郭樹人,劉成,高為廣,盧鋆

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094)

0 引 言

從1994年世界上第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GPS建成并提供服務(wù)開始，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)走入人們的生活已超過25年.在非遮擋條件下，四大GNSS系統(tǒng)(美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo及中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS))基本服務(wù)均能提供10 m左右的定位精度，滿足大多數(shù)大眾用戶的精度要求.然而，對于測繪作業(yè)、國土勘測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等高精度領(lǐng)域而言，這一性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.同時(shí)，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用場景的不斷拓展和深化，普通大眾對導(dǎo)航定位性能的要求也在不斷提高，高性能正逐漸從專業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到大眾應(yīng)用.因此，為提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能、滿足各類用戶需求，輔助GPS(A-GPS)、星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)、實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位差分技術(shù)(RTK)等衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生.

然而,由于衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)與系統(tǒng)晚于基本系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)展,因此不可避免地存在著“碎片”和“補(bǔ)丁”式建設(shè)問題.根據(jù)不同研究和應(yīng)用背景而產(chǎn)生的增強(qiáng)技術(shù)與系統(tǒng)種類繁多,相互之間功能性重疊,且缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn),未成體系化設(shè)計(jì).近年來,隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的不斷深化和拓展,各類增強(qiáng)系統(tǒng)得到廣泛建設(shè),這一問題也顯得日益突出.各增強(qiáng)技術(shù)和系統(tǒng)之間的分散式建設(shè)和非體系化發(fā)展,不僅不利于導(dǎo)航資源之間的統(tǒng)籌共享和協(xié)同工作,還在概念與專業(yè)術(shù)語上產(chǎn)生了一定的混淆,給用戶的認(rèn)知和使用帶來了困難,不利于導(dǎo)航應(yīng)用完整“生態(tài)圈”的形成.后發(fā)建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐漸認(rèn)識到了這一問題,并開始嘗試體系化建設(shè).例如,歐洲Galileo通過定義和設(shè)計(jì)服務(wù)類型,來規(guī)劃和引導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)[1];日本QZSS則在基本系統(tǒng)基礎(chǔ)上,一體化建設(shè)和提供SBAS及廣域精密定位(PPP)服務(wù)[2].

我國BDS采用三步走策略,并具有后發(fā)建設(shè)優(yōu)勢.在設(shè)計(jì)建設(shè)之初即采用了體系化思路,明確增強(qiáng)服務(wù)與基本系統(tǒng)一體化同步,而包括GEO衛(wèi)星在內(nèi)的混合星座也具有提供增強(qiáng)服務(wù)的優(yōu)勢條件.當(dāng)前,隨著北斗二號區(qū)域系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定服務(wù)以及北斗三號全球系統(tǒng)的加速建設(shè),北斗增強(qiáng)體系已初步形成,并成為北斗系統(tǒng)特色與優(yōu)勢之一[3-5].

本文重點(diǎn)針對信息增強(qiáng)技術(shù)手段,對衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系的產(chǎn)生、建設(shè)和發(fā)展進(jìn)行了回顧和總結(jié),明確了相關(guān)技術(shù)內(nèi)涵與定義,并重點(diǎn)對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系建設(shè)發(fā)展情況進(jìn)行了闡述. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系以滿足不同用戶對服務(wù)性能的提升要求為核心目標(biāo),通過星基、地基等多種手段在廣域、區(qū)域范圍內(nèi)為用戶提供多重增強(qiáng)服務(wù).進(jìn)一步地,文章分析和展望了低軌星座、5G等新興技術(shù)對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)作用.未來,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系將充分利用這一發(fā)展機(jī)遇,進(jìn)一步融合新興增強(qiáng)技術(shù)手段,提升服務(wù)性能與能力,在BDS綜合定位、導(dǎo)航與授時(shí)(PNT)服務(wù)中發(fā)揮日益重要的作用.

1 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)與系統(tǒng)

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)的產(chǎn)生和演化

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)最早為應(yīng)對美國GPS系統(tǒng)選擇可用性(SA)政策而產(chǎn)生[6].20世紀(jì)90年代初,為消除SA政策影響、恢復(fù)GPS原有精度,學(xué)者們提出了一種測站間差分處理的技術(shù)——差分GPS(DGPS),通過消除測站間公共測量誤差,將GPS C/A碼水平定位精度提升至約15 m.

然而,DGPS依賴基準(zhǔn)站與用戶站之間的幾何相似性,定位精度隨著站間距離的增加而下降.因此,學(xué)者們提出在廣域范圍內(nèi)布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站進(jìn)行連續(xù)觀測,并將衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延遲等各項(xiàng)誤差模型化處理后發(fā)送至用戶,由此消除基準(zhǔn)站與用戶之間的距離限制.根據(jù)這一原理,美國聯(lián)邦航空局(FAA)主持設(shè)計(jì)和建設(shè)了世界上第一個(gè)WADGPS系統(tǒng)——廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS),WAAS也成為世界上第一個(gè)SBAS系統(tǒng).

