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高性能衛(wèi)星導(dǎo)航定位

應(yīng)用模式與技術(shù)淺析

文 | 電鏡之鷹

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS (Global Navigation Satellite System) 是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱。包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗系統(tǒng)（BDS）和歐盟的GALILEO系統(tǒng)。從目前各系統(tǒng)的發(fā)展情況來看，GNSS系統(tǒng)可以采用單頻偽距定位的方式偽用戶提供米級定位服務(wù)并能夠滿足多數(shù)一般性用戶的定位需要。

但應(yīng)當(dāng)看到的是，對于測繪、測量、災(zāi)害應(yīng)急、國土資源、民用航空等行業(yè)的用戶和應(yīng)用來說，單純的北斗GNSS定位還存在著精度不足、可靠性、連續(xù)性不夠，缺乏導(dǎo)航完好性保障等多種類型的問題，難以滿足上述行業(yè)或場景對高性能導(dǎo)航定位的要求，為此，部分高性能導(dǎo)航定位應(yīng)用技術(shù)應(yīng)運而生。

衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)是在一定地理范圍內(nèi)提供高精度差分定位服務(wù)的重要技術(shù)手段。它基于連續(xù)運行參考站（CORS）技術(shù)，通過在一定區(qū)域內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的地面參考站對衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行長期連續(xù)觀測，并采用觀測數(shù)據(jù)對衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行誤差建模和修正，生成高精度差分改正數(shù)并播發(fā)給區(qū)域內(nèi)的相關(guān)用戶，從而輔助用戶實現(xiàn)高精度差分定位。由于地基增強(qiáng)系統(tǒng)采用雙多頻的載波相位觀測量，并且具有較大服務(wù)覆蓋范圍（一般為省級或市級），從而能夠提供更加精準(zhǔn)的導(dǎo)航定位服務(wù)。

一般的，地基增強(qiáng)系統(tǒng)一般包括基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理與服務(wù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和用戶終端等部分。其中：

當(dāng)前，我國正逐步建設(shè)和完善國內(nèi)的地基高精度導(dǎo)航服務(wù)設(shè)施，以行業(yè)和地區(qū)為單位，積極開展以北斗為主的GNSS地基增強(qiáng)網(wǎng)的建設(shè)。初步形成了覆蓋國內(nèi)主要地區(qū)和部分行業(yè)的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)由北斗基準(zhǔn)站系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、國家數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、行業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、區(qū)域數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和位置服務(wù)運營平臺、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、北斗/GNSS 增強(qiáng)用戶終端等分系統(tǒng)組成。

該系統(tǒng)一般利用間距為 50~300 km的地面基準(zhǔn)站，通過地面通信系統(tǒng)播發(fā)導(dǎo)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(dǎo)航定位和大眾終端輔助增強(qiáng)服務(wù)。截止到2018年底，已建成基準(zhǔn)站數(shù)量超過 2200個，成為目前全球基站數(shù)量最多、覆蓋范圍最廣，穩(wěn)定運行的地基增強(qiáng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備在全國陸地范圍內(nèi)，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(wù)能力。能夠支撐測繪、地質(zhì)、氣象、國土資源等行業(yè)提供專業(yè)的高精度位置服務(wù)。

當(dāng)前地基增強(qiáng)系統(tǒng)主要服務(wù)于地面應(yīng)用，涵蓋測繪勘探、監(jiān)測控制、駕考駕培、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、航空航海等專業(yè)領(lǐng)域，及交通導(dǎo)航、旅游、應(yīng)急救援等大眾領(lǐng)域。通過接收地面基準(zhǔn)站網(wǎng)提供的差分修正信號、達(dá)到提高衛(wèi)星導(dǎo)航精度的目的，優(yōu)化后的定位精度可以從毫米級至亞米級不等。地基增強(qiáng)的精度雖然很高，但覆蓋范圍卻有一定限制。定位目標(biāo)必須處在通信信號覆蓋的范圍之內(nèi)，但在通信信號難以覆蓋的高空、海上、沙漠和山區(qū)等地有可能形成服務(wù)盲區(qū)。

與地基增強(qiáng)系統(tǒng)不同，星基精密差分和增強(qiáng)技術(shù)是以衛(wèi)星作為差分改正數(shù)據(jù)廣播傳輸?shù)耐ㄐ攀侄?。星基增?qiáng)系統(tǒng)通過地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)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(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)。當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)，星基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)正在加速，美國、歐盟、俄羅斯、中國、澳大利亞、韓國、日本、印度，甚至非洲國家都在建設(shè)星基增強(qiáng)服務(wù)。

