毫米級(jí)要求，GPS基本系統(tǒng)是無法滿足這些要求的，因此需要建設(shè)增強(qiáng)系統(tǒng)提高其精度，CORS技術(shù)和系統(tǒng)就是為滿足這些應(yīng)用需求發(fā)展起來的。

CORS系統(tǒng)由若干個(gè)GPS差分基站、一個(gè)中心站和通信鏈路組成。每個(gè)差分基站至少有一臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，將這些基站接收到的衛(wèi)星原始偽距測(cè)量數(shù)據(jù)、載波相位測(cè)量數(shù)據(jù)送到中心站，中心站根據(jù)用戶當(dāng)前所在的粗略位置，計(jì)算出該用戶所處位置的差分矯正數(shù)據(jù)，包括偽距差分?jǐn)?shù)據(jù)和載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)，將該差分矯正數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶接收機(jī)，即可采用載波相位定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)8～10mm，動(dòng)態(tài)3～5cm的高精度定位。

根據(jù)以上工作原理，在CORS覆蓋區(qū)域內(nèi)，無論用戶在哪里，中心站都可根據(jù)用戶當(dāng)前所在的粗略位置，為該用戶計(jì)算出所需的差分?jǐn)?shù)據(jù)，好象在用戶的附近建立了一個(gè)臨時(shí)虛擬基站，從而保證用戶可以連續(xù)地進(jìn)行高精度定位，避免了用戶不斷切換基站的問題。

CORS的工作原理決定了每個(gè)用戶需要保持與中心站雙向數(shù)據(jù)通信，每個(gè)基站需要保持與中心站單向數(shù)據(jù)通信，同時(shí)要求每個(gè)基站能夠同時(shí)提供偽距測(cè)量值和載波相位測(cè)量值。

4 BDS增強(qiáng)系統(tǒng)和技術(shù)

2014年3月，針對(duì)北斗系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用問題，中國(guó)開始建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由全國(guó)框架基站、地區(qū)加密基站、數(shù)據(jù)中心站和通信網(wǎng)絡(luò)組成。

在全國(guó)建設(shè)150個(gè)框架基站，構(gòu)成地基增強(qiáng)系統(tǒng)的框架網(wǎng)，框架網(wǎng)覆蓋全國(guó)，在框架網(wǎng)的輔助下，使北斗系統(tǒng)在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)米級(jí)定位。

在各地區(qū)增加區(qū)域基站，形成區(qū)域加密網(wǎng)，在框架網(wǎng)和區(qū)域加密網(wǎng)的輔助下，使北斗系統(tǒng)在該地區(qū)達(dá)到靜態(tài)毫米級(jí)、動(dòng)態(tài)厘米級(jí)定位。

5 結(jié)論

當(dāng)GNSS被用于與經(jīng)濟(jì)、財(cái)產(chǎn)、生命相關(guān)的領(lǐng)域時(shí)，不但需要增強(qiáng)其精度，還需要增強(qiáng)其完好性，在這些領(lǐng)域，沒有完好性保障的GNSS無法成為主導(dǎo)航手段，只能處于輔助地位。為了在這類領(lǐng)域充分發(fā)揮GNSS的作用，需要建設(shè)相應(yīng)的增強(qiáng)系統(tǒng)。

解決GNSS完好性問題，涉及多個(gè)信號(hào)處理環(huán)節(jié)、大范圍基站覆蓋、長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累和統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，試驗(yàn)驗(yàn)證GNSS完好性監(jiān)視模型和算法的正確性和有效性，也要經(jīng)歷復(fù)雜的過程，因此，增強(qiáng)GNSS的完好性將是一件長(zhǎng)期的工作。

[1] GPS civil monitoring performance specification.US Global Positioning Systems Wing (GPSW)，April 30，2009.

[2] Global Positionng System Wide Area Augmentation System(WAAS)Performance Standard，1st Edition 31 October 2008. Technical Operations，Navigation Services，F(xiàn)ederal Aviation Administration，800 Independence Ave，S.W，Washington， DC 20591.

[3] Clarce E Cohen，Boris S Pervan，H Stewart Cobb，David G Lawrence，J David Powell，Bradford W Parkinson.Precision landing of aircraft using integrity beacons.Global Positioning System： Theory and Applications，AIAA Volume 164.

[4] International Civil Aviation Organization(ICAO)Annex 10，Volume I(Radio Navigation Aids)，Aeronautical Telecommunications，F(xiàn)ifth Edition，July 1996，Amendment 77，November 2002.The GNSS standards and recommended practices(SARPs)are contained in Section 3.7.

[5] Rtcm Recommended Standards For Differential Gnss Service，Version 2.3，August 20，2001，RTCM Special Committee No. 104.

GNSS Augmentation System and Technology

ZHANG Jun-lin

(Beijing OLinkStar Co.Ltd.，Beijing 100085，China)

Accuracy，continuity，availability and integrity are major technical specifications used to evaluate the ability of GNSS system services and the performance of user equipments.Accuracy describes the precision of position and time.Integrity is the measure of trust that can be placed on the correctness of the navigation system output.Basic GNSS systems such as GPS，GLONASS and BDS are not adequate to meet the accuracy and integrity requirements for some special applications such as the fields related to economy，property，life( for example aircraft navigation，marine navigation，law enforcement in transportation，ETC，meteorological sounding，power timing， etc.).Therefore，on the base of GNSS，augmentation systems were designed for enhancement of the accuracy and integrity.Typical augmentation systems to support GPS have been built by Europe and America for aviation and sailing.China is also designing its Ground-Based Augmentation System for BDS.Based on the analysis of GNSS accuracy and integrity，the factors which affect the accuracy and integrity was identified.And GNSS augmentation systems and technologies were introduced.

Positioning accuracy；Differential technology；Integrity augmentation

2015 - 08 - 18；

2015 - 08 - 26。

張峻林(1956 - )，男，高工，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航完好性和芯片算法研究和應(yīng)用。

E-mail：gpszh@olinkstar.com

TN967.1

A

2015-8110(2015)05-0022-08