施滸立 李 林

(1.中國科學(xué)院國家天文臺，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)

?

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)討論

施滸立1,2李 林1，3

(1.中國科學(xué)院國家天文臺，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)，最后對衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)作了討論、展望與評論。

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[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)爭后，美國國防部為了防止非授權(quán)用戶使用P碼和與C/A碼碼相位測量值，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)用戶不能正常使用GPS信號，精度下降到百米量級。

有矛便會出現(xiàn)盾，科技工作者開展了針鋒相對的抗差技術(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GPS測量的影響。而且美國已經(jīng)具備新的控制使用導(dǎo)航信號的能力，于是在2000年5月1日，美國政府宣布取消SA政策，定位精度又回歸到正常的10m量級。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，開展多類試驗(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，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縫導(dǎo)航服務(wù)，促進(jìn)了增強(qiáng)系統(tǒng)的升級和發(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，根據(jù)國際民航組織ICAO國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：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)星向用戶廣播GNSS的完好性和修正信息，并提供測距信號來增強(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)。除美國的WAAS和LAAS外，其他國家或地區(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)。

我國也較早地利用GPS系統(tǒng)開展了局域差分系統(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)用加速開展，在城市規(guī)劃、國土測繪、地籍管理、城鄉(xiāng)建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、交通監(jiān)控等方面開展了較廣泛的應(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)，典型做法是將一臺接收機(jī)作為參考基準(zhǔn)用，稱為基準(zhǔn)站接收機(jī)，其位置經(jīng)預(yù)先精確測量得到，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)對衛(wèi)星的距離測量值與其真實(shí)幾何距離相比較，差值就是基準(zhǔn)接收機(jī)對衛(wèi)星距離的測量誤差。由于在同一時(shí)刻、同一地域內(nèi)的其他接收機(jī)對同一顆衛(wèi)星的距離測量值有相關(guān)或相近的誤差，因而基準(zhǔn)站將其測量誤差通過電波發(fā)播給用戶接收機(jī)的話，流動(dòng)用戶就可以利用接收到的誤差修正值來校正流動(dòng)站接收機(jī)對同一顆衛(wèi)星的距離測量值 。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量技術(shù)的應(yīng)用，使精度提高到厘米、甚至毫米量級。

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、故障或精度不能滿足要求時(shí)，實(shí)時(shí)向用戶發(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年代末開始，學(xué)者們一直關(guān)注這一問題，積極開展完好性監(jiān)測研究。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身原來也有一定的完好性監(jiān)測能力，但告警時(shí)間太長，需要花幾個(gè)小時(shí)，且信息很單一。所以開展完好性增強(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)系到大量最終用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。完好性監(jiān)測貫穿在系統(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)航功能和異常檢測功能都能滿足規(guī)定使用要求正常工作的概率，一般用滿足要求時(shí)能連續(xù)工作的時(shí)間長短來度量。可用性增強(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?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)測站或基準(zhǔn)監(jiān)測站網(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)測站

基準(zhǔn)監(jiān)測站分為兩類：基準(zhǔn)監(jiān)測站和完善性監(jiān)測站，一般配置高性能的原子鐘及接收視野內(nèi)衛(wèi)星信號的高質(zhì)量的接收機(jī)，接收機(jī)接收導(dǎo)航信號獲得原始觀測數(shù)據(jù)，檢出測量參數(shù)的誤差值。完善性監(jiān)測站專用于完善性檢驗(yàn)，獲得的觀測值不用來計(jì)算精度修正值，而只產(chǎn)生“不能使用”電文向用戶終端告警。兩類監(jiān)測站也可以合起來，這時(shí)監(jiān)測站數(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。如美國的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WASS)建設(shè)了25個(gè)監(jiān)測站，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)亦稱為廣域主控站(WMS)。主要任務(wù)是根據(jù)已知監(jiān)測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、電離層及對流層時(shí)延等誤差。數(shù)據(jù)處理中心對數(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)，以及完好性等級及告警數(shù)據(jù)等增強(qiáng)數(shù)據(jù)，確定被觀測衛(wèi)星信號的完整性、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