DGPS技術(shù)及WADGPS系統(tǒng)以偽距為主要觀測量,只能實(shí)現(xiàn)米級至分米級增強(qiáng)定位精度,難以滿足測繪等高精度領(lǐng)域厘米甚至毫米級定位精度的要求.因此,基于載波相位的相對定位技術(shù)及快速模糊度固定技術(shù)得到廣泛研究和迅速發(fā)展,代表性成果即RTK.RTK突破了以往載波相位靜態(tài)定位需要長時(shí)間后處理的限制,能夠在野外實(shí)時(shí)獲得厘米級定位精度,是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用中的重大里程碑.基于RTK原理,世界多國建設(shè)了連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS),為特定行業(yè)或地區(qū)提供標(biāo)準(zhǔn)化高精度服務(wù),在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用.而同樣,利用類似WADGPS系統(tǒng)誤差分離和模型化處理的原理,PPP被提出和建設(shè).

進(jìn)入21世紀(jì),隨著GPSSA政策的取消,WAAS等SBAS系統(tǒng)定位精度提升至2～3 m,已能夠滿足航空領(lǐng)域精度要求,民用航空等領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的首要訴求開始從精度轉(zhuǎn)向安全.因此,完好性概念應(yīng)運(yùn)而生.通過完好性增強(qiáng),能夠在衛(wèi)星和系統(tǒng)異常或故障時(shí)及時(shí)檢測并向用戶告警,保障航空等生命安全領(lǐng)域用戶的安全.出于這樣的應(yīng)用背景以及航空接收機(jī)在高動態(tài)特性情況下的可靠性考慮,WAAS等SBAS系統(tǒng)一直以偽距為主用定位模式.此外,由于SBAS完好性難以達(dá)到國際民航組織(ICAO)II類及III類精密進(jìn)近(CAT-II、CAT-III)性能等級,FAA又開展了針對機(jī)場局域范圍提供完好性服務(wù)的局域完好性增強(qiáng)系統(tǒng)(LAAS)建設(shè).LAAS基于DGPS基本原理,更加注重完好性功能設(shè)計(jì),能夠在機(jī)場局域范圍實(shí)現(xiàn)II類甚至III類精密進(jìn)近性能.

至此,以測繪為代表的高精度需求和以民航為代表的高完好性需求,成為衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的兩大主要方向,如圖1所示.其中，精度增強(qiáng)主要是在基本服務(wù)基礎(chǔ)上，滿足分米、厘米甚至毫米級高精度用戶需求；完好性增強(qiáng)則主要在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常時(shí)及時(shí)向用戶告警.

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航精度與完好性需求

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)分類

1.2.1 增強(qiáng)技術(shù)分類

差分修正是衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)最基本的原理.通過對用戶偽距、載波相位等測量值誤差，衛(wèi)星軌道、鐘差等系統(tǒng)誤差以及電離層、對流層等大氣延遲誤差進(jìn)行修正，可有效提高定位精度和性能.

差分技術(shù)有多種分類方式，可分別從差分改正對象、服務(wù)適用范圍、信號播發(fā)手段等方面進(jìn)行劃分.

1)按差分改正對象劃分

可分為用戶域增強(qiáng)技術(shù)與系統(tǒng)域增強(qiáng)技術(shù).其中，前者直接對用戶偽距、載波相位觀測值進(jìn)行改正，后者則對衛(wèi)星軌道、鐘差及電離層延遲等系統(tǒng)級誤差進(jìn)行分離和建模.

2)按服務(wù)適用范圍劃分

可分為局域增強(qiáng)技術(shù)與廣域增強(qiáng)技術(shù).其中，前者的基準(zhǔn)站布站間隔較為密集，一般約數(shù)十千米，后者布站間隔則可達(dá)數(shù)百至上千千米.

3)按信號播發(fā)手段劃分

可分為星基增強(qiáng)技術(shù)與地基增強(qiáng)技術(shù).其中,前者一般通過通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等星基平臺播發(fā),后者一般采用地面移動基站、互聯(lián)網(wǎng)等手段播發(fā).

1.2.2 技術(shù)特點(diǎn)對比

各種技術(shù)手段之間的組合形成了不同的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng),它們之間既有區(qū)別,又存在著聯(lián)系,如圖2所示.

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)分類

通過不同的技術(shù)手段，可以實(shí)現(xiàn)不同范圍和性能的精度或完好性增強(qiáng)，如表1所示.一般而言，廣域差分對應(yīng)系統(tǒng)級改正，所需地面監(jiān)測站較少，通常采用星基播發(fā)手段；局域差分對應(yīng)用戶級改正，所需地面監(jiān)測站較密，通常采用地基播發(fā)手段.廣域精密定位系統(tǒng)覆蓋范圍廣，但需要較長的載波初始化收斂時(shí)間；局域精密定位系統(tǒng)收斂速度很快，但覆蓋范圍受站點(diǎn)布設(shè)的限制.雖然精度增強(qiáng)與完好性增強(qiáng)主要功能及面向?qū)ο蟛煌珒烧咴隗w系架構(gòu)、技術(shù)手段、接收終端等方面均具有相似性，因此可以統(tǒng)籌設(shè)計(jì)和建設(shè).

