GNSS星基增强系统综述

GNSS星基增强系统综述摘要:自GPS提供全球导航定位服务以来，无论是在经济、政治还是军事、民用等方面都发挥了重要的作用，基于此，目前许多国家都在论证和建设自己的卫星导航定位系统，比如，俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo等，中国的北斗卫星导航定位系统（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）也于2012年底正式运行，并到2020年将能够提供全球服务。

由各国卫星导航系统所构成的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）广泛应用于位置服务、道路铁路、航空航天、农业、测绘、授时同步等多个领域，特别是在民用航空领域，其优势更加突出[1]。

在状态空间域差分技术中广域精密定位技术主要以载波观测量为主，可以达到分米甚至厘米级的定位精度，但其需要解算模糊度参数，因此初始化时间长，且在卫星机动条件下，其解算的卫星星历及星钟差分改正数精度较低；而广域差分技术，主要以伪距观测量为主，定位精度只有1-3m，但其模型简单，解算速度快，不需要初始化时间，且能够提供完备性信息，因此在民用航空领域得到了广泛的应用。

关键词：星基增强、卫星导航、广域差分1 意义当前中国民航正在实施民航强国战略，要求加快建设现代空中交通服务系统。

到2020年，中国民航运输机队规模将达到4000架，通用航空机队规模将达到5000架，航空器年起降架次将超过1500万，运输总周转量将达到1700亿吨公里以上，旅客运输量将超过7亿人次。

中国是一个多地形国家，机场环境差异较大，依靠传统的仪表着陆系统、测距仪等陆基导航设备无法对飞机的安全起降做出充分的保证，且其设备投资巨大，维护费用较高。

当前国际民用航空领域正在从陆基导航向星基导航（卫星导航系统及其增强系统）过渡。

但我国目前在主要航路和终端、进近仍以陆基导航为主要设备源，因此，基于中国民航运输航空运行需求和导航技术发展现状，中国民航在其制定的导航技术发展战略的中期（2021年~2030年）将稳步推进从陆基导航向星基导航过渡，并建议开展星基增强系统（Satlellite Based Augmentation System,SBAS）的研究和实验工作。

2 研究现状2.1 算法研究现状最早的广域差分系统算法是由斯坦福大学的Parkinson提出，其通过已知精确坐标的监测站对导航卫星的实时监测，将站钟、星钟和星历放在一起进行最小二乘估计，但这种方法的计算效率较慢；后来Enge P对该算法进行了优化，先将站钟通过时间传递分离出来，然后再对星历及星钟进行统一解算；1999年斯坦福大学与美国喷气推进实验室的工作小组对上述方法进一步改进，采用站间单差的方法消除星钟误差来解算星历误差，再利用解算的星历误差来估计星钟误差[2]，目前大部分的广域增强系统算法都是采用这种矢量差分的方法。

2004年德国地学研究中心对上述几种算法进行了综合分析，认为上述几种算法是等效的，其实质都是星历与星钟的统一解算[3]。

国外目前对于GPS广域差分系统的研究较多，而对于BDS广域差分系统的研究则还没有，国内目前对于GPS广域差分系统的算法的研究基本与国外一致，其中文献[4]提出了星钟和星历误差修正的新方法, 将星钟和星历误差解算过程分离,先计算星钟改正数, 再计算星历改正数, 将四维时空解算变为三维空间解算 , 可以极大降低 DOP 值的影响 , 提高定位精度；文献[5]提出了一种星钟和星历分离的关于差分原理以及一站时间同步，其他站无需时间同步的实现方法，并通过简易差分网验证了这种原理和方法的正确性、有效性和可行性；文献[4]提出了一种等效钟差加星历差分改正数的方法，使得解算的星历误差改正参数精度基本不受先验轨道、卫星钟差精度和观测数据累计时间长度的影响；文献[4] 通过引入超快速精密星历的先验信息，以超快速精密星历与广播星历的差值作为星历差分改正数的先验平均值，提高了GPS双频广域差分系统的可用性，并且降低了用户测距误差的噪声；通过建立仿真平台，对BeiDou卫星星历星钟差分算法进行了研究分析，虽然能够有效分离卫星轨道钟差，但需要增加星间链路观测。

图1-1 全球SBAS分布图2.2 系统建设现状广域增强系统作为卫星导航系统的一种增强系统，目前很多国家都已经建立了自己的增强系统(如图1-1所示)，比如，美国的广域差分增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS），欧洲的GPS和GLONASS增强系统（European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS），日本的多功能GPS卫星增强系统（Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS），俄罗斯的GLONASS差分校正和监测系统（System for Differential Corrections and Monitoring，SDCM），印度的GPS和GEO增强导航（GPS And GEO Augmentation Navigation，GAGAN）技术等。

