●　文|北京空間科技信息研究所　　 趙爽

國外衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)發(fā)展概覽

●文|北京空間科技信息研究所 趙爽

衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)是衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設中的一項重要內(nèi)容，堪稱衛(wèi)星導航系統(tǒng)的“能力倍增器”。目前的衛(wèi)星導航系統(tǒng)盡管已經(jīng)在各個民商用領域應用廣泛，并且成為各大軍事強國軍用發(fā)展所不可或缺的一環(huán)，但由于技術和系統(tǒng)的局限性，在某些領域如航空精密進近等仍無法滿足需求，需要增強系統(tǒng)將其能力加以提升。

從目前全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢看，從前的美國GPS系統(tǒng)“一家獨大”，已經(jīng)由于俄羅斯GLONASS、中國二代北斗（COMPASS）、歐洲伽利略的崛起，向著“四分天下”發(fā)展。甚至未來可能還會有印度、日本等國家的全球系統(tǒng)出現(xiàn)，那時全球GNSS將是“群雄逐鹿”的局面，系統(tǒng)間的競爭將愈加激烈。如何能夠突破重圍，在競爭中立于不敗之地？本文認為系統(tǒng)服務性能將是制勝關鍵，而作為系統(tǒng)能力倍增器的增強系統(tǒng)將是實現(xiàn)這一能力的重中之重。

目前，國外衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)主要分為星基增強系統(tǒng)（SBAS）和地基增強系統(tǒng)（GBAS）兩大類。星基增強系統(tǒng)如美國的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）等，地基增強系統(tǒng)如美國的局域增強系統(tǒng)（LAAS）等。這些系統(tǒng)綜合使用了各種不同增強效果的導航增強技術，最終實現(xiàn)了其增強衛(wèi)星導航服務性能的目的。從增強效果上看，這些增強系統(tǒng)所使用的衛(wèi)星導航增強技術主要包括精度增強技術、完好性增強技術、連續(xù)性和可用性增強技術。其中，精度增強技術主要運用差分原理，進一步可分為廣域差分技術、局域差分技術、廣域精密定位技術和局域精密定位技術；完好性增強技術主要運用完好性監(jiān)測原理，進一步可分為系統(tǒng)完好性監(jiān)測技術、廣域差分完好性監(jiān)測技術等等。連續(xù)性和可用性增強技術主要是增加導航信號源，進一步可分為天基衛(wèi)星增強技術、地基偽衛(wèi)星增強技術等。當前衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)所采用的各種增強技術分類見表1。本文主要從星基增強系統(tǒng)和地基增強系統(tǒng)這一分類角度，對于目前國外衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)的發(fā)展情況進行簡要介紹。

表1　當前衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)所采用的增強技術分類

一、星基增強系統(tǒng)及應用發(fā)展

星基增強系統(tǒng)（SBAS）通過地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導航增強信號轉(zhuǎn)發(fā)器，可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度的改進，從而成為各航天大國競相發(fā)展的手段。目前，全球已經(jīng)建立起了多個SBAS系統(tǒng)，如美國的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）、歐洲的歐洲地球靜止導航重疊服務（EGNOS）、日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)（MSAS）以及印度的GPS輔助靜地軌道增強導航系統(tǒng)（GAGAN）。

上述SBAS系統(tǒng)的工作原理大致相同。首先，由大量分布極廣的差分站（位置已知）對導航衛(wèi)星進行監(jiān)測，獲得原始定位數(shù)據(jù)（偽距、衛(wèi)星播發(fā)的相位等）并送至中央處理設施（主控站），后者通過計算得到各衛(wèi)星的各種定位修正信息，通過上行注入站發(fā)給GEO衛(wèi)星，最后將修正信息播發(fā)給廣大用戶,從而達到提高定位精度的目的。

1.美國廣域增強系統(tǒng)

廣域增強系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）是由美國聯(lián)邦航空局（FAA）開發(fā)建立的一個主要用于航空領域的導航增強系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過GEO衛(wèi)星播發(fā)GPS廣域差分數(shù)據(jù)，從而提高全球定位系統(tǒng)的精度和可用性。