表1 不同增強(qiáng)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)對比

2 國際衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系建設(shè)現(xiàn)狀

2.1 廣域完好性增強(qiáng)系統(tǒng)

廣域完好性增強(qiáng)系統(tǒng)又稱SBAS,利用廣域分布的地面監(jiān)測站連續(xù)觀測GNSS衛(wèi)星,通過通信鏈路將觀測數(shù)據(jù)傳送至主控站;主控站計(jì)算生成包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差及電離層誤差等在內(nèi)的差分改正數(shù)及系統(tǒng)完好性信息后,上注至GEO衛(wèi)星廣播播發(fā).SBAS主要目的是監(jiān)測GNSS衛(wèi)星及系統(tǒng)狀態(tài),并在其發(fā)生故障和風(fēng)險(xiǎn)時(shí)及時(shí)向用戶告警,以提高用戶使用的安全性.同時(shí),兼具米級(1～2 m)精度增強(qiáng)功能.

世界上第一個(gè)SBAS系統(tǒng)是由FAA為應(yīng)對GPSSA政策而提出和建設(shè)的WAAS,WAAS系統(tǒng)監(jiān)測站點(diǎn)分布如圖3所示.除美國WAAS外,目前全球已建或在建的SBAS系統(tǒng)還包括:歐洲地球靜止衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)(EGNOS)、日本多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)(MSAS),印度GPS 輔助型對地靜止軌道擴(kuò)增導(dǎo)航系統(tǒng)(GAGAN)、俄羅斯差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)(SDCM)、韓國衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)(KASS)系統(tǒng)以及我國北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)(BDSBAS),其服務(wù)覆蓋范圍如圖4所示.

圖3 WAAS系統(tǒng)監(jiān)測站點(diǎn)分布

各SBSA系統(tǒng)一般由作為核心用戶的本國民航部門負(fù)責(zé)或聯(lián)合開展設(shè)計(jì)和建設(shè),屬于政府主導(dǎo)行為.需要按照國際民航組織(ICAO)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求開展建設(shè),并經(jīng)本國民航主管部門測試認(rèn)證后才能正式提供民用航空服務(wù).目前,各SBAS服務(wù)供應(yīng)商正在ICAO導(dǎo)航系統(tǒng)專家組(NSP)及國際SBAS互操作工作組(SBAS IWG)框架下聯(lián)合開展下一代雙頻多星座(DFMC)SBAS的標(biāo)準(zhǔn)研究與制訂工作,以進(jìn)一步提高SBAS服務(wù)性能.

圖4 全球SBAS系統(tǒng)服務(wù)范圍示意圖

2.2 廣域精密定位系統(tǒng)

PPP起初主要由企業(yè)自行主導(dǎo)建設(shè),提供付費(fèi)商業(yè)服務(wù).代表性系統(tǒng)有:美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的用于衛(wèi)星定軌、科學(xué)研究和高端商業(yè)服務(wù)的全球差分GPS(GDGPS)系統(tǒng),Navcom公司的StarFire系統(tǒng),Trimble公司OmniSTAR系統(tǒng)和RTX系統(tǒng),Fugro公司StarFix/SeaStar系統(tǒng),Oceaneering International公司C-Nav系統(tǒng),Hexagon公司VeriPos系統(tǒng)和TerraStar系統(tǒng)等.

各商業(yè)PPP系統(tǒng)一般使用國際海事通信衛(wèi)星(Inmarsat)進(jìn)行服務(wù)區(qū)域內(nèi)的廣域改正產(chǎn)品播發(fā),并一般采用自定義數(shù)據(jù)格式.各系統(tǒng)主要服務(wù)模式與性能指標(biāo)如表2所示.

表2 主要商業(yè)PPP系統(tǒng)服務(wù)模式與性能

近年來,隨著行業(yè)和大眾高精度應(yīng)用需求的日益增加,歐洲Galileo、日本QZSS開始在基本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和提供內(nèi)嵌式PPP服務(wù).其中,Galileo基于E6B信號(1278.75 MHz)提供免費(fèi)PPP服務(wù),播發(fā)速率500 bps,對GPS和Galileo兩系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)厘米級定位.QZSS精密定位分為亞米級增強(qiáng)服務(wù)(SLAS)和厘米級增強(qiáng)服務(wù)(CLAS)兩類,均為免費(fèi)服務(wù),分別由L1S和L6信號提供;其中,CLAS服務(wù)播發(fā)速率達(dá)到2000 bps,采用自定義壓縮設(shè)計(jì)的RTCM SSR格式,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對四大GNSS及QZSS共五系統(tǒng)的增強(qiáng).

2.3 局域完好性增強(qiáng)系統(tǒng)

LAAS主要面向航空機(jī)場提供高完好性增強(qiáng)服務(wù),最早由FAA提出.目前,FAA及ICAO已停止使用“LAAS”這一術(shù)語,用“地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)”(如圖5所示)代替.2009年9月,霍尼韋爾公司(Honeywell)按照FAA設(shè)計(jì)要求完成了全球第一個(gè)GBAS系統(tǒng)的建設(shè),性能達(dá)到CAT-I類等級;美國紐瓦克自由國際機(jī)場的GBAS系統(tǒng)則于2012年9月28日成為首個(gè)獲批運(yùn)營的GBAS系統(tǒng)[7-8].

