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建設北斗星基增強系統(tǒng)精準服務“一帶一路”

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星基增強系統(tǒng)作為重要的導航基礎設施，通過在導航頻點播發(fā)類導航系統(tǒng)信號為相關國家及地區(qū)提供覆蓋范圍廣、精度高的導航位置服務。“一帶一路”戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，對北斗高精度導航應用提出了強烈需求，建設北斗星基增強系統(tǒng)既是全面服務“一帶一路”國家整體戰(zhàn)略規(guī)劃的需求，也是北斗國際化發(fā)展的內(nèi)在需求。本文分析星基增強系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，提出基于北斗/GPS建設星基增強系統(tǒng)的構(gòu)想。

衛(wèi)星導航；星基增強系統(tǒng)；北斗；一帶一路

1 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）在國民經(jīng)濟和社會生活中發(fā)揮著越來越大的作用，能夠為交通運輸、氣象、資源開采、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安等行業(yè)提供高效的導航定位服務，但由于單一衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度受限，無法滿足航空、能源開采、智慧交通、測繪等行業(yè)對高精度定位的需求。

為提高GNSS定位精度、完好性和可用性，越來越多的國家投入建設GNSS星基增強系統(tǒng)，利用地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）播發(fā)軌道、鐘差、電離層改正數(shù)及完好性信息，提高GNSS的定位精度和完好性，從而提高GNSS的服務質(zhì)量，滿足用戶需要。最早的星基增強系統(tǒng)是由美國聯(lián)邦航空局與美國運輸部于1994年聯(lián)合提出建設的WAAS（Wide Area Augmentation System）系統(tǒng)，該系統(tǒng)在GPS廣域差分技術的基礎上發(fā)展而來，用于增強GPS導航性能，為民航飛行及其著陸階段飛行提供精確的導航信息。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，目前已覆蓋亞太地區(qū)。國家“一帶一路”戰(zhàn)略規(guī)劃的實施，對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際化發(fā)展與應用帶來前所未有的機遇?！耙粠б宦贰毖鼐€國家及地區(qū)互聯(lián)互通建設對北斗導航定位應用特別是高精度、高可靠性應用提出了強烈需求，建設基于地球同步軌道衛(wèi)星的北斗/GPS星基增強系統(tǒng)，快速實現(xiàn)大范圍北斗高精度差分和完好性服務覆蓋，全面服務“一帶一路”國家整體戰(zhàn)略規(guī)劃與建設成為北斗國際化發(fā)展的內(nèi)在需求。

2 星基增強系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

星基增強系統(tǒng)的典型代表是美國的WAAS（Wide Area Augmentation System）系統(tǒng)、歐洲的靜止衛(wèi)星導航重疊服務系統(tǒng)（European Geostationary Navigation Overlay Service ，EGNOS）、日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)（Multi-functional Satellite Augmentation System ，MSAS）、印度的GPS 輔助型對地靜止軌道擴增導航系統(tǒng)（GPS Aided Geo Augmented Navigation ，GAGAN）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系 統(tǒng) SDCM（System of Differential Correction and Monitoring）等，這種系統(tǒng)特點是通過通信衛(wèi)星播發(fā)類GPS信號為民眾提供公開服務。

2.1 美國WAAS

美國WAAS系統(tǒng)由美國聯(lián)邦航空局主導，由空間段、地面控制段及用戶段組成，如圖1所示?？臻g段由3顆GEO衛(wèi)星組成，每個GEO衛(wèi)星發(fā)射信號的頻點、調(diào)制方式與GPS衛(wèi)星完成相同。地面段由3個廣域主站、38個參考站及4個地面上注站組成。WAAS系統(tǒng)使用GEO衛(wèi)星向GNSS用戶提供播發(fā)GNSS完好性信息、GNSS改正數(shù)信息，并作為GEO衛(wèi)星提供測距信號，增強GNSS系統(tǒng)。WAAS GEO衛(wèi)星信號格式與GPS L1信號采用同樣地頻率，調(diào)制模式，偽碼PRN生成。

圖1 WAAS系統(tǒng)構(gòu)成

WAAS系統(tǒng)主要功能是：采集GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)；確定GPS信號電離層延遲、GPS衛(wèi)星軌道校正參數(shù)、GPS衛(wèi)星鐘校正參數(shù)；監(jiān)測GPS衛(wèi)星完好性；完成數(shù)據(jù)獨立驗證；提供WAAS廣播數(shù)據(jù)和測距信號；完成WAAS系統(tǒng)維護與操作。WAAS具備以下性能：水平、垂直定位精度優(yōu)于2米（95%）；完好性告警時間8秒。

