高性能衛星導航定位應用模式與技術淺析

+電鏡之鷹

一、概述

全球衛星導航系統GNSS (Global Navigation Satellite System) 是全球衛星導航系統的總稱。包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗系統（BDS）和歐盟的GALILEO系統。從目前各系統的發展情況來看，GNSS系統可以采用單頻偽距定位的方式為用戶提供米級定位服務并能夠滿足多數一般性用戶的定位需要。但應當看到的是，對于測繪、測量、災害應急、國土資源、民用航空等行業的用戶和應用來說，單純的北斗GNSS定位還存在著精度不足、可靠性、連續性不夠，缺乏導航完好性保障等多種類型的問題，難以滿足上述行業或場景對高性能導航定位的要求，為此，部分高性能導航定位應用技術應運而生。

二、地基增強系統

衛星導航地基增強系統是在一定地理范圍內提供高精度差分定位服務的重要技術手段。它基于連續運行參考站（CORS）技術，通過在一定區域內布設一定數量的地面參考站對衛星導航信號進行長期連續觀測，并采用觀測數據對衛星導航信號進行誤差建模和修正，生成高精度差分改正數并播發給區域內的相關用戶，從而輔助用戶實現高精度差分定位。由于地基增強系統采用雙多頻的載波相位觀測量，并且具有較大服務覆蓋范圍（一般為省級或市級），從而能夠提供更加精準的導航定位服務。

地基增強系統一般包括基準站網、數據處理與服務中心、通信網絡系統和用戶終端等部分。其中：

●基準站網是地基增強系統的重要組成部分，它的主要功能是全天候采集衛星導航觀測數據，將采集和預處理后的觀測數據傳輸到數據處理和服務中心，支持系統解算生成相關的差分改正數。以國內為例，一般基準站能夠支持接收采集北斗（B1B2B3頻點）、GPS（L1L2L5頻點）、GlONASS（L1L2頻點）等系統的信號。一個地基增強系統中基準站數量的多少一般取決于該系統服務的區域大小和區域內地形情況?；鶞收灸軌蜉敵霭ㄐ盘栞d噪比、碼偽距、載波相位觀測值、信號多普勒頻移、導航電文等多種類型的導航觀測數據。對于多系統接收的情況，基準站應具備時間自主同步功能，能夠將不同系統的觀測數據的時間基準統一到某一個通用的時間基準（如北斗系統時）上，確保各系統觀測數據保持時間同步。此外基準站接收到導航衛星信號并完成解譯和參數提取后，需要將數據實時傳輸到中心系統?；鶞收窘邮諜C一般自身會配備相關的網絡傳輸設備（即從基準站衛星導航接收機到公網或專線通信線路的傳輸路徑），可以直接將數據傳輸到現有通信網絡。

●數據處理和服務中心是地基增強系統的核心，主要承擔高精度差分數據處理、系統服務和系統運行監控等功能。收集和存儲各參考站傳輸的觀測數據，對這些觀測數據的質量進行實時評估。隨后，完成基準站數據多路徑影響分析、電離層巧對流層變化分析、系統完整性監測等功能，按照相關的GNSS誤差模型和差分改正數算法解算生成區域內的誤差改正數，以此為基礎為相關用戶提供高精度位置服務。目前主要的誤差改正數計算方法包括虛擬參考站（VRS）技術、區域改正數（FKP）技術和主輔站（MAC）技術。以最常見的虛擬參考站技術為例，數據處理與服務中心完成所有基準站的信息融合和誤差源模型化。在流動站/用戶使用時，先發送其概略坐標給系統數據處理中心，系統數據處理中心根據這一概略坐標生成虛擬參考站觀測值，并回傳給流動站/用戶。流動站/用戶利用虛擬參考站數據和本身的觀測數據進行差分，從而得到高精度定位結果。VRS技術的優點在于只需增加一個數據接收設備，不需增加用戶設備的數據處理能力，接收機的兼容性比較好。此外，VRS技術要求雙向數據通訊，流動站既要接收數據，也要發送自己的定位結果和狀態，每個流動站和數據處理中心交換的數據都是唯一的，這就對系統數據處理和控制中心的數據處理能力和數據傳輸能力有很高的要求。