圖5 GBAS(LASS)組成示意圖

相比SBAS,單個(gè)GBAS建設(shè)成本低,且現(xiàn)有完好性服務(wù)性能即已達(dá)到CAI-I類等級(目前還沒有SBAS系統(tǒng)能夠達(dá)到這一性能等級),其最終目標(biāo)是要提供CAT-II類甚至III類精密進(jìn)近導(dǎo)航能力.然而,GBAS系統(tǒng)只能在機(jī)場局域范圍內(nèi)提供服務(wù),無法提供航路導(dǎo)航;同時(shí),若考慮對大量機(jī)場的進(jìn)近導(dǎo)航服務(wù)覆蓋,則GBAS系統(tǒng)的成本優(yōu)勢會降低.因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求對SBAS和GBAS統(tǒng)籌部署與建設(shè).

2.4 局域精密定位系統(tǒng)

局域精密定位系統(tǒng)利用建立在區(qū)域范圍內(nèi)的若干GNSS基準(zhǔn)站(相距一般不超過數(shù)十千米)構(gòu)成的參考站網(wǎng)絡(luò),基于載波快速解算技術(shù)與數(shù)據(jù)通信鏈路為覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶提供高精度定位服務(wù),精度一般可達(dá)厘米級,事后處理可達(dá)毫米級.可分為單基準(zhǔn)站和多基準(zhǔn)站模式,其中基于多基準(zhǔn)站模式的局域精密定位系統(tǒng)又被稱為連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS).CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)處理中心,統(tǒng)一解算得到區(qū)域內(nèi)的各種誤差改正,如軌道/鐘差誤差、電離層和對流層誤差等,并對該區(qū)域的誤差進(jìn)行建模.隨后,系統(tǒng)通過播發(fā)鏈路將基準(zhǔn)站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)及誤差模型發(fā)送至流動站用戶,用戶利用上述信息結(jié)合自身位置進(jìn)行高精度載波定位.

目前,國外CORS系統(tǒng)主要包括美國連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)系統(tǒng)(CORS)、加拿大主動控制網(wǎng)系統(tǒng)(CACS)、澳大利亞悉尼網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)(SydNet)、德國衛(wèi)星定位與導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)(SAPOS)、日本GPS連續(xù)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)(COSMOS)以及歐洲位置確定系統(tǒng)(EUPOS)等.

3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系建設(shè)

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系內(nèi)涵

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系是為提升北斗系統(tǒng)定位精度、完好性、連續(xù)性與可用性等服務(wù)性能,所建立的增強(qiáng)技術(shù)、增強(qiáng)系統(tǒng)與增強(qiáng)服務(wù)的綜合.基于融合發(fā)展理念,北斗在設(shè)計(jì)建設(shè)之初從資源統(tǒng)籌、系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)規(guī)劃角度對增強(qiáng)技術(shù)、系統(tǒng)與服務(wù)開展了頂層設(shè)計(jì),明確了增強(qiáng)體系與基本系統(tǒng)一體化并行建設(shè)的思路,這也成為BDS的特色與優(yōu)勢之一.

當(dāng)前,隨著北斗二號區(qū)域系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定服務(wù)以及北斗三號全球系統(tǒng)的加速建設(shè),北斗增強(qiáng)體系已初步形成.北斗增強(qiáng)體系以北斗基本導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ),以滿足不同用戶對服務(wù)性能的提升為目標(biāo),能夠通過星基、地基等多種手段為用戶提供不同區(qū)域范圍內(nèi)的多重增強(qiáng)服務(wù),在北斗綜合PNT服務(wù)中發(fā))揮著日益重要的作用.未來,隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步蓬勃發(fā)展、行業(yè)和大眾用戶對導(dǎo)航服務(wù)性能要求的不斷深化提高,持續(xù)建設(shè)和完善北斗增強(qiáng)體系將越發(fā)具有重要意義.

3.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航體系演變

在北斗系統(tǒng)建設(shè)之初,北斗增強(qiáng)服務(wù)即被明確作為北斗系統(tǒng)服務(wù)的組成部分,與北斗基本系統(tǒng)一體化融合發(fā)展.從北斗一號試驗(yàn)系統(tǒng)到北斗三號全球系統(tǒng),北斗增強(qiáng)體系遵循漸進(jìn)式增量發(fā)展思路,與基本系統(tǒng)一起建設(shè)和共同完善,如圖6所示.

圖6 北斗增強(qiáng)體系漸進(jìn)式發(fā)展思路

具體而言,北斗系統(tǒng)針對用戶精度和完好性服務(wù)提升的需求,對北斗增強(qiáng)體系進(jìn)行了貫穿北斗一號試驗(yàn)系統(tǒng)至北斗三號全球系統(tǒng)全生命周期的完整規(guī)劃和設(shè)計(jì),并針對不同系統(tǒng)屬性考慮了合適的建設(shè)及運(yùn)維模式,如表3所示.

表3 北斗增強(qiáng)體系任務(wù)規(guī)劃

3.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系組成

目前,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系主要由北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)、北斗廣域 PPP服務(wù)、北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)(BDSBAS)、北斗局域完好性增強(qiáng)系統(tǒng)及其他商用增強(qiáng)系統(tǒng)共同組成.

3.3.1 北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)

北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)(BDSBAS)是北斗全球系統(tǒng)重要組成部分和六大規(guī)劃服務(wù)之一,與北斗全球系統(tǒng)一體化相對獨(dú)立建設(shè),與北斗全球系統(tǒng)、北斗PPP服務(wù)共用GEO衛(wèi)星及地面站資源,按照國際民航組織(ICAO)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展設(shè)計(jì)與建設(shè),滿足國際SBAS兼容互操作要求,為中國及周邊地區(qū)民航、海事、鐵路等領(lǐng)域用戶提供高完好性增強(qiáng)服務(wù),兼具米級精度增強(qiáng)功能[9].

