国外卫星导航增强系统发展概览

●　文|北京空间科技信息研究所　　 赵爽

国外卫星导航增强系统发展概览

●文|北京空间科技信息研究所 赵爽

卫星导航增强系统是卫星导航系统建设中的一项重要内容，堪称卫星导航系统的“能力倍增器”。目前的卫星导航系统尽管已经在各个民商用领域应用广泛，并且成为各大军事强国军用发展所不可或缺的一环，但由于技术和系统的局限性，在某些领域如航空精密进近等仍无法满足需求，需要增强系统将其能力加以提升。

从目前全球卫星导航系统发展的大趋势看，从前的美国GPS系统“一家独大”，已经由于俄罗斯GLONASS、中国二代北斗（COMPASS）、欧洲伽利略的崛起，向着“四分天下”发展。甚至未来可能还会有印度、日本等国家的全球系统出现，那时全球GNSS将是“群雄逐鹿”的局面，系统间的竞争将愈加激烈。如何能够突破重围，在竞争中立于不败之地？本文认为系统服务性能将是制胜关键，而作为系统能力倍增器的增强系统将是实现这一能力的重中之重。

目前，国外卫星导航增强系统主要分为星基增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS）两大类。星基增强系统如美国的广域增强系统（WAAS）、俄罗斯的差分校正和监测系统（SDCM）等，地基增强系统如美国的局域增强系统（LAAS）等。这些系统综合使用了各种不同增强效果的导航增强技术，最终实现了其增强卫星导航服务性能的目的。从增强效果上看，这些增强系统所使用的卫星导航增强技术主要包括精度增强技术、完好性增强技术、连续性和可用性增强技术。其中，精度增强技术主要运用差分原理，进一步可分为广域差分技术、局域差分技术、广域精密定位技术和局域精密定位技术；完好性增强技术主要运用完好性监测原理，进一步可分为系统完好性监测技术、广域差分完好性监测技术等等。连续性和可用性增强技术主要是增加导航信号源，进一步可分为天基卫星增强技术、地基伪卫星增强技术等。当前卫星导航增强系统所采用的各种增强技术分类见表1。本文主要从星基增强系统和地基增强系统这一分类角度，对于目前国外卫星导航增强系统的发展情况进行简要介绍。

表1　当前卫星导航增强系统所采用的增强技术分类

一、星基增强系统及应用发展

星基增强系统（SBAS）通过地球静止轨道（GEO）卫星搭载卫星导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进，从而成为各航天大国竞相发展的手段。目前，全球已经建立起了多个SBAS系统，如美国的广域增强系统（WAAS）、俄罗斯的差分校正和监测系统（SDCM）、欧洲的欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）、日本的多功能卫星星基增强系统（MSAS）以及印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统（GAGAN）。

上述SBAS系统的工作原理大致相同。首先，由大量分布极广的差分站（位置已知）对导航卫星进行监测，获得原始定位数据（伪距、卫星播发的相位等）并送至中央处理设施（主控站），后者通过计算得到各卫星的各种定位修正信息，通过上行注入站发给GEO卫星，最后将修正信息播发给广大用户,从而达到提高定位精度的目的。

1.美国广域增强系统

广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）是由美国联邦航空局（FAA）开发建立的一个主要用于航空领域的导航增强系统，该系统通过GEO卫星播发GPS广域差分数据，从而提高全球定位系统的精度和可用性。

美国WAAS利用遍布北美和夏威夷的地面参考站（Wide-area Reference Station，WRS）采集GPS信号并传送给主控站（Wide-area Master Station，简称WMS）。WMS经过计算得出差分改正（Deviation Correction，DC）并将改正信息经地面上行注入站传送给WAAS系统的GEO卫星。最后由GEO卫星将信息播发给地球上的用户，这样用户就能够通过得到的改正信息精确计算自己的位置。

