兼容“北斗”的差分全球衛星導航系統臺站應用前景探討

竇芃（天津海事局航測科技中心）

□□隨著“北斗”導航衛星的陸續升空，我國擁有自主知識產權的“北斗”衛星導航系統（以下簡稱“北斗”）正在蓬勃發展，建設可兼容“北斗”的無線電指向標-差分全球衛星導航系統（RBN-DGNSS）臺站成為克服美國“全球定位系統”（GPS）局限性和風險性的最佳解決方法。

1 我國沿海RBN-DGPS臺站的現狀及局限性

RBN-DGPS是一種高精度、全天候的海上導航定位系統，它利用航海無線電指向標播發臺向用戶播發DGPS修正信息，以提高定位精度。沿海RBNDGPS是我國唯一符合國際標準的高精度無線電導航定位系統。

截至2008年底，我國沿海共有20個RBN-DGPS臺站向公共用戶提供無償服務，目前已基本實現對我國沿海的完全覆蓋。該系統單站作用距離300km，使用亞米級接收機時定位精度優于5m，普通接收機定位精度優于10m。從目前各臺站設備的運行情況來看，整個系統基本穩定可靠，在海上測量、海上船舶導航定位、海上石油探測及海洋工程等諸方面都發揮了較好的效益。隨著其應用領域的不斷擴展，用戶正逐步擴展到各行各業，用戶對它的要求越來越高，對它的依賴性也越來越大。

RBN-DGPS在不斷擴展的應用領域中發揮越來越重要作用的同時，該系統在定位信號來源方面的局限性也日益明顯。目前，在我國衛星導航民用領域，GPS系統處于壟斷地位，沿海RBN-DGPS也是依賴于GPS提供的衛星定位服務才能進行信號差分，一旦GPS衛星失效或者美國軍方停止向我國提供GPS定位服務，RBN-DGPS必將無法工作，陷入徹底癱瘓。

單一使用GPS進行導航定位的安全性問題已經成為我國國防建設和經濟發展的嚴重隱患之一。使用多星座聯合導航技術，比如同時使用“北斗”和GPS實現多模兼容定位，提高定位精度，縮短啟動時間，增加定位的可靠性，這是克服GPS的局限性和風險性的最佳解決方法。

“北斗”應用于海上船舶安全

2 “北斗”定位和發展策略

“北斗”是GNSS的重要組成部分之一，該系統堅持獨立自主、開放兼容的方針，民用部分向全球開放，與其他GNSS實現兼容與互操作?！氨倍贰辈扇》e極開放的國際合作政策，開展系統、技術、市場與產業全方位交流合作，全面融入GNSS及其產業全球發展。

“北斗”的發展策略是：①在建設獨立系統的同時，應該充分利用其他GNSS信號資源；②調試完善系統，提前投入使用，培育自主產業；③利用后發優勢，通過系統概念，實現系統最優化、投入最小化、產出最大化。

3 多模兼容的可能性和優勢

由于多模兼容有利于提高定位精度，有利于處理電離層風暴問題，有利于完善性監測，因此多模兼容是保證系統精度的前提下，實現高完好性的首選途徑，已受到歐美等發達國家的高度重視。采用多模兼容接收機可同時接收多星座信號，聯合定位，實現完全兼容。

多模兼容的優勢在于：①可視衛星數量多，可選擇空間大；②幾何精度因子小，接近1；③可使用頻點多，9～10個頻率；④定位精度高；⑤可用性和連續性高；⑥完好性有保障。

“北斗”應用于海上救援

各衛星導航系統在不同屏蔽仰角條件下可視衛星數量

“北斗”多模兼容的可能性分析表

4 將“北斗”技術應用于沿海RBN-DGPS臺站的必要性

從衛星導航系統發展和應用的趨勢來看，目前美國GPS無疑取得了先機，特別是在民用領域，GPS的壟斷地位都難以動搖。因此，打破GPS的壟斷地位，擺脫過分依賴GPS的局面，研究和發展多模兼容的GNSS應用設備是一個根本途徑，并逐漸得到了各個國家的普遍重視。多模兼容接收機不僅增加可觀測衛星的數目，改善可觀測衛星的空間幾何分布，而且增強了用戶定位導航的精確性、可用性、可靠性和安全性。對于我國沿海RBN-DGPS臺站來說，發展可兼容“北斗”的接收機及完好性監控設備是一個解決過分依賴GPS，提高系統可靠性的根本途徑。