2.2 歐洲EGNOS

EGNOS是由歐空局主導建設的廣域差分完好性SBAS系統(tǒng)，覆蓋歐盟地區(qū)，并計劃向非洲地區(qū)拓展，主要包括34個帶RAIM功能的監(jiān)測基準站，3顆GEO衛(wèi)星，7個地面上行站，4個運行控制中心，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

EGNOS通過GEO衛(wèi)星播發(fā)測距增強信號、完備性信號、衛(wèi)星軌道參數(shù)和鐘差改正信號以及GPS偽距電離層改正信號提供增強服務。EGNOS具備以下性能：覆蓋區(qū)內(nèi)水平定位精度優(yōu)于2米，高程優(yōu)于3米；完好性告警時間6秒。

圖2 EGNOS系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 日本MSAS

MSAS是日本的多功能GPS衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)，主要目的是為日本航空提供通信與導航服務覆蓋范圍為日本所有飛行服務區(qū)?？臻g段由兩顆多功能傳輸衛(wèi)星（MTSat）組成，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，系統(tǒng)構(gòu)成如圖 3所示。

圖3 MSAS系統(tǒng)構(gòu)成

2.4 印度GAGAN

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)的，系統(tǒng)建設的目的是在印度提供滿足民用和航空應用的精度和完好性要求的星基增強服務，覆蓋范圍為印度及其周邊地區(qū)。GAGAN系統(tǒng)的空間段由三顆位于印度洋上空的GEO衛(wèi)星構(gòu)成，地面段包括2個主控站、15個地面參考站以及2個上行注入站組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖 6所示。

圖4 GAGAN系統(tǒng)構(gòu)成

2.5 俄羅斯SDCM

SDCM是由俄羅斯建設的，是用于監(jiān)測GPS和GLONASS并提供差分服務的星基增強系統(tǒng)，SDCM同時對GPS和GLONASS進行完好性監(jiān)測，目前覆蓋范圍為俄羅斯聯(lián)邦地區(qū)并計劃全球進行拓展。其空間段當前由三顆GEO衛(wèi)星組成，地面段由24個基準站，1個主控中心組成。目前SDCM已建設了25個監(jiān)測站，其中19個位于國內(nèi)，6個位于海外（含南極3個），利用這些監(jiān)測站，可將GLONASS水平和垂直定位精度分別從8.8米、13.2米提高到0.98米、1.7米。未來，俄羅斯計劃在2020年前，在世界范圍內(nèi)建成82 個SDCM監(jiān)測站，其中國內(nèi)29個，海外53個。按照俄在導航領域最新發(fā)展計劃，在2018年之前，俄將在全球范圍內(nèi)部署建設57個SDCM站。

圖5 SDCM系統(tǒng)構(gòu)成

2.6 小結(jié)

從目前全球星基導航系統(tǒng)建設情況及分布來看，星基增強系統(tǒng)作為重要的導航基礎設施，受到世界各國的青睞，星基導航增強系統(tǒng)通過在導航頻點播發(fā)類導航系統(tǒng)信號提供免費公開服務，接收機不需要做額外硬件配置僅需簡單固件升級即可接收增強信號，即可為相關國家及區(qū)域提供高精度導航位置服務。另外，建設星基增強系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)導航性能大幅提升同時通過政府間合作可獲取全球多個地區(qū)的導航觀測數(shù)據(jù)，為導航系統(tǒng)良好運行提供保障。

圖6 星基增強系統(tǒng)組成

3 北斗/GPS星基增強系統(tǒng)建設構(gòu)想

3.1 系統(tǒng)組成

北斗/GPS星基增強系統(tǒng)主要由地面參考站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、地面上行站、空間段以及用戶終端組成。

地面參考站網(wǎng)由一定數(shù)目的監(jiān)測站及控制中心組成，監(jiān)測站對北斗/GPS導航衛(wèi)星進行實時的數(shù)據(jù)接收，獲取觀測數(shù)據(jù)發(fā)送控制中心，控制中心匯總地面參考站網(wǎng)中所有監(jiān)測站的實時數(shù)據(jù)、非實時數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及監(jiān)測站坐標并對外發(fā)布FTP服務（控制中心根據(jù)運營服務需要需至少進行1：1備份建設）。地面參考站網(wǎng)建設應以覆蓋“一帶一路”經(jīng)濟帶為主要目標進行建設，并充分利用IGS-MGEX/國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（iGMAS）等公共基礎參考站資源實現(xiàn)原始觀測數(shù)據(jù)的采集，為廣域增強信息處理提供數(shù)據(jù)基礎。