WAAS系统的发展分为4个阶段（图1）：第1阶段为初始运行能力阶段（IOC），其研发始于20世纪90年代，2003年7月10日完成，实现WAAS信号对95%的美国领土的覆盖，动态定位水平精度3～5m，垂直精度3～7m。第2阶段（2003—2008年）和第3阶段（2009—2013年）将实现WAAS系统对航空进场着陆能力的改善，通过WAAS实现飞机的LPV（垂直指引功能定位信标）和LPV-200能力，可以使飞机在不具备仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）的飞机场仍可实现类似于仪表着陆的高安全性着陆。而开通LPV-200认证的飞机能够使降落判决最小高度降低至200英尺，从而提高了跑道的可用性。第4阶段（2014—2028年），WAAS系统将增加L5频段信号，并实现L1和L5的双频跟踪能力。按照计划，此项能力将在2019年左右初步实现。

在WAAS建立之初，其空间段由两颗国际海事卫星Inmarsat-3 -F4 (西太平洋地区AOR)和Inmarsat-3-F3 (太平洋地区，POR)组成，两颗GEO卫星的轨道分别位于西经133°和西经107°。现在，这两颗卫星已经分别被另外两颗GEO卫星所取代，即国际通信卫星有限公司（Intelsat）的商业卫星Galaxy -15以及加拿大的通信卫星Anik –F-1R。此外，2010年末国际海事卫星Inmarsat-4 -F3成为了WAAS系统的第三颗GEO卫星，轨道为西经98°。

图1　WAAS发展阶段部署与GEO卫星时间表

2.俄罗斯差分校正和监测系统

自2002年起，俄罗斯联邦就开始着手研发建立GLONASS系统的卫星导航增强系统——差分校正和监测系统（SDCM）。SDCM将为GLONASS以及其他全球卫星导航系统提供性能强化，以满足所需的高精确度及可靠性。和其他的卫星导航增强系统类似，SDCM也是利用差分定位的原理，该系统主要由3部分组成：差分校准和监测站、中央处理设施以及用来中继差分校正信息的地球静止轨道卫星。

3.欧洲地球静止导航重叠服务

欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）是欧洲自主开发建设的星基导航增强系统，它通过增强GPS和GLONASS卫星导航系统的定位精度，来满足高安全用户的需求。它是欧洲GNSS计划的第一步，是欧洲开发的Galileo卫星导航系统计划的前奏。EGNOS系统是欧洲航天局（ESA）、欧盟（EU）和欧洲航空安全组织（Eurocontrol）联合规划的项目，欧空局全面负责EGNOS系统的技术设计和工程建设，欧盟负责国际合作，并且确保把各类用户对系统的要求融入到EGNOS系统的设计和实施中。欧洲航空安全组织设计民用航空需求，并且在系统测试中扮演主要角色。

EGNOS系统已经于2009年开始正式运行使用，并将至少工作20年以上。目前，EGNOS系统可以提供三种服务：①免费的公开服务，定位精度1m，已于2009 年10月开始服务；②生命安全服务，定位精度1m,已于2011年3月开始服务；③EGNOS数据访问服务，定位精度小于1m，已于2012年7月开始服务。

4.日本多功能卫星星基增强系统

日本的多功能卫星星基增强系统（MSAS），是基于2颗多功能卫星的GPS星基增强系统，主要目的是为日本航空提供通信与导航服务。系统覆盖范围为日本所有飞行服务区，也可以为亚太地区的机动用户播发气象数据信息。该项目由日本气象局和日本交通部于1996年开始实施。