1)系統(tǒng)組成

主要由空間段、地面段和用戶段三大部分構(gòu)成,如圖7所示.

圖7 BDSBAS系統(tǒng)組成

BDSBAS空間段包括3顆播發(fā)SBAS增強(qiáng)信號的北斗全球系統(tǒng)GEO衛(wèi)星,軌道及頻率信息如表4所示.其中,第一顆GEO衛(wèi)星已于2018年11月1日成功發(fā)射,后續(xù)兩顆GEO衛(wèi)星將于2019年至2020年發(fā)射.BDSBAS B1C頻點(diǎn)增強(qiáng)信號采用ICAO所確定的SBAS L1標(biāo)準(zhǔn)信號體制,BDSBAS B2a頻點(diǎn)增強(qiáng)信號采用目前正在設(shè)計(jì)的DFMC SBAS L5標(biāo)準(zhǔn)信號體制.BDSBAS GEO衛(wèi)星采用更高性能的銣原子鐘(穩(wěn)定度E-14量級)和氫原子鐘(穩(wěn)定度E-15量級),空間信號精度優(yōu)于0.5 m.

表4 BDSBAS GEO衛(wèi)星軌道與頻率信息

BDSBAS地面段由主控站、數(shù)據(jù)處理中心、注入站及監(jiān)測站組成,用戶段包括面向民航、海事及鐵路等行業(yè)應(yīng)用的星基增強(qiáng)用戶設(shè)備.

2)服務(wù)性能

在服務(wù)區(qū)域方面,BDSBAS將根據(jù)地面監(jiān)測站布設(shè)范圍、ICAO信號雙重覆蓋及最低落地電平等要求,服務(wù)覆蓋中國及其周邊地區(qū),如圖8所示.

圖8 BDSBAS目標(biāo)服務(wù)區(qū)域

在服務(wù)模式方面,BDSBAS將支持單頻(SF)及雙頻多星座(DFMC)兩種增強(qiáng)模式.其中,SF服務(wù)模式基于BDSBAS B1C頻點(diǎn)提供,DFMC服務(wù)基于BDSBAS B2a頻點(diǎn)提供.DFMC SBAS服務(wù)將利用雙頻測距值消除電離層延遲誤差,相比SF SBAS服務(wù)可有效提高系統(tǒng)可用性、連續(xù)性與精度,并實(shí)現(xiàn)全球范圍的垂直引導(dǎo).

在性能等級方面,BDSBAS將先期實(shí)現(xiàn)APV-I(I類垂直引導(dǎo)進(jìn)近),后續(xù)逐步滿足CAT-I服務(wù)等級要求.

3)主要進(jìn)展與規(guī)劃

BDSBAS主要進(jìn)展情況如表5所示.

表5 BDSBAS主要進(jìn)展與規(guī)劃

2019年-2020年,BDSBAS其余兩顆GEO衛(wèi)星將陸續(xù)完成發(fā)射,地面段建設(shè)也將逐步完善.預(yù)計(jì)2020年底,BDSBAS將完成全部工程研制建設(shè)任務(wù),具備初始運(yùn)行服務(wù)能力,能夠?yàn)榧嫒莺娇諢o線電技術(shù)委員會(RTCA)標(biāo)準(zhǔn)的SBAS航空電子設(shè)備提供服務(wù).

3.3.2 北斗廣域PPP服務(wù)

根據(jù)規(guī)劃,北斗全球系統(tǒng)GEO衛(wèi)星B2b信號將作為數(shù)據(jù)通道,播發(fā)衛(wèi)星精密軌道和鐘差等改正參數(shù),具備為我國及周邊地區(qū)用戶提供 PPP服務(wù)的能力.由此,進(jìn)一步完善北斗增強(qiáng)體系建設(shè),滿足國土測繪、海洋開發(fā)、精準(zhǔn)導(dǎo)航等高精度應(yīng)用需求.實(shí)際上,為提高基本導(dǎo)航系統(tǒng)競爭力,內(nèi)嵌PPP功能現(xiàn)已成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的一大趨勢,歐洲Galileo與日本QZSS系統(tǒng)均在其基本導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)和提供高精度PPP服務(wù)[7-8].其中,Galileo不具備GEO衛(wèi)星,其PPP服務(wù)在MEO衛(wèi)星上播發(fā);QZSS則同時(shí)在其GEO及IGSO衛(wèi)星上播發(fā).

北斗廣域PPP服務(wù)采用自定義電文格式設(shè)計(jì),以雙頻載波為主要定位模式,能夠?yàn)槲覈爸苓呌脩籼峁﹦討B(tài)分米級、靜態(tài)厘米級免費(fèi)高精度定位服務(wù).北斗廣域PPP服務(wù)同樣與北斗全球系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì),與北斗全球系統(tǒng)統(tǒng)籌共用GEO衛(wèi)星和地面站資源.目前,系統(tǒng)第一顆GEO衛(wèi)星已于2018年11月1日發(fā)射成功并正在開展入網(wǎng)測試[10].