美國WAAS利用遍布北美和夏威夷的地面參考站（Wide-area Reference Station，WRS）采集GPS信號并傳送給主控站（Wide-area Master Station，簡稱WMS）。WMS經(jīng)過計算得出差分改正（Deviation Correction，DC）并將改正信息經(jīng)地面上行注入站傳送給WAAS系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星。最后由GEO衛(wèi)星將信息播發(fā)給地球上的用戶，這樣用戶就能夠通過得到的改正信息精確計算自己的位置。

WAAS系統(tǒng)的發(fā)展分為4個階段（圖1）：第1階段為初始運行能力階段（IOC），其研發(fā)始于20世紀90年代，2003年7月10日完成，實現(xiàn)WAAS信號對95%的美國領土的覆蓋，動態(tài)定位水平精度3～5m，垂直精度3～7m。第2階段（2003—2008年）和第3階段（2009—2013年）將實現(xiàn)WAAS系統(tǒng)對航空進場著陸能力的改善，通過WAAS實現(xiàn)飛機的LPV（垂直指引功能定位信標）和LPV-200能力，可以使飛機在不具備儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）的飛機場仍可實現(xiàn)類似于儀表著陸的高安全性著陸。而開通LPV-200認證的飛機能夠使降落判決最小高度降低至200英尺，從而提高了跑道的可用性。第4階段（2014—2028年），WAAS系統(tǒng)將增加L5頻段信號，并實現(xiàn)L1和L5的雙頻跟蹤能力。按照計劃，此項能力將在2019年左右初步實現(xiàn)。

在WAAS建立之初，其空間段由兩顆國際海事衛(wèi)星Inmarsat-3 -F4 (西太平洋地區(qū)AOR)和Inmarsat-3-F3 (太平洋地區(qū)，POR)組成，兩顆GEO衛(wèi)星的軌道分別位于西經(jīng)133°和西經(jīng)107°?，F(xiàn)在，這兩顆衛(wèi)星已經(jīng)分別被另外兩顆GEO衛(wèi)星所取代，即國際通信衛(wèi)星有限公司（Intelsat）的商業(yè)衛(wèi)星Galaxy -15以及加拿大的通信衛(wèi)星Anik –F-1R。此外，2010年末國際海事衛(wèi)星Inmarsat-4 -F3成為了WAAS系統(tǒng)的第三顆GEO衛(wèi)星，軌道為西經(jīng)98°。

圖1　WAAS發(fā)展階段部署與GEO衛(wèi)星時間表

2.俄羅斯差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)

自2002年起，俄羅斯聯(lián)邦就開始著手研發(fā)建立GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)——差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）。SDCM將為GLONASS以及其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供性能強化，以滿足所需的高精確度及可靠性。和其他的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)類似，SDCM也是利用差分定位的原理，該系統(tǒng)主要由3部分組成：差分校準和監(jiān)測站、中央處理設施以及用來中繼差分校正信息的地球靜止軌道衛(wèi)星。

3.歐洲地球靜止導航重疊服務

歐洲地球靜止導航重疊服務（EGNOS）是歐洲自主開發(fā)建設的星基導航增強系統(tǒng)，它通過增強GPS和GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度，來滿足高安全用戶的需求。它是歐洲GNSS計劃的第一步，是歐洲開發(fā)的Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃的前奏。EGNOS系統(tǒng)是歐洲航天局（ESA）、歐盟（EU）和歐洲航空安全組織（Eurocontrol）聯(lián)合規(guī)劃的項目，歐空局全面負責EGNOS系統(tǒng)的技術設計和工程建設，歐盟負責國際合作，并且確保把各類用戶對系統(tǒng)的要求融入到EGNOS系統(tǒng)的設計和實施中。歐洲航空安全組織設計民用航空需求，并且在系統(tǒng)測試中扮演主要角色。

EGNOS系統(tǒng)已經(jīng)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(tǒng)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；③EGNOS數(shù)據(jù)訪問服務，定位精度小于1m，已于2012年7月開始服務。

4.日本多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)

日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)（MSAS），是基于2顆多功能衛(wèi)星的GPS星基增強系統(tǒng)，主要目的是為日本航空提供通信與導航服務。系統(tǒng)覆蓋范圍為日本所有飛行服務區(qū)，也可以為亞太地區(qū)的機動用戶播發(fā)氣象數(shù)據(jù)信息。該項目由日本氣象局和日本交通部于1996年開始實施。