MSAS的空间段由两颗多功能传输卫星（MTSat）组成，他们是日本发展的地球静止轨道气象和环境观测卫星——“向日葵”（Himawari）卫星的第二代。MTSat是日本国土交通省（MLIT）和日本气象厅共同出资发展的气象观测与GPS系统导航增强卫星。除了为日本气象厅提供气象服务外，还为日本民航局（JCAB）执行航空运输管理和导航服务。美国劳拉空间系统公司是MTSat-1/1R卫星的主承包商，日本三菱电机公司是MTSat-2卫星的主承包商。截至目前，在轨运行的卫星包括MTSat-1R和MTSat-2，分别位于东经140°和145°上，采用Ku频段和L频段两个载波，其中Ku频段主要用于播发气象数据，L频段频率与GPS L1频段相同，主要用于导航服务。

MSAS系统的地面段包括：2个主控站分别位于神户和常陆太田，4个地面监测站（GMS）分别位于福冈、札幌、东京和那霸，2个监测测距站（MRS）分别位于夏威夷和澳大利亚。

5.印度GPS辅助静地轨道增强导航系统

印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统（GAGAN）是由印度空间组织（ISRO）和印度航空管理局（AAI）联合组织开发。

GAGAN系统的空间段由3颗位于印度洋上空的GEO卫星构成，采用C频段和L频段，其中C频段主要用于测控，L频段与GPS的L1（1575.42MHz）和L5 （1176.45MHz）频率完全相同，用于播发导航信息，并可与GPS兼容和互操作。空间信号覆盖整个印度大陆，能为用户提供GPS信号和差分修正信息，用于改善印度机场和航空应用的GPS定位精度和可靠性。

按计划，GAGAN空间段的3颗GEO卫星分别为“地球静止卫星”（Geosynchronous Satellite，GSAT）系列的GSAT-8、GSAT-10以及GSAT-15。“地球静止卫星”是印度自主发展的静止轨道通信卫星系列，是印度国家卫星系统两大系列之一，由印度空间研究组织研制，并计划采用印度自己的“地球同步卫星运载火箭”（GSLV）发射。目前，GAGAN系统空间段计划使用的3颗GEO卫星已经发射了两颗：第一颗搭载GAGAN载荷的卫星GSAT-8于2011年5月发射，目前正工作在东经55˚的轨道上；第二颗搭载GAGAN载荷的卫星GSAT-10于2012年9月28日发射，目前正工作在东经83度的轨道上；最后一颗GSAT-15计划于2015年发射。

二、地面增强系统及应用发展

1.局域增强系统发展分两步走，提供精密进场能力

局域增强系统（Local Area Augmentation System，LAAS）是一种能够在局部区域内提供高精度GPS定位的导航增强系统。其原理与广域增强系统（WAAS）类似，只是用地面的基准站代替了WAAS中的GEO卫星，通过这些基准站向用户发送测距信号和差分改正信息，从而实现飞机的精密进场。图2为LAAS示意图。

图2　局域增强系统（LAAS）示意图

精密进场是飞机飞行过程中最为关键的阶段，根据要求的不同，精密进场可分为三个级别：CAT I、CAT II 和CAT III。

WAAS只能满足CAT I类精密进场的性能要求，对于难度更大、性能要求更加严格的CAT II和CAT III类精密进场，必须采用LAAS方式。尽管和WAAS相比，LAAS服务区域有限（约为30～50km），但是却更够提供比WAAS更高的定位精度，它利用地面信号发射器广播差分修正信息，具有为飞机提供全天候、满足各类精密进场与着陆要求的导航服务的潜力。

美国联邦航空委员会（FAA）计划采用两阶段来开发LAAS系统：在第一阶段，研制可提供CAT I精密进场服务的LAAS地面站和机载航空电子设备。到第二阶段，开发具有II、III类能力的LAAS。目前，第一阶段的研制发展已经比较成熟，并于2011年和2012年在纽瓦克和休斯顿两市开展LAAS站的CAT I设施建设和运行认证。针对第二阶段，FAA首先基于现有成熟技术研发LAAS单频CAT III，然后根据双导航频率的GPS星座进展情况，适时开展LAAS双频CAT III研究，以提高可用性。CAT III的LAAS地面和机载系统的开发都已经进入原型样机阶段。