3.3.3 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)

2014年,我國啟動了“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”研制建設(shè)工作,由中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司聯(lián)合交通運(yùn)輸部、國家測繪地理信息局、中國氣象局、中國地震局、國土資源部、中國科學(xué)院、武漢大學(xué)等多家單位聯(lián)合承擔(dān).作為北斗重要組成部分與地面基礎(chǔ)設(shè)施,北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)主要由監(jiān)測站、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、國家數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)、行業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶終端等分系統(tǒng)組成(如圖9所示),按照“統(tǒng)一方案、共建共管、數(shù)據(jù)分享、分步實(shí)施、持續(xù)發(fā)展”原則,整合國內(nèi)相關(guān)資源,建設(shè)全國統(tǒng)一的北斗高精度地面基準(zhǔn)站網(wǎng),滿足行業(yè)和大眾對北斗高精度時(shí)空應(yīng)用的需求.

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)通過地面監(jiān)測站接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號并實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心,經(jīng)過差分處理后生成差分增強(qiáng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,具備移動通信、數(shù)字廣播、衛(wèi)星等多種播發(fā)手段,服務(wù)覆蓋我國陸地及領(lǐng)海,實(shí)現(xiàn)服務(wù)范圍內(nèi)廣域米級/分米級、區(qū)域厘米級和后處理毫米級的高精度定位.系統(tǒng)于2016年5月正式投入運(yùn)行,并于2017年6月完成第一階段研制建設(shè),包括150個(gè)框架網(wǎng)基準(zhǔn)站、1 200個(gè)加密網(wǎng)基準(zhǔn)站、1個(gè)國家綜合數(shù)據(jù)處理中心、6個(gè)行業(yè)數(shù)據(jù)處理中心等.2017年7月,發(fā)布服務(wù)性能規(guī)范(1.0版),支持測繪、交通、氣象、地震、國土等行業(yè)開展了多項(xiàng)高精度應(yīng)用.目前,正在開展第二階段研制建設(shè)工作,計(jì)劃2019年初開展全系統(tǒng)測試工作.

圖9 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)組成

商業(yè)運(yùn)營方面,中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司與阿里巴巴集團(tuán)于2015年8月聯(lián)合成立“千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司”,注冊資本20億元,成為全球最大的地基增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)營商,開創(chuàng)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用新的商業(yè)模式.通過互聯(lián)網(wǎng)融合,北斗地基增強(qiáng)體系基于阿里云計(jì)算和數(shù)據(jù)技術(shù),針對具體應(yīng)用場景推出了多種特色產(chǎn)品和服務(wù),并已在危房監(jiān)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、自動駕駛等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用.

3.3.4 北斗局域完好性增強(qiáng)系統(tǒng)

北斗局域完好性增強(qiáng)系統(tǒng)主要面向民用航空領(lǐng)域,為我國民航用戶提供II、III類(CAI-II、CAT-III)高完好性精密進(jìn)近服務(wù),主要由我國民航主管部門——中國民航局根據(jù)民航應(yīng)用需求組織開展設(shè)計(jì)、研制和建設(shè).

目前,中國民航局正在多個(gè)國內(nèi)機(jī)場同步開展局域完好性增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè).其中,部署在上海浦東國際機(jī)場及天津?yàn)I海國際機(jī)場的兩臺CAI-I類民航GBAS地面站已于2019年1月完成為期8個(gè)月的現(xiàn)場環(huán)境測試,目前正進(jìn)行民航認(rèn)證與審批.部署在山東東營勝利機(jī)場的第三臺CAI-I類GBAS地面站也已于2017年10月進(jìn)行第一次飛行試驗(yàn),可增強(qiáng)BDS B1I及GPS L1C/A信號.

3.3.5 國內(nèi)其他代表性商用系統(tǒng)

1)中國精度

“中國精度”系統(tǒng)構(gòu)成如圖10所示,由北京合眾思壯科技股份有限公司建設(shè)和運(yùn)營的全球星基精密定位系統(tǒng),于2015年6月15日正式發(fā)布. 面向國內(nèi)和國際市場提供實(shí)時(shí)高精度定位服務(wù),目前已在海洋測量、無人區(qū)測繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域取得應(yīng)用.其主要性能指標(biāo)如表6所示.

圖10 “中國精度”系統(tǒng)構(gòu)成

表6 “中國精度”主要性能指標(biāo)

2)夔龍系統(tǒng)

通過國際合作開展并推動實(shí)施的全球廣域高精度衛(wèi)星導(dǎo)航差分增強(qiáng)系統(tǒng).系統(tǒng)以分布在全球的北斗/GNSS多模監(jiān)測站為基礎(chǔ),通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián),以L波段GEO衛(wèi)星為主要播發(fā)途徑,可兼容BDS、GPS、GLONASS、Galileo等多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),目標(biāo)是具備面向全球提供北斗廣域差分服務(wù)與全球精密單點(diǎn)定位(GPPP)服務(wù)的能力,以及拓展標(biāo)準(zhǔn)SBAS服務(wù)與地基增強(qiáng)服務(wù)的能力.