當前，我國正逐步建設和完善國內的地基高精度導航服務設施，以行業和地區為單位，積極開展以北斗為主的GNSS地基增強網的建設。初步形成了覆蓋國內主要地區和部分行業的北斗地基增強系統，北斗地基增強系統由北斗基準站系統、通信網絡系統、國家數據綜合處理系統與數據備份系統、行業數據處理系統、區域數據處理系統和位置服務運營平臺、數據播發系統、北斗/GNSS 增強用戶終端等分系統組成。該系統一般利用間距為50～300km的地面基準站，通過地面通信系統播發導航信號修正量和輔助定位信號，向用戶提供厘米級至亞米級的精密導航定位和大眾終端輔助增強服務。截止到2020年底，已建成基準站數量超過2500個，成為目前全球基站數量最多、覆蓋范圍最廣，穩定運行的地基增強系統。該系統具備在全國陸地范圍內，提供實時米級、分米級、厘米級、后處理毫米級高精度定位基本服務能力。能夠為測繪、地質、氣象、國土資源等行業提供專業的高精度位置服務。

在此基礎上，著眼于進一步發揮北斗衛星導航系統的時空基礎設施作用，國內相關部門采用市場化的運作方式，逐步建立了一個基于衛星定位、云計算和大數據技術的位置服務開放平臺——千尋位置平臺，該平臺通過北斗地基一張網的整合與建設，基于云計算和數據技術，構建位置服務云平臺開展北斗高精度增值服務商業運營，面向全國提供千尋跬步（米級）、知寸（厘米級）、見微（毫米級）等定制化的增強服務，以滿足國家、行業、大眾市場對精準位置服務的需求。

當前地基增強系統主要服務于地面應用，涵蓋測繪勘探、監測控制、駕考駕培、精準農業、航空航海等專業領域，以及交通導航、旅游、應急救援等大眾領域。通過接收地面基準站網提供的差分修正信號、達到提高衛星導航精度的目的，優化后的定位精度可以從毫米級至亞米級不等。地基增強的精度雖然很高，但覆蓋范圍卻有一定限制，定位目標必須處在通信信號覆蓋的范圍之內，但在通信信號難以覆蓋的高空、海上、沙漠和山區等地有可能形成服務盲區。

三、星基精密差分/增強技術

與地基增強系統不同，星基精密差分和增強技術是以衛星作為差分改正數據廣播傳輸的通信手段。星基增強系統通過地球靜止軌道衛星搭載衛星導航增強信號轉發器，可以向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現對原有衛星導航系統定位精度的改進。當前，在全球范圍內，星基增強系統的建設正在加速，美國、歐盟、俄羅斯、中國、澳大利亞、韓國、日本、印度，包括非洲一些國家都在建設星基增強服務。（參見圖1）

1、廣域增強系統（WAAS）

廣域增強系統（WAAS）是目前國際上最早建設的星基增強系統之一。由于早期GPS系統自身性能并不能完全滿足民用航空領域CAT-I級別的進近引導的實際需要。因此，聯邦航空局（FAA）在上世紀90年代發起了WAAS的建設計劃，目的是提供CAT-I類精密進近所要求的導航定位性能。WAAS為各種類型的飛行器在啟程、程中及到達的整個飛行過程中各個階段內提供服務。這其中還包括為在美國國家領空系統內所有合適場地內正常飛行氣象條件下的降落過程提供垂直方向上的指導。

WAAS系統由38個參考站，2個主控站和4個地面上行站組成，如圖2所示，兩個主控站位于FAA和斯坦福大學，負責GPS誤差改正信息和評估系統的完好性信息處理。

系統實時接收所有基準站采集到的GPS下行數據，在數據處理中心進行軌道、鐘差和電離層誤差估計，然后通過注入站將這些改正數注入地球同步靜止軌道衛星。這些衛星按照標準化的數據格式對相關差分改正數進行打包成幀并向地面用戶進行廣播，用戶采用自身導航定位終端，在接收到差分改正數的基礎上實現精密差分定位，從而提升自身定位精度。2003年7月10日WAAS信號開始正式服務于民航系統，覆蓋95%的美國領土。2008年FAA開展了WAAS系統在直升機方面的應用。2009年12月西雅圖地平線航空公司的一架從波特蘭開往西雅圖的航班首次使用了WAAS的LPV服務，該公司與FAA合作提供長期的數據以便論證WAAS系統在民航系統服務。WAAS系統改進了基本GPS信號的完好性，能夠更快速地探測出更小的錯誤信息。WAAS專門設有由聯邦航空局和斯坦福大學共同主持的WAAS完好性與性能小組，以指導WAAS完好性監測指標的研究與發展。當GPS系統由于系統誤差或其他因素的影響而不可用時，WASS會向用戶發出提示信息。另外，WAAS系統是按照最嚴格的安全標準進行設計的，就是當出現任何可能引起GPS位置估值錯誤的誤導性有害信息時，用戶能夠在6秒鐘內接收到由系統發布的提示性信息。