數(shù)據(jù)處理中心編制增強(qiáng)電文，傳送給發(fā)布平臺播發(fā)增強(qiáng)信息或“類GPS”測距信號，供用戶終端使用。有兩類播發(fā)情況，一類是僅廣播增強(qiáng)信息，如單站RTK，通過VHF、UHF向流動(dòng)用戶終端廣播增強(qiáng)信息；另一類不但傳輸增強(qiáng)信息，而且還提供“類GPS”的測距碼信號，增加測距冗余度，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)平臺分為陸基、星基、機(jī)載三類。各增強(qiáng)系統(tǒng)中平臺的設(shè)置情況如下：美國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接收機(jī)離參考站的距離有關(guān)，一般要求不超過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”只與觀測衛(wèi)星有關(guān)。偽距測量值有通過碼相關(guān)測量獲得，也有通過載波相位測量獲得，后者的偽距精度高達(dá)厘米級，甚至毫米量級。

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)問世，極大地拓展了GPS的使用空間。直到今天，如果沒有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)用于快速測量、精密測圖、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)測向網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測演進(jìn)

RTK技術(shù)也有一定局限性：用戶需要架設(shè)本地的參考站；誤差隨距離增長；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，開始開發(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。 VRS分別采用電離層與對流層估計(jì)模型，可以生成虛擬參考站，對觀測值進(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，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，便開始注意信號的完好性、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)門限以內(nèi)，或接到“不可用”告警，指令用戶機(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)介紹我國有關(guān)部門和專家在增強(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)航信號和增強(qiáng)信號在城市高樓街道間、高山峽谷里、密林隧道中，特別在室內(nèi)傳播時(shí)，會嚴(yán)重受阻，為了解決導(dǎo)航定位的覆蓋范圍問題，科技部國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，有效解決衛(wèi)星導(dǎo)航信號到達(dá)個(gè)人移動(dòng)終端“最后一公里”問題，“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。可滿足國土測繪、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)不閉合的開放系統(tǒng)，采用的鏈路是開口鏈路。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、分析及剝離技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航誤差源分為三類：1)用戶接收機(jī)共同面臨的誤差，即衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、電離層和對流層誤差；2)不能由用戶測量或由校正模型來計(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誤差，第二類誤差的大部分也可消除，但取決于基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)之間的距離；第三類誤差依靠差分技術(shù)無法消除，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)。中心站獲得原始測量值，對測量誤差進(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量值，因此必須解決整周模糊度問題。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)對衛(wèi)星的觀測數(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)星信號的載波和Gold碼來測量延遲。單周載波長約19cm。接收機(jī)的測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)算出其相對固定接收機(jī)的距離或位置，精度可達(dá)厘米級。

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)國際委員會(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，對任意一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)本來的服務(wù)和能力都不會導(dǎo)致不可接受的干擾或其他損害；

2)互操作定義：用戶綜合使用多個(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)兼容和互操作測量與控制方式，必須解決導(dǎo)航信號的時(shí)間、空間基準(zhǔn)統(tǒng)一的問題和擴(kuò)頻碼與載波相位的相干性問題。

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)星測距信號一樣的復(fù)制信號。如果偽衛(wèi)星的發(fā)射信號同步到接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，將稱其為同步偽衛(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)作為對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，越來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)測量產(chǎn)業(yè)

1993年，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)首先在美國明尼蘇達(dá)州的2個(gè)農(nóng)場進(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)開始興起，目前已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種普遍趨勢。近年來，我國也積極開展北斗系統(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、毫米級的實(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，在地形測量、燃?xì)夤芫W(wǎng)精準(zhǔn)服務(wù)、大橋或大壩的變形監(jiān)測、高鐵路基監(jiān)測、大型工程的施工等方面也開始發(fā)揮更多作用，正在形成一種精準(zhǔn)測量應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。相信在今后若干年內(nèi)，精準(zhǔn)測量產(chǎn)業(yè)將一定會興旺發(fā)達(dá)起來。