WAAS系统由美国联邦航空管理局、美国交通运输部及斯坦福大学共同建设完成，其中，美国联邦航空管理局主要负责系统的运行及维护。

该系统共包括38个参考站、3个主控站、2个操作控制中心、6个地面上行输入站及3颗GEO卫星。

其中，每个参考站包括3套独立搜集数据的观测设备，每套观测设备又包括一个双频SBAS接收机、铯钟和一台数据处理器，数据处理器负责收集、打包并转发卫星数据给主控站进行处理；每一个主控站都有一个修正或确认子系统，每个子系统又包含两个修正处理器与一套涵盖了两个安全处理器、一个硬件比测仪的安全计算器。

每个修正处理器计算来自WRE的星历与星钟差分改正数，安全处理器计算电离层修正和用于时钟、星历与电离层修正的高置信度误差界，以确保修正处理器的输出不会受损。

目前，WAAS的LPV可用性在美国本土的覆盖范围为100%，在阿拉斯加的覆盖范围为81.22%，LPV-200可用性在美国本土的覆盖范围为100%，在阿拉斯加地区为70.90%。

未来WAAS的目标则是设计和实现双频升级[1,19]；EGNOS由欧洲空间局、欧洲空中航行安全组织和欧委会于1993年提出联合共建，其中，欧委会负责国际合作，欧洲空间局负责系统的整体运行及维护，欧洲空中航行安全组织负责民航政策的制定及项目的测试，其目标是增强GPS系统和GLONASS系统性能，该项目在2004年建成并投入运营，共包括41个测距与完备性监测站，4个主控制中心，6个地面导航站、3颗地球同步卫星及相应的支持系统（EGNOS广域差分网及系统开发验证平台、工程详细技术设计系统、系统性能评价及问题发现系统）等，其在2009年可以对外提供开放式服务，2011年可以提供生命安全服务，2012年可以提供商业服务，2015年可以提供CATⅠ精密进近服务，并在精密农业、民用航空、船泊进港、精密授时等领域得到了广泛的应用；MSAS是由日本气象局和日本交通部组织实施的基于2颗多功能卫星的（MTSAT）GPS星基增强系统，该项目于1996年开始实施，并于2007年6月30日宣布达到IOC[1]。

目前，该系统主要包括2个主站、2颗MTSAT卫星、4个地面监测站和4个测控跟踪站，MSAS系统信号覆盖整个亚太地区，可以向亚洲及太平洋地区提供全天候的导航服务以确保航空运输的安全与效率。

未来MSAS系统将通过增加监测站的数量来扩大其服务范围，并通过改进主控站算法来提高电离层改正精度。

俄罗斯空间设备工程研究院于2002年起开发SDCM，该系统可覆盖俄罗斯空域，具备两种功能：GNSS监测和差分校正。

2006年，SDCM的完备性监测部分投入使用，截止到2012年末，俄罗斯政府已经建立差分站24个，其中俄罗斯境内19个，境外5个（3个在南极，并计划建立第4个），未来俄罗斯政府还将建立39个差分站，其中俄境内21个，境外18个，其中将包括我国的长春和昆明。

印度卫星导航增强系统GAGAN由印度空间局和印度机场管理局联合开发，采用美国雷神公司研发的SBAS技术，将为南盟成员国提供服务。

该系统包括15个参考站、1个任务控制中心、3个上行注入站、2颗GEO卫星及相关的通信链路等，通过播发C波段和L波段的增强信号，对GPS卫星系统进行增强。

GAGAN系统的建设经历了技术验证和最后操作运行阶段，对于前一阶段主要完成系统指标分配、在轨测试和系统联调等内容；后一阶段是在前一阶段的基础上再用3颗GEO卫星对GPS卫星进行增强，全面完成集成并投入运行，且能对系统完备性和生命安全服务进行论证。

未来，GAGAN系统将实现与其他星基增强系统的兼容，并在境外其他地区建设地面参考站以扩大其服务范围。

3 未来研究内容1)BDS系统端轨道钟差、电离层等差分改正数的解算；2)BDS系统端UDRE、UIVE等完备性信息的解算；3)BDS终端定位解算；4)BDS双频星基增强系统系统端及终端算法研究。

参考文献：[1] 中国民用航空局空管行业管理办公室.民用航空导航技术应用政策[R].中国民用航空局,2015.[2] 高为广, 楼益栋, 刘杨,等. 卫星导航系统差分增强技术发展研究[J]. 测绘科学, 2013, 38(1):51-53.[3] Guochang Xu，Equivalence Principle of GPS Alogrithms and its Consequences，International Geodetic Forum XiAn，2006(Oct.10-16).[4] 李孝辉, 蔡成林, 吴海涛, 等. 广域差分系统星钟和星历误差修正新方法研究[J]. 中国北京, 2010.[5] 蔡成林, 李孝辉, 吴海涛. 广域差分新方法的定位性能与差分网优化布局[J].宇航学报, 2009, 30(4): 1404-1409.。