數(shù)據(jù)處理中心是整個星基增強系統(tǒng)的核心，負責完成數(shù)據(jù)接收、北斗/GPS精密軌道確定、北斗/GPS精密鐘差確定、區(qū)域電離層建模、增強信息生成，另外作為星基增強系統(tǒng)的核心，具備系統(tǒng)運營、維護、控制能力，確保整個星基增強系統(tǒng)的有效運轉(zhuǎn)。

圖7 iGMAS/IGS-MGEX北斗/GNSS多模參考站資源分布圖

地面上行站主要負責從數(shù)據(jù)處理中心獲取系統(tǒng)增強電文信息，通過基帶處理將其調(diào)制成為GEO衛(wèi)星信號，經(jīng)上變頻和功率放大后，通過天線上行注入到GEO衛(wèi)星中，同時上行站負責接收GEO衛(wèi)星下行信號，實現(xiàn)L頻段下行監(jiān)測功能。

空間段接收地面上行站上注的信號，轉(zhuǎn)發(fā)給終端用戶?？臻g段衛(wèi)星資源除采用北斗同步衛(wèi)星播發(fā)方式外，也可充分利用尼星等中國制造衛(wèi)星資源，并可通過租賃INMARSAT/THURAYA等構(gòu)筑覆蓋全球的天基資源，實現(xiàn)全球廣域增強覆蓋。

用戶終端接收增強信號和北斗/GPS信號進行解調(diào)得到增強信息和觀測數(shù)據(jù)；利用增強信息和觀測數(shù)據(jù)進行定位解算。

3.2 系統(tǒng)工作流程

星基增強系統(tǒng)工作流程如下：

圖8 INMARSAT/THURAYA/NIGCOMSAT-1R L band覆蓋圖

（1）參考站采集導航衛(wèi)星信號和氣象等原始觀測數(shù)據(jù)，實行全天24小時連續(xù)觀測，通過控制中心將原始觀測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；

（2）數(shù)據(jù)處理中心利用控制中心發(fā)送的北斗/GPS觀測數(shù)據(jù)、增強參考站接收的SBAS觀測數(shù)據(jù)和收集的IGS精密定軌數(shù)據(jù)、原始觀測數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)衛(wèi)星精密軌道確定、精密鐘差確定和區(qū)域電離層建模，計算完好性信息，生成增強信息并傳輸至地面上行站；

（3）地面上行站接收數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的導航增強數(shù)據(jù)流，基于原子鐘和接收機輸出的時頻基準進行載波生成與數(shù)據(jù)碼調(diào)制，完成上變頻后上注到通信衛(wèi)星，同時地面上行站也通過配備的星基增強接收機、頻譜儀等完成播發(fā)信號的檢核；

（4）通信衛(wèi)星完成頻段變換，利用L波段播發(fā)北斗/GPS增強信號；

（5）用戶終端接收北斗/GPS、星基增強信號，利用增強信息提高定位精度和應用完好性。

4 應用前景與展望

“一帶一路”戰(zhàn)略將涵蓋全球超過64%的人口，全球30%的GDP，依托“一帶一路”國家戰(zhàn)略加快建設北斗星基增強系統(tǒng)具有重要的戰(zhàn)略意義：一方面星基增強系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣，投資少，建設周期短的特點，能夠快速提升北斗定位精度及完好性指標，滿足“一帶一路”沿線高精度定位和完好性應用需求；另一方面北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需要全球建設大量的觀測站，星基增強系統(tǒng)所建設參考站可獲得大量北斗觀測數(shù)據(jù)，為北斗系統(tǒng)運行提供有力保障支撐。

圖9 星基增強系統(tǒng)工作流程圖

以現(xiàn)有工程建設經(jīng)驗，北斗/GPS星基增強系統(tǒng)定位精度可優(yōu)于1米，完好性告警時間達到10秒，可為“一帶一路”沿線國家提供高精度位置服務，滿足沿線國家航空、能源開采、智慧交通、測繪等行業(yè)對高精度定位的需求。

［1］Kaplan， E.D； Hegarty， C.J； 寇艷紅.GPS原理與應用.第二版［M］.北京：電子工業(yè)出版社， 2007.

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［3］Walter Todd， Enge Per， Reddan Pat.Modernizing WAAS［C］.Proceedings of the Institute of Navigations GNSS Meeting （ION GNSS 2004）， 2004.

［4］倪育德，劉瑞華.EGNOS系統(tǒng)增強服務的原理與實現(xiàn).中國民航大學學報.第25卷， 第5期.2007年10月.

孫長永（1984.01-）：男，航天恒星科技有限公司，工程師，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，主要研究方向為GNSS/SBAS及其應用。姚怡（1984.10-）：女，航天恒星科技有限公司，工程師，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，主要研究方向為通信衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)設計。