4.1.2 增強(qiáng)系統(tǒng)有望促進(jìn)室內(nèi)外無縫導(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，定位精度會大幅度下降。在嚴(yán)重情況下還會使導(dǎo)航信號失鎖，接收機(jī)無法正常工作，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)外無縫導(dǎo)航定位將是國內(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)際需求問題，所以說需求牽引著增強(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，首先要能監(jiān)測出誤差，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)，接著再針對各種需求發(fā)展局域增強(qiáng)系統(tǒng)。我國的局域增強(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)該加快我國衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)與國際同類GPS類廣域增強(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)，從而使我國的增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)揮出更大的效能。

[1] B Parkinson，J Spilker Jr，P Axelrad P Enge.Global positioning system theory and applications.AIAA Purchased from American Institute of Astronautics and Aeronautics.

[2] Yeou-Jyh Tsai.Wide area differential operation of the global positioning system：ephemeris and clock algorithms[C]//.Doctoral Dissertation，Stanford University，2005.

[3] 徐楨，劉強(qiáng).衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[D].2007年第三屆中國智能交通年會論文集[C]//.

[4] 趙爽.國外衛(wèi)星導(dǎo)航星基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展概況[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2013，05：58-61.

[5] 張峻林.北京東方聯(lián)星科技有限公司，北斗增強(qiáng)系統(tǒng)：精度和完好性問題(特邀)，第六屆導(dǎo)航年會衛(wèi)星導(dǎo)航專題講座，西安，2015-05-12.

[6] 蔣宇志.衛(wèi)星導(dǎo)航廣域增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)[J].電訊技術(shù)，2010，07：26-30.

[7] 曹沖.衛(wèi)星導(dǎo)航常用知識問答.北京：電子工業(yè)出版社，2010.5.

[8] 秘金鐘.國家測繪科學(xué)研究院，北斗完備性監(jiān)測技術(shù)體系研究(特邀)，第六屆導(dǎo)航年會衛(wèi)星導(dǎo)航專題講座，西安，2015-05-12.

[9] 王杰華.國外衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)最新進(jìn)展研究[J].中國航天，2011，09：20-23.

[10] 謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2012-12.

[11] 劉文建，施闖.基于格網(wǎng)改正的CORS實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)服務(wù)系統(tǒng)[J].測繪通報(bào)，2013，10：70-72+128.

[12] 劉經(jīng)南，高柯夫.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及其在導(dǎo)航與位置服務(wù)中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2013，02：1-6+14+8.

[13] 施滸立，景貴飛，崔君霞.后GPS和GPS后時(shí)代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社，2012-05.

[14] Cheng Xuan，Li Zhigang，Yang Xuhai，Wu Wenjun，Lei Hui，F(xiàn)eng Chugang.Chinese area positioning system with wind area augmentation.The Journalof Navigation，2012，65，339-349.

[15] 徐洪亮.GNSS性能增強(qiáng)技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，博士學(xué)位論文，2013.

[16] 王暉輝，戰(zhàn)興群，翟傳潤，萬曉光.偽衛(wèi)星增強(qiáng)GPS定位技術(shù)及現(xiàn)狀分析[J].測繪科學(xué)，2009，03：11-13.

[17] 曹月玲，周善石，胡小工，吳斌.區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣域差分增強(qiáng)服務(wù)及完好性[C]//.第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集.2011.

[18] 王黨衛(wèi).中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所.基于BDS的多系統(tǒng)完好性增強(qiáng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(特邀)，第六屆導(dǎo)航年會衛(wèi)星導(dǎo)航專題講座，西安，2015-05-12.

[19] SHI Hu-li，JING Gui-fei，CUI Jun-xia.A new perspective to integrated satellite navigation systems.Journal of Global Positioning Systems，2011，10(2)：100-113.

[20] 田世偉，李罡，李廣俠，姜勇，常江.基于LEO通信衛(wèi)星增強(qiáng)北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的性能研究[C]//.解放軍理工大學(xué)通信工程系，南京，2010第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會，2010：5.

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?；痦?xiàng)目：國家自然科學(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