圖1 當(dāng)前世界范圍內(nèi)主要星基增強(qiáng)系統(tǒng)的基本情況

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）是目前國際上最早建設(shè)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)之一。由于早期GPS系統(tǒng)自身性能并不能完全滿足民用航空領(lǐng)域CAT-I級別的進(jìn)近引導(dǎo)的實際需要。因此，聯(lián)邦航空局（FAA）在上世紀(jì)90年底起發(fā)起了WAAS的建設(shè)計劃，目的是提供CAT-I類精密進(jìn)近所要求的導(dǎo)航定位性能。WAAS為各種類型的飛行器在啟程、程中及到達(dá)的整個飛行過程中各個階段內(nèi)提供服務(wù)。這其中還包括為在美國國家領(lǐng)空系統(tǒng)內(nèi)所有合適場地內(nèi)正常飛行氣象條件下的降落過程提供垂直方向上的指導(dǎo)。

WAAS系統(tǒng)包括38個參考站，2個主控站和4個地面上行站組成，如下圖所示，兩個主控站位于FAA和斯坦福大學(xué)，負(fù)責(zé)GPS誤差改正信息和評估系統(tǒng)的完好性信息處理。

圖2 WAAS系統(tǒng)基本組成

系統(tǒng)實時接收所有基準(zhǔn)站采集到的GPS下行數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)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(shù)注入地球同步靜止軌道衛(wèi)星。這些衛(wèi)星按照標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式對相關(guān)差分改正數(shù)進(jìn)行打包成幀并向地面用戶進(jìn)行廣播，用戶采用自身導(dǎo)航定位終端，在接收到差分改正數(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)精密差分定位，從而提升自身定位精度。2003年07月10日WAAS信號開始正式服務(wù)于民航系統(tǒng)，覆蓋95%的美國領(lǐng)土。2008年FAA開展了WAAS系統(tǒng)在直升機(jī)方面的應(yīng)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(wù)，該公司將與FAA合作提供長期的數(shù)據(jù)以便論證WAAS系統(tǒng)在民航系統(tǒng)服務(wù)。

WAAS系統(tǒng)改進(jìn)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(shè)有由聯(lián)邦航空局和斯坦福大學(xué)共同主持的WAAS完好性與性能小組，以指導(dǎo)WAAS完好性監(jiān)測指標(biāo)的研究與發(fā)展。當(dāng)GPS系統(tǒng)由于系統(tǒng)誤差或其他因素的影響而不可用時，WASS會向用戶發(fā)出提示信息，另外，WAAS系統(tǒng)是按照最嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計的，那就是當(dāng)出現(xiàn)任何可能引起GPS位置估值錯誤的誤導(dǎo)性有害信息時，用戶能夠在6秒鐘之內(nèi)接收到由系統(tǒng)發(fā)布的提示性信息。

WAAS系統(tǒng)是星基增強(qiáng)系統(tǒng)中的典型代表，其核心處理算法和流程是當(dāng)前其它星基增強(qiáng)系統(tǒng)所廣泛借鑒的核心技術(shù)。概況來說，其核心處理算法主要包括：

1）衛(wèi)星軌道和鐘差估計算法模塊。

結(jié)合了精密的衛(wèi)星動力學(xué)模型和一個平方根信息濾波器提供非常精確的衛(wèi)星軌道和鐘差。可以實現(xiàn)完全自動化、實時的觀測數(shù)據(jù)處理從而進(jìn)行定軌、定位計算。

2）導(dǎo)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(wǎng)電離層算法?；驹硎腔陔婋x層單層假設(shè)，以Klobuchar模型作為背景場，將固定格網(wǎng)點周圍一定范圍內(nèi)所有的實際觀測值投影到格網(wǎng)點位置并取其加權(quán)平均。對于硬件延遲的處理，采用平方根信息濾波技術(shù)實時估計測站和衛(wèi)星碼間偏差。

歐洲靜止衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)（EGNOS）由歐洲空間局和歐洲航空導(dǎo)航安全組織共同建立的，服務(wù)于歐洲地區(qū)的衛(wèi)星導(dǎo)航星基增強(qiáng)系統(tǒng)。與WAAS類似，該系統(tǒng)借鑒了其中的部分關(guān)鍵技術(shù), 通過對GPS 和GLONASS 系統(tǒng)的監(jiān)測,以差分改正數(shù)和完好性信息服務(wù)的方式來改善用戶導(dǎo)航定位的完好性和精度。