從各衛星導航系統的管理來看，只有目前未建成的歐洲Galileo衛星導航系統屬于非軍方管理控制的衛星導航系統，它從規劃設計初期便確定了建立國際控制下的民用導航衛星系統的策略；而其他系統都是由其國家軍方進行管理控制的，有權在任意時間對民用頻段進行干擾，因此，在民用應用方面存在潛在的不確定因素。在這種情況下，如果RBN-DGPS臺站具備多模兼容播發體制，就能確保海上用戶定位精度不會受某個衛星導航系統干擾和失效的影響，從而在保證航行安全指揮等應用上扮演關鍵角色，發揮出重要的作用。無論用戶的衛星接收機是單一的導航系統接收機還是多模兼容的接收機，都將通過指向標接收機接收到相應衛星導航系統的準確差分信號，提高導航定位精度。因此，將可兼容“北斗”的衛星導航定位設備應用于現有RBN-DGPS臺站，將其擴展建成同時兼容GPS和“北斗”的差分播發臺，具有非常重要的意義。

綜上所述，在未來的規劃建設中使RBN-DGPS差分臺站具備兼容“北斗”的能力，使其發展成為RBN-DGNSS，為沿海用戶提供更加全面、精確、安全的無線電定位導航服務信息，對提高國家海事航運技術服務水平具有非常重要的意義，對我國海事航運的現代化發展奠定更加扎實穩定的基礎而言是非常必要的。

完成裝配的“北斗”導航衛星（南勇/攝）

5 建設兼容“北斗”的RBN-DGNSS臺站的構想

RBN-DGNSS臺站的總體架構可與現行的RBNDGPS臺站保持一致，仍由基準臺、播發臺和完好性監控臺組成。建成后的RBN-DGNSS臺站，可接收多個衛星導航系統的信號，并進行處理和差分信息播發，大大提高現役RBN-DGPS臺站的作用。其中涉及到的改造關鍵部分包括基準臺的接收機、完好性監控臺的導航接收機、完好性監控計算機的軟件及與這些設備有關聯的物理連接?；鶞逝_的接收機由原來的GPS接收機更新為具備能夠接收多個衛星導航系統衛星信號進行綜合解算的多模兼容接收機；完好性監控臺的導航接收機由原來的導航GPS接收機更新為具有多模兼容完好性監控的差分接收機；而原播發臺設備保留繼續使用，整個播發工作流程與當前保持一致，只需將監控臺軟件功能升級。

多模兼容的RBN-DGNSS臺站主要功能和特點如下：

1）各衛星導航系統差分信息由基準臺統一計算，順序或可選擇發送?；鶞逝_實現多個衛星導航系統衛星信息的差分計算、打包、順序播發和人工設置播發。

2）完好性監控臺按不同衛星導航系統實現完好性監控。監控臺同時對多個衛星導航系統的差分信息進行獨立監測，同時滿足單衛星導航系統接收機和多模兼容接收機用戶的需要。

3）多模兼容的監控臺軟件。RBN-DGNSS臺站擴展了系統設備和差分信息播發內容，監控臺軟件需要重新設計。新的監控臺軟件參考三期RBN-DGPS臺站現行監控軟件的數據監測、存儲、參數配置，設備狀態監測等功能項，擴展到適用于RBN-DGNSS臺站的多模兼容差分信息的監控。

“北斗”導航衛星進行天線展開試驗（南勇/攝）

4）信號處理軟件可升級和設置，無需更換硬件，適應分期建設投入。信號處理軟件是多模兼容接收機接收到各衛星信號之后的內部計算處理軟件。臺站硬件平臺搭建完成后，可根據衛星導航系統發展情況，針對可運行的衛星導航系統進行相應的信號處理軟件升級，以達到一次性投入、分階段實現的目標。

多模兼容的 RBN-DGNSS臺站改造重點示意圖

6 結語

水運是全世界最廣泛的運輸方式之一，也是衛星導航最早應用的領域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛星導航終端設備，使海上和水路運輸更為高效和安全。“北斗”將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導航定位和安全保障，同時其特有的短報文通信功能將支持各種新型服務的開發。

“北斗”和其他衛星導航系統不存在相互取代的問題，而是互為備份，從而形成高安全的衛星導航系統?！氨倍贰痹谖覈睾Ｅ_站上的發展應用也應該充分利用DGPS臺站多年來積累的技術和經驗，促進多模兼容設備發展，減少成本投入，同時充分保障“北斗”的優勢體現和系統的可用性，最終使其發展成為RBN-DGNSS臺站，從而為用戶提供更加全面、精確、安全、可靠的沿海無線電定位導航服務信息，提高海事航運技術服務水平。■