圖1 當前世界范圍內主要星基增強系統的基本情況

圖2 WAAS系統基本組成

WAAS系統是星基增強系統中的典型代表，其核心處理算法和流程是當前其它星基增強系統廣泛借鑒的核心技術。概括來說，其核心處理算法主要包括：1）衛星軌道和鐘差估計算法模塊。結合了精密的衛星動力學模型和一個平方根信息濾波器提供非常精確的衛星軌道和鐘差?？梢詫崿F完全自動化、實時的觀測數據處理從而進行定軌、定位計算。2）導航信號電離層延遲估計算法模塊。WAAS中的電離層延遲估計采用了一種格網電離層算法?；驹硎腔陔婋x層單層假設，以Klobuchar模型作為背景場，將固定格網點周圍一定范圍內所有的實際觀測值投影到格網點位置并取其加權平均。對于硬件延遲的處理，采用平方根信息濾波技術實時估計測站和衛星碼間偏差。

2、歐洲靜止衛星導航重疊服務系統（EGNOS）

歐洲靜止衛星導航重疊服務系統（EGNOS）由歐洲空間局和歐洲航空導航安全組織共同建立的，是服務于歐洲地區的衛星導航星基增強系統。與WAAS類似，該系統借鑒了其中的部分關鍵技術,通過對GPS和GLONASS系統的監測，以差分改正數和完好性信息服務的方式來改善用戶導航定位的完好性和精度。

EGNOS由3顆地球靜止軌道衛星（GEO）、地面站網和用戶設備組成。地面站網包括34個測距與完好性監測站（RIMS）、4個主控制中心（MCC）和6個地面導航信息注入站（NLES）。EGNOS系統通過設在地面的監測站（RIMS站），同時接收GPS和GLONASS觀測數據。將觀測數據送到主控制中心進行處理，得到廣域差分改正信息和完好性信息，并將其注入到GEO衛星向用戶廣播。用戶利用這些信息和本機接收到的數據進行差分定位，可計算出完好性告警信息。該系統的基本運行原理和服務范圍如圖3所示。

EGNOS系統在WAAS的基礎上，對于核心差分改正方法進行了一定的改進和升級，其廣播的格網點電離層延遲采用了歐洲的NeQuick模型進行估計，該模型采用DGR剖面公式描述了從90km到F2層的電離層范圍內的電子密度，從而更加精確的描述歐洲上空的電離層變化規律，給出適合于歐洲的導航信號電離層改正數。

2009年4月1日，EGNOS的所有權從歐空局（ESA）轉到了歐盟（EU）的歐洲委員會（EC）。2009年10月1日歐盟宣布EGNOS重新開始正常服務。與美國的WAAS僅為空中導航不同，EGNOS為航空、航海以及陸地運輸中的飛機、船舶、車輛等各種形式的交通工具提供導航信息。

3、印度的GPS輔助型近地軌道增強系統（GAGAN）

GPS 輔助型近地軌道增強系統（GAGAN）是印度部署的星基增強系統。2015年7月，印度正式對外發布了GAGAN系統服務。計劃為孟加拉灣、東南亞、印度洋、中東和非洲地區提供精準的導航服務。據報道，該系統歷經15年時間，耗資77.4億印度盧比（約1.23億美元），由印度空間研究組織（ISRO）和印度航空管理局（AAI）聯合開發，采用美國雷神公司（Raytheon）研發的SBAS技術，將為南盟成員國（SAARC）提供服務。

圖3 EGNOS系統基本運行原理和服務范圍

印度GAGAN系統的基礎設施包括15個參考站（站點分布情況如圖4所示）、3個上行注入站和1個任務控制中心組成的地面段，2個搭載GPS增強信號播發載荷的地球靜止軌道（GEO）衛星的空間段，以及相關的軟件和通信鏈路，可以通過播發C波段和L波段的導航增強信號，對GPS等衛星導航系統進行增強。該系統將為印度50多個機場提供服務。

目前，GAGAN的增強信號已經通過GSAT-8和GSAT-10兩顆GEO衛星搭載的增強載荷進行播發，覆蓋整個印度的飛行信息區及以外的區域。此外，即將發射的GSAT-15衛星也將搭載GAGAN載荷，作為該系統空間轉發器的備份。該衛星將定點于東經93.5度的地球靜止軌道，其中2個頻道專門用于印度GAGAN系統的定位、導航與授時服務。

4、準天頂衛星系統（QZSS）

QZSS是日本自主發展的區域導航系統，最初日本希望通過發展這一系統改善日本的衛星導航服務質量，逐步適應日本國土多山地形，信號遮擋嚴重等問題。因此QZSS既是一個星基增強系統，也包含了部分自主導航功能，即在GPS系統發生信號中斷時，仍能為日本提供基本的衛星導航能力。因此，該系統所使用的衛星數量由最初的3顆發展至4顆，最終發展至7顆，星座構型也從3顆傾斜地球同步衛星軌道（IGSO）衛星，逐步演變為3顆IGSO衛星+1顆GEO衛星，最終演變為5顆IGSO衛星+2顆GEO衛星。