EGNOS 由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星( GEO) 、地面站網(wǎng)和用戶設(shè)備組成。地面站網(wǎng)包括34個測距與完好性監(jiān)測站(RIMS) 、4個主控制中心(MCC) 和6個地面導(dǎo)航信息注入站(NLES)。EGNOS系統(tǒng)通過設(shè)在地面的監(jiān)測站(RIMS站) ,同時接收GPS 和GLONASS 觀測數(shù)據(jù)。將觀測數(shù)據(jù)送到主控制中心進(jìn)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(wèi)星向用戶廣播。用戶利用這些信息和本機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位,可計算出完好性告警信息。該系統(tǒng)的基本運行原理和服務(wù)范圍如下所示：

圖3 EGNOS系統(tǒng)基本運行原理和服務(wù)范圍

EGNOS系統(tǒng)在WAAS的基礎(chǔ)上，對于核心差分改正方法有進(jìn)行了一定的改進(jìn)和升級，其廣播的格網(wǎng)點電離層延遲采用了歐洲的NeQuick模型進(jìn)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(nèi)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(guī)律，給出適合于歐洲的導(dǎo)航信號電離層改正數(shù)。

2009年4月1日，EGNOS的所有權(quán)從歐空局（ESA）轉(zhuǎn)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(wù)。與美國的WAAS僅為空中導(dǎo)航不同，EGNOS為航空、航海以及陸地運輸中的飛機(jī)、船舶、車輛等各種形式的交通工具提供導(dǎo)航信息。

GPS輔助型近地軌道增強(qiáng)系統(tǒng)（GAGAN）是印度部署的星基增強(qiáng)系統(tǒng)。2015年7月，印度正式對外發(fā)布了GAGAN系統(tǒng)服務(wù)。計劃為孟加拉灣、東南亞、印度洋、中東和非洲地區(qū)提供精準(zhǔn)的導(dǎo)航服務(wù)。據(jù)報道，該系統(tǒng)歷經(jīng)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(lián)合開發(fā)，采用美國雷神公司（Raytheon）研發(fā)的SBAS技術(shù)，將為南盟成員國（SAARC）提供服務(wù)。

印度GAGAN系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施包括15個參考站（站點分布情況如下圖所示）、3個上行注入站和1個任務(wù)控制中心組成的地面段，2個搭載GPS增強(qiáng)信號播發(fā)載荷的地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星的空間段，以及相關(guān)的軟件和通信鏈路，可以通過播發(fā)C波段和L波段的導(dǎo)航增強(qiáng)信號，對GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)。該系統(tǒng)將為印度50多個機(jī)場提供服務(wù)。

目前，GAGAN的增強(qiáng)信號已經(jīng)通過GSAT-8和GSAT-10兩顆GEO衛(wèi)星搭載的增強(qiáng)載荷進(jìn)行播發(fā)，覆蓋整個印度的飛行信息區(qū)及以外的區(qū)域。此外，即將發(fā)射的GSAT-15衛(wèi)星也將搭載GAGAN載荷，作為該系統(tǒng)空間轉(zhuǎn)發(fā)器的備份。該衛(wèi)星將定點于東經(jīng)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(tǒng)的定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)。

QZSS是日本自主發(fā)展的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，最初日本希望通過發(fā)展這一系統(tǒng)改善日本的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)質(zhì)量，逐步適應(yīng)日本國土多山地形，信號遮擋嚴(yán)重等問題。因此QZSS既是一個星基增強(qiáng)系統(tǒng)，也包含了部分自主導(dǎo)航功能，即在GPS系統(tǒng)發(fā)生信號中斷時，仍能為日本提供基本的衛(wèi)星導(dǎo)航能力。因此，該系統(tǒng)所使用的衛(wèi)星數(shù)量由最初的3顆發(fā)展至4顆，最終發(fā)展至7顆，星座構(gòu)型也從3顆傾斜地球同步衛(wèi)星軌道(IGSO)衛(wèi)星，逐步演變?yōu)?顆IGSO衛(wèi)星+1顆GEO衛(wèi)星，最終演變?yōu)?顆IGSO衛(wèi)星+2顆GEO衛(wèi)星。

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

QZSS系統(tǒng)由空間段、地面運行控制段和用戶段組成，其中空間段由2顆部署在GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星組成。其中IGSO有著獨特的8字形的，位于日本上空的地跡，這也是這一系統(tǒng)得名的來源。

圖5 IGSO衛(wèi)星地跡

QZSS系統(tǒng)的地面控制、跟蹤、監(jiān)測站主要位于日本境內(nèi)、班加羅爾、曼谷、堪培拉、夏威夷、關(guān)島等地，遍及其服務(wù)覆蓋區(qū)域。