目前,“夔龍系統(tǒng)”正積極整合國際國內(nèi)星地資源,開展系統(tǒng)演示驗(yàn)證工作,已建成地面參考站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、上行站等地面段設(shè)施,完成基于尼星1R的北斗增強(qiáng)演示驗(yàn)證系統(tǒng)搭建及關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,并在工程測繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、海洋工程等領(lǐng)域開展應(yīng)用示范.

3.4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系服務(wù)能力

如上所述,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體系以北斗基本系統(tǒng)星座為基礎(chǔ),以提升北斗精度和完好性服務(wù)性能為核心目標(biāo),歷經(jīng)多年發(fā)展,目前已初步建設(shè)形成兼具廣域和局域服務(wù)覆蓋、地基和星基技術(shù)手段相結(jié)合、政府主導(dǎo)與市場創(chuàng)新相補(bǔ)充的導(dǎo)航增強(qiáng)體系,可為我國及周邊用戶提供多重、不同層次的增強(qiáng)服務(wù),設(shè)計(jì)服務(wù)能力如表7所示.

表7 北斗增強(qiáng)體系設(shè)計(jì)服務(wù)能力*

4 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)發(fā)展

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)從產(chǎn)生發(fā)展至今,已經(jīng)歷數(shù)十年時(shí)間.從技術(shù)上看,目前，主要的技術(shù)瓶頸體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)難以解決廣域覆蓋下的快速收斂問題

由于RTK受限于基準(zhǔn)站布設(shè)范圍和密度,因此廣域精度增強(qiáng)主要通過PPP技術(shù)手段實(shí)現(xiàn).然而,各PPP系統(tǒng)目前一般仍需要十幾分鐘至半小時(shí)的時(shí)間才能初始固定載波模糊度,難以滿足實(shí)時(shí)性應(yīng)用需求.

2)全球覆蓋成本代價(jià)高

目前,現(xiàn)有技術(shù)手段均難實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的覆蓋和增強(qiáng)服務(wù).對于RTK,單基準(zhǔn)站只能覆蓋約數(shù)十千米至一百多千米的距離,因此實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋所需的成本很大(覆蓋中國需要數(shù)千地面站,覆蓋全球所需的地面站超數(shù)萬個(gè)),且難以覆蓋海上、沙漠等地區(qū).PPP系統(tǒng)雖不需要密集建站,但仍需通過廣域建站才能實(shí)現(xiàn)全球服務(wù),并存在自主可控問題.

3)難以解決信號遮擋問題

RTK、PPP等手段均不提供額外測距信號,因此均難以改善GNSS在遮擋環(huán)境下的性能.

近年來,5G移動通信、低軌衛(wèi)星星座蓬勃發(fā)展,為衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)提供了一個(gè)重要的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)遇.通過與5G移動通信、低軌衛(wèi)星等技術(shù)的融合,衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)有望突破上述長期以來的瓶頸問題.

4.1 北斗+5G融合

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比上一代4G體制提升巨大(如表8所示),能更好地對衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)增強(qiáng).首先,5G在作為數(shù)據(jù)傳輸通道的同時(shí),能夠提供一個(gè)額外的測距信號;其次,由于具有更密集的覆蓋范圍,因此能夠增加無NLOS誤差的場景、方便NLOS誤差建模,并加強(qiáng)室內(nèi)應(yīng)用覆蓋;此外,5G基站使用大規(guī)模天線陣列(Massive MIMO)技術(shù),能夠動態(tài)生成高增益、可調(diào)節(jié)賦型波束,改善信號覆蓋、減少對周邊環(huán)境的干擾.可以預(yù)見,北斗/GNSS+5G導(dǎo)通融合技術(shù)將在不久的將來應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市等諸多領(lǐng)域,滿足城市普適環(huán)境下的高精度北斗綜合PNT服務(wù)需求.

表8 5G通信技術(shù)提升對比[11]

目前,北斗B1I民用信號已在“第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)”框架下完成移動通信定位相關(guān)國際化標(biāo)準(zhǔn)的制定,成為未來5GNR(NewRadio)定位的可選衛(wèi)星導(dǎo)航信號;未來,將重點(diǎn)推進(jìn)北斗B1C全球信號的3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)化工作,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)北斗B1C信號成為5G定位可選信號.

4.2 北斗+低軌衛(wèi)星增強(qiáng)

隨著商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展,基于低軌衛(wèi)星星座的導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)正成為熱點(diǎn)[11-16].低軌衛(wèi)星同樣可實(shí)現(xiàn)廣域增強(qiáng)功能,且制造和發(fā)射成本遠(yuǎn)低于GEO衛(wèi)星.低軌衛(wèi)星對基本衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)能力主要體現(xiàn)在:

1)作為全球高速率數(shù)據(jù)播發(fā)通道

低軌通信衛(wèi)星具有較大的信號帶寬與較高的信息速率,可作為衛(wèi)星導(dǎo)航基本電文及差分改正電文的播發(fā)通道,且由于低軌星座一般全球組網(wǎng),因此播發(fā)范圍可覆蓋全球.播發(fā)基本導(dǎo)航電文時(shí),可縮短接收機(jī)冷啟動首次定位時(shí)間(TTFF),起到類似輔助GPS(A-GPS)的作用;播發(fā)差分改正電文時(shí),可實(shí)現(xiàn)廣域精度增強(qiáng),起到PPP系統(tǒng)的作用.