2017年以來，日本逐步加快了該系統的建設過程，2018年3月完成了基本在軌測試工作。

QZSS系統由空間段、地面運行控制段和用戶段組成，空間段由2顆GEO衛星、5顆IGSO衛星組成。其中IGSO有著獨特的“8”字形軌道地跡特征，這也是這一系統得名的來源。（參見圖5）

圖4 GAGAN地面站點分布

QZSS系統的地面控制、跟蹤、監測站主要位于日本境內、班加羅爾、曼谷、堪培拉、夏威夷、關島等地，遍及其服務覆蓋區域。QZSS系統播發GPS增強和自主導航兩類導航信號，并在L1S和S頻段提供短信服務，其中GEO軌道衛星具有L1Sb的導航技術驗證信號與S頻段的短信服務能力。截止目前，QZSS系統共發射6路服務信號：L1 C/A、L1C、L2C、L5、L1 SAIF、LEX。需要指出的是，除米級定位精度的提升服務外，QZSS還在1278.75MHz這個頻點播發L-band Experiment信號，即LEX信號。該信號速率達到2000bps，而GPS信號的信息速率是50bps，L1 SAIF信號的信息速率是250bps，LEX信號能夠提供更多誤差校正信息，使得用戶的定位精度達到厘米級，可用于無人駕駛、測繪，精準農業等行業。同時，LEX信號頻點和歐洲GALILEO系統的E6頻點重合，也就是說，QZSS也能實現GALILEO系統的補充。除此之外，L1 SAIF信號還提供GPS等衛星健康狀況信息，在GPS衛星出現異常后及時通知用戶不要使用該異常衛星，以免得到錯誤的定位結果。

四、輔助GNSS系統（A-GNSS）

輔助-GNSS（A-GNSS或者A-GPS）是指利用移動通信網絡為用戶提供必要的輔助性信息，從而幫助用戶在高動態、低信噪比等惡劣環境下正確接收GNSS信號的過程。

A-GNSS技術對于衛星導航信號受到嚴重遮擋的城市環境非常有效，在城市環境下高樓林立，接收機接收到的信號會存在嚴重的多路徑效應，信號質量無法保證。A-GNSS就是通過提供導航衛星的歷書、星歷、頻率范圍、標準時間和近似位置等輔助信息，使GNSS接收機在接收導航信號之前就知道要接收的頻率范圍，然后輔助計算數據再提供用來解算GNSS用戶位置的衛星所在位置，可以減少初始定位時間、提高接收機靈敏度、減少接收機能量損耗、加快位置解算，提高定位精度、提高定位性能。

A-GNSS必須依托高性能的通信網絡。近年來，隨著現代移動通信網絡技術的發展，A-GNSS與4G、5G和現代物聯網等深度結合，形成了更多的應用空間?；?G的A-GNSS的基本原理就是將5G移動通訊技術與A-GNSS系統深度融合，讓兩者的定位和通訊功能互相取長補短，從而更加高效的獲取所需的位置信息。首先用戶的A-GNSS接收器終端向衛星服務器發送定位請求，使用基于5G的C-RAN網絡快速查詢可供使用的衛星信息，并將歷書、星歷、頻率范圍、標準時間和近似位置等輔助信息通過5G網絡迅速地傳輸給接收機。接收機再根據輔助數據和捕獲的衛星信號計算定位結果。千尋位置公司提供的千尋立見服務，能夠針對GPS、GLONASS和北斗系統提供全覆蓋的A-GNSS服務，同時能夠支持滿足“移動通訊網絡國際標準定位協議框架”（SUPL協議）的GNSS導航定位芯片?？梢哉f，A-GNSS是當前衛星導航技術與現代信息網絡技術結合的重要增長點之一。

圖5 IGSO衛星地跡

五、小結

近年來，隨著衛星導航領域的快速發展，衛星導航已經不僅僅滿足于最基本的導航、定位和授時服務，而是逐步向各專業行業和領域滲透，逐步孵化出了多種類型的新型高性能應用技術，從目前情況來看，這些新的應用技術主要集中在高精度、高可靠定位的層面。隨著現代信息技術的的不斷發展和經濟社會各個行業對時空信息基礎設施需求的不斷深化，衛星導航技術一定會與經濟社會中的不同門類加速碰撞，形成更多的新型應用。