QZSS系統(tǒng)播發(fā)GPS增強(qiáng)和自主導(dǎo)航兩類導(dǎo)航信號，并在L1S和S頻段提供短信服務(wù)，其中GEO軌道衛(wèi)星具有L1Sb的導(dǎo)航技術(shù)驗證信號與S頻段的短信服務(wù)能力。截至目前，QZSS系統(tǒng)共發(fā)射6路服務(wù)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(wù)外，QZSS還在1278.75MHz這個頻點播發(fā)L-band Experiment信號，即LEX信號。該信號速率達(dá)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(dá)到厘米級，可用于無人駕駛、測繪，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等行業(yè)。同時，LEX信號頻點和歐洲Galileo系統(tǒng)的E6頻點重合，也就是說，等到Galileo系統(tǒng)正式提供服務(wù)，QZSS也能實現(xiàn)Galileo系統(tǒng)的補(bǔ)充。

除此之外，L1 SAIF信號還提供GPS等衛(wèi)星健康狀況信息，在GPS衛(wèi)星出現(xiàn)異常后及時通知用戶不要使用該異常衛(wèi)星，以免得到錯誤的定位結(jié)果

輔助-GNSS（A-GNSS或者A-GPS）是指利用移動通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供必要的輔助性信息，從而幫助用戶在高動態(tài)、低信噪比等惡劣環(huán)境下正確接收GNSS信號的過程。其中的輔助性信息一般包括導(dǎo)航衛(wèi)星的歷書、星歷、頻率范圍、標(biāo)準(zhǔn)時間和近似位置等。A-GNSS通過提供輔助信息，使用戶使用的GNSS接收機(jī)在捕獲信號之前可以大致了解所需捕獲的信號碼相位和多普勒頻移的大致范圍，從而有針對性地壓縮接收機(jī)搜索頻帶，降低噪聲帶寬，增加信號能量的累積時間，增加用戶接收機(jī)的靈敏度，縮短用戶的首次定位時間。

A-GNSS技術(shù)對于衛(wèi)星導(dǎo)航信號受到嚴(yán)重遮擋的城市環(huán)境非常有效，在城市環(huán)境下高樓林立，接收機(jī)接收到的信號會存在嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)，信號質(zhì)量無法保證。A-GNSS 就是通過提供導(dǎo)航衛(wèi)星的歷書、星歷、頻率范圍、標(biāo)準(zhǔn)時間和近似位置等輔助信息，使 GNSS 接收機(jī)在接收之前就知道要接收的頻率范圍，然后輔助計算數(shù)據(jù)再提供用來解算 GNSS 用戶位置的衛(wèi)星所在位置，可以減少初始定位時間、提高接收機(jī)靈敏度、減少接收機(jī)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(wǎng)絡(luò)。近年來，隨著現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，A-GNSS與4G、5G和現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)等深度結(jié)合，形成了更多的應(yīng)用空間?；?G的A-GNSS的基本原理就是將 5G 移動通訊技術(shù)與 A-GNSS 系統(tǒng)深度融合，讓兩者的定位和通訊功能互相取長補(bǔ)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(wèi)星服務(wù)器發(fā)送定位請求，使用基于 5G 的 C-RAN 網(wǎng)絡(luò)快速查詢可供使用的衛(wèi)星信息，并將歷書、星歷、頻率范圍、標(biāo)準(zhǔn)時間和近似位置等輔助信息通過 5G 網(wǎng)絡(luò)迅速地傳輸給接收機(jī)。接收機(jī)再根據(jù)輔助數(shù)據(jù)和捕獲的衛(wèi)星信號計算定位結(jié)果。千尋位置公司提供的千尋立見服務(wù)，能夠針對GPS、GLONASS和北斗系統(tǒng)提供全覆蓋的A-GNSS服務(wù)，同時能夠支持滿足“移動通訊網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)定位協(xié)議框架”（SUPL協(xié)議）的GNSS導(dǎo)航定位芯片。可以說，A-GNSS是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的重要增長點之一。

近年來，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)不僅僅滿足于最基本的導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)，而是逐步向各專業(yè)行業(yè)和領(lǐng)域滲透，逐步孵化出了多種類型的新型高性能應(yīng)用技術(shù)，從目前情況來看，這些新的應(yīng)用技術(shù)主要集中在高精度、高可靠定位的層面。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會的各個行業(yè)對時空信息基礎(chǔ)設(shè)施需求的不斷深化，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)一定會與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的不同門類加速碰撞，形成更多的新型應(yīng)用。