2.NDGPS正在开发更高的局域高精度定位

NDGPS是由联邦铁路管理局、美国海岸警卫队和联邦公路管理局经营和维护的地面增强系统，它为地面和水面的用户提供更精确和完全的GPS。现代化的工作包括正在开发的高精度NDGPS系统（HA-NDGPS），用来加强性能使整个覆盖范围内的精确度达到10～15cm。NDGPS是按照国际标准建造，世界上五十多个国家已经采用了类似的标准。

3.IGS全球覆盖为科学研究提供支持

国际GNSS服务组织（The International GNSS Service），简称IGS，前身为国际GPS服务组织。IGS提供的高质量数据和产品被用于地球科学研究等多个领域。

IGS组织由卫星跟踪站、数据中心、分析处理中心等组成，它能够在网上几乎实时地提供高精度的GPS数据和其他数据产品，以满足广泛的科学研究及工程领域的需要。

IGS的主要任务：为全球卫星定位系统（GNSS）提供高精度的标准数据和产品，以支持地球科学研究、多学科应用和教育。这些活动的目的是为了提高对地球构造及其相互关系的科学认知水平，同时也是为了方便其他有利于社会的相关应用。为完成使命，IGS下设有若干机构：一个由超过350个连续运行双频GPS观测站构成的全球网络；超过12个的区域性数据中心；3个全球数据中心；7个分析中心和数个相互联系的活动区域性的分析中心。该组织的总部位于喷气推进实验室，它包括中央局信息系统，通过该系统能够获取IGS产品和信息。

4.连续运行参考站大范围推广

连续运行参考站系统（CORS）是一种广泛使用的地基增强手段。其原理是在同一批测量的GPS点中选出一些点位可靠，对整个测区具有控制意义的测量站，采取较长时间的连续跟踪观测，通过这些站点组成的网络解算，获取覆盖该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参数，用于测区内其他基线观测值的精密解算。

CORS站很好地解决了长距离、大规模的厘米级高精度实时定位的问题，CORS在测量中扩大了覆盖范围、降低了作业成本、提高了定位精度和减少了用户定位的初始化时间。

CORS是目前国内乃至全世界GPS的最新技术和发展趋势，发达国家基本上每几十公里就有一个站。发展中国家也在陆续地建立起CORS。截至2014年，全球CORS地面站数量超过了1900个，服务于全球超过200家组织与机构。

参考文献

[1]Tale Sundlisaeter,etal. GNSS and SBAS system of systems: Conciderations for applications in the arctic. IAC 2012.October 1, 2012 - October 5, 2012.

[2]Sergey Revnivykh. GLONASS Status and Modernization.ICG-7. Beijing,4-9 November, 2012.

[3]Grigory STUPAK. SDCM status and plans ,ICG-7 . Beijing, China,4–9 November,2012.

[4]Dominic HAYES. Status of Galileo and EGNOS. ICG-7. Beijing, China,4–9 November,2012.

[5]Office of National Space Policy, Cabinet Office, Government of Japan. Quasi-Zenith Satellite System.,ICG-7.Beijing,China,4–9 November, 2012.

[6]Zhao Ya Hong,Gao Hai Feng. Analysis and research of single base station CORS precision. ICCAHE.2013 July 27,2013 - July 28, 2013.

[7]Shen Lili,Wang Lei, Wu Mengqi, etal. The design and realization of online land patrol system based on CORS. CSNC 2013. May 13,2013 - May 17,2013.

[8]Ahmad Abbas Al-Ameen Salih, Fawaz Mohammed Jumaah, Amzari Zhahir, etal. The development of GPS navigation systems in civil aircraft. ICMAE 2013.July 20,2013 - July 21,2013.

[9]Gregory W.Johnson,Christian Oates,Mark Wiggins, etal..USCG NDGPS accuracy and spatial decorrelation assessment.ION GNSS 2012. September 17,2012 - September 21,2012.