MSAS的空間段由兩顆多功能傳輸衛(wèi)星（MTSat）組成，他們是日本發(fā)展的地球靜止軌道氣象和環(huán)境觀測衛(wèi)星——“向日葵”（Himawari）衛(wèi)星的第二代。MTSat是日本國土交通?。∕LIT）和日本氣象廳共同出資發(fā)展的氣象觀測與GPS系統(tǒng)導航增強衛(wèi)星。除了為日本氣象廳提供氣象服務外，還為日本民航局（JCAB）執(zhí)行航空運輸管理和導航服務。美國勞拉空間系統(tǒng)公司是MTSat-1/1R衛(wèi)星的主承包商，日本三菱電機公司是MTSat-2衛(wèi)星的主承包商。截至目前，在軌運行的衛(wèi)星包括MTSat-1R和MTSat-2，分別位于東經(jīng)140°和145°上，采用Ku頻段和L頻段兩個載波，其中Ku頻段主要用于播發(fā)氣象數(shù)據(jù)，L頻段頻率與GPS L1頻段相同，主要用于導航服務。

MSAS系統(tǒng)的地面段包括：2個主控站分別位于神戶和常陸太田，4個地面監(jiān)測站（GMS）分別位于福岡、札幌、東京和那霸，2個監(jiān)測測距站（MRS）分別位于夏威夷和澳大利亞。

5.印度GPS輔助靜地軌道增強導航系統(tǒng)

印度的GPS輔助靜地軌道增強導航系統(tǒng)（GAGAN）是由印度空間組織（ISRO）和印度航空管理局（AAI）聯(lián)合組織開發(fā)。

GAGAN系統(tǒng)的空間段由3顆位于印度洋上空的GEO衛(wèi)星構成，采用C頻段和L頻段，其中C頻段主要用于測控，L頻段與GPS的L1（1575.42MHz）和L5 （1176.45MHz）頻率完全相同，用于播發(fā)導航信息，并可與GPS兼容和互操作?？臻g信號覆蓋整個印度大陸，能為用戶提供GPS信號和差分修正信息，用于改善印度機場和航空應用的GPS定位精度和可靠性。

按計劃，GAGAN空間段的3顆GEO衛(wèi)星分別為“地球靜止衛(wèi)星”（Geosynchronous Satellite，GSAT）系列的GSAT-8、GSAT-10以及GSAT-15?！暗厍蜢o止衛(wèi)星”是印度自主發(fā)展的靜止軌道通信衛(wèi)星系列，是印度國家衛(wèi)星系統(tǒng)兩大系列之一，由印度空間研究組織研制，并計劃采用印度自己的“地球同步衛(wèi)星運載火箭”（GSLV）發(fā)射。目前，GAGAN系統(tǒng)空間段計劃使用的3顆GEO衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射了兩顆：第一顆搭載GAGAN載荷的衛(wèi)星GSAT-8于2011年5月發(fā)射，目前正工作在東經(jīng)55?的軌道上；第二顆搭載GAGAN載荷的衛(wèi)星GSAT-10于2012年9月28日發(fā)射，目前正工作在東經(jīng)83度的軌道上；最后一顆GSAT-15計劃于2015年發(fā)射。

二、地面增強系統(tǒng)及應用發(fā)展

1.局域增強系統(tǒng)發(fā)展分兩步走，提供精密進場能力

局域增強系統(tǒng)（Local Area Augmentation System，LAAS）是一種能夠在局部區(qū)域內(nèi)提供高精度GPS定位的導航增強系統(tǒng)。其原理與廣域增強系統(tǒng)（WAAS）類似，只是用地面的基準站代替了WAAS中的GEO衛(wèi)星，通過這些基準站向用戶發(fā)送測距信號和差分改正信息，從而實現(xiàn)飛機的精密進場。圖2為LAAS示意圖。