2)天地聯(lián)合精密定軌

衛(wèi)星導(dǎo)航精密定軌需要全球覆蓋的監(jiān)測站進(jìn)行觀測支持,但我國目前的海外監(jiān)測站數(shù)量有限.因此,可在低軌衛(wèi)星上搭載高精度GNSS監(jiān)測接收機(jī)實(shí)現(xiàn)全球移動監(jiān)測,從而構(gòu)成天地一體化的監(jiān)測網(wǎng).低軌衛(wèi)星將導(dǎo)航衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)通過星間鏈路和星地鏈路傳回國內(nèi)數(shù)據(jù)處理中心,聯(lián)合地面區(qū)域監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù),通過綜合處理完成中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的聯(lián)合精密定軌.相關(guān)研究表明,該聯(lián)合精密定軌體制可大幅提升中高軌道衛(wèi)星定軌精度,有效填補(bǔ)我國海外監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)量的不足、減少所需地面監(jiān)測站數(shù)量.

3)GNSS/LEO聯(lián)合快速PPP

傳統(tǒng)PPP中,由于GNSS衛(wèi)星軌道高、星座幾何圖形變化慢,相鄰歷元間觀測方程之間的相關(guān)性太強(qiáng),因此在進(jìn)行定位參數(shù)估計(jì)時(shí)需要較長的時(shí)間才能估計(jì)和分離各類誤差,進(jìn)而固定載波相位模糊度、實(shí)現(xiàn)精密定位.相較而言,低軌衛(wèi)星軌道低、運(yùn)動快,相鄰歷元間觀測方程的相關(guān)性較GNSS衛(wèi)星弱.因此,低軌衛(wèi)星聯(lián)合GNSS衛(wèi)星進(jìn)行PPP定位,有利于定位誤差參數(shù)的快速估計(jì),加快精密定位收斂過程.相關(guān)研究表明,相比于傳統(tǒng)PPP定位15～30 min左右的收斂時(shí)間,GNSS/LEO聯(lián)合PPP能夠?qū)⑹諗繒r(shí)間縮短至1 min.

4.3 發(fā)展趨勢

在完好性增強(qiáng)方面,未來BDSBAS仍將按照ICAO標(biāo)準(zhǔn)要求開展建設(shè),提供國際化標(biāo)準(zhǔn)服務(wù).在各國SBAS系統(tǒng)建設(shè)完成并相繼提供服務(wù)后,各SBAS系統(tǒng)服務(wù)范圍將聯(lián)通“拼接”,實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的航空完好性服務(wù).

在精度增強(qiáng)方面,高精度服務(wù)正演變?yōu)楣残孕枨?技術(shù)創(chuàng)新面臨重大機(jī)遇.其中,各類精度增強(qiáng)手段的特點(diǎn)與性能對比如表9所示.

表9 各類增強(qiáng)手段特點(diǎn)對比

可以看出,5G和低軌衛(wèi)星能夠?qū)ΜF(xiàn)有增強(qiáng)體系產(chǎn)生巨大的補(bǔ)充和提升,并有望形成新的應(yīng)用格局.其中,5G能夠基于密集覆蓋的下一代移動通信基站,重點(diǎn)解決城市人口密集區(qū)的高精度定位和室內(nèi)PNT服務(wù)問題,并與其他產(chǎn)業(yè)相結(jié)合、催生新的應(yīng)用模式[17].低軌星座單星成本低,綜合效率比較高;能夠在不依賴大量地面建站的前提下,實(shí)現(xiàn)包括海洋、沙漠等區(qū)域在內(nèi)的全球精度增強(qiáng)服務(wù),彌補(bǔ)地基增強(qiáng)手段的不足;同時(shí),能夠提供額外的測距信號、大幅縮短模糊度收斂時(shí)間,并可作為備份手段提升導(dǎo)航抗干擾性和可靠性.同時(shí),兩者均能提供額外的測距手段,特別是低軌星座,能夠在與GNSS相同的導(dǎo)航頻段內(nèi)提供同樣的擴(kuò)頻碼測距信號,因此可對GNSS系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和備份,大幅提高抗遮擋能力.綜上,5G和低軌衛(wèi)星能夠有效解決當(dāng)前高精度增強(qiáng)的瓶頸問題,有望成為未來最優(yōu)解決方案.

5 結(jié)束語

采用體系化建設(shè)思路，對衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)、系統(tǒng)及服務(wù)開展頂層設(shè)計(jì)與規(guī)劃，能夠有效解決衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)和系統(tǒng)建設(shè)中的“碎片”和“補(bǔ)丁”式發(fā)展問題，更好地統(tǒng)籌星地資源，開展建設(shè)以形成導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)完整“生態(tài)圈”.

BDS在設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，采用增強(qiáng)體系與基本系統(tǒng)一體化同步建設(shè)思路，北斗增強(qiáng)服務(wù)體系已初步形成，并成為北斗系統(tǒng)特色與優(yōu)勢之一.未來，北斗增強(qiáng)體系應(yīng)進(jìn)一步融合5G、低軌衛(wèi)星等新技術(shù)，不斷豐富、完善和發(fā)展，提升服務(wù)性能、拓展服務(wù)范圍及應(yīng)用場景，在北斗綜合PNT服務(wù)中發(fā)揮重要作用.