圖2　局域增強系統(tǒng)（LAAS）示意圖

精密進場是飛機飛行過程中最為關鍵的階段，根據(jù)要求的不同，精密進場可分為三個級別：CAT I、CAT II 和CAT III。

WAAS只能滿足CAT I類精密進場的性能要求，對于難度更大、性能要求更加嚴格的CAT II和CAT III類精密進場，必須采用LAAS方式。盡管和WAAS相比，LAAS服務區(qū)域有限（約為30～50km），但是卻更夠提供比WAAS更高的定位精度，它利用地面信號發(fā)射器廣播差分修正信息，具有為飛機提供全天候、滿足各類精密進場與著陸要求的導航服務的潛力。

美國聯(lián)邦航空委員會（FAA）計劃采用兩階段來開發(fā)LAAS系統(tǒng)：在第一階段，研制可提供CAT I精密進場服務的LAAS地面站和機載航空電子設備。到第二階段，開發(fā)具有II、III類能力的LAAS。目前，第一階段的研制發(fā)展已經(jīng)比較成熟，并于2011年和2012年在紐瓦克和休斯頓兩市開展LAAS站的CAT I設施建設和運行認證。針對第二階段，F(xiàn)AA首先基于現(xiàn)有成熟技術研發(fā)LAAS單頻CAT III，然后根據(jù)雙導航頻率的GPS星座進展情況，適時開展LAAS雙頻CAT III研究，以提高可用性。CAT III的LAAS地面和機載系統(tǒng)的開發(fā)都已經(jīng)進入原型樣機階段。

2.NDGPS正在開發(fā)更高的局域高精度定位

NDGPS是由聯(lián)邦鐵路管理局、美國海岸警衛(wèi)隊和聯(lián)邦公路管理局經(jīng)營和維護的地面增強系統(tǒng)，它為地面和水面的用戶提供更精確和完全的GPS。現(xiàn)代化的工作包括正在開發(fā)的高精度NDGPS系統(tǒng)（HA-NDGPS），用來加強性能使整個覆蓋范圍內(nèi)的精確度達到10～15cm。NDGPS是按照國際標準建造，世界上五十多個國家已經(jīng)采用了類似的標準。

3.IGS全球覆蓋為科學研究提供支持

國際GNSS服務組織（The International GNSS Service），簡稱IGS，前身為國際GPS服務組織。IGS提供的高質(zhì)量數(shù)據(jù)和產(chǎn)品被用于地球科學研究等多個領域。

IGS組織由衛(wèi)星跟蹤站、數(shù)據(jù)中心、分析處理中心等組成，它能夠在網(wǎng)上幾乎實時地提供高精度的GPS數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以滿足廣泛的科學研究及工程領域的需要。

IGS的主要任務：為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）提供高精度的標準數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，以支持地球科學研究、多學科應用和教育。這些活動的目的是為了提高對地球構造及其相互關系的科學認知水平，同時也是為了方便其他有利于社會的相關應用。為完成使命，IGS下設有若干機構：一個由超過350個連續(xù)運行雙頻GPS觀測站構成的全球網(wǎng)絡；超過12個的區(qū)域性數(shù)據(jù)中心；3個全球數(shù)據(jù)中心；7個分析中心和數(shù)個相互聯(lián)系的活動區(qū)域性的分析中心。該組織的總部位于噴氣推進實驗室，它包括中央局信息系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能夠獲取IGS產(chǎn)品和信息。

4.連續(xù)運行參考站大范圍推廣

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）是一種廣泛使用的地基增強手段。其原理是在同一批測量的GPS點中選出一些點位可靠，對整個測區(qū)具有控制意義的測量站，采取較長時間的連續(xù)跟蹤觀測，通過這些站點組成的網(wǎng)絡解算，獲取覆蓋該地區(qū)和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，用于測區(qū)內(nèi)其他基線觀測值的精密解算。

CORS站很好地解決了長距離、大規(guī)模的厘米級高精度實時定位的問題，CORS在測量中擴大了覆蓋范圍、降低了作業(yè)成本、提高了定位精度和減少了用戶定位的初始化時間。

CORS是目前國內(nèi)乃至全世界GPS的最新技術和發(fā)展趨勢，發(fā)達國家基本上每幾十公里就有一個站。發(fā)展中國家也在陸續(xù)地建立起CORS。截至2014年，全球CORS地面站數(shù)量超過了1900個，服務于全球超過200家組織與機構。

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