衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)建設與發(fā)展

郭樹人,劉成,高為廣,盧鋆

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094)

0 引 言

從1994年世界上第一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)——GPS建成并提供服務開始，衛(wèi)星導航技術(shù)走入人們的生活已超過25年.在非遮擋條件下，四大GNSS系統(tǒng)(美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo及中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS))基本服務均能提供10 m左右的定位精度，滿足大多數(shù)大眾用戶的精度要求.然而，對于測繪作業(yè)、國土勘測、精準農(nóng)業(yè)等高精度領域而言，這一性能還遠遠不夠.同時，隨著衛(wèi)星導航應用場景的不斷拓展和深化，普通大眾對導航定位性能的要求也在不斷提高，高性能正逐漸從專業(yè)領域擴展到大眾應用.因此，為提升衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務性能、滿足各類用戶需求，輔助GPS(A-GPS)、星基增強系統(tǒng)(SBAS)、實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(RTK)等衛(wèi)星導航增強技術(shù)與系統(tǒng)應運而生.

然而,由于衛(wèi)星導航增強技術(shù)與系統(tǒng)晚于基本系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)展,因此不可避免地存在著“碎片”和“補丁”式建設問題.根據(jù)不同研究和應用背景而產(chǎn)生的增強技術(shù)與系統(tǒng)種類繁多,相互之間功能性重疊,且缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和標準,未成體系化設計.近年來,隨著衛(wèi)星導航應用的不斷深化和拓展,各類增強系統(tǒng)得到廣泛建設,這一問題也顯得日益突出.各增強技術(shù)和系統(tǒng)之間的分散式建設和非體系化發(fā)展,不僅不利于導航資源之間的統(tǒng)籌共享和協(xié)同工作,還在概念與專業(yè)術(shù)語上產(chǎn)生了一定的混淆,給用戶的認知和使用帶來了困難,不利于導航應用完整“生態(tài)圈”的形成.后發(fā)建設的衛(wèi)星導航系統(tǒng)逐漸認識到了這一問題,并開始嘗試體系化建設.例如,歐洲Galileo通過定義和設計服務類型,來規(guī)劃和引導系統(tǒng)建設[1];日本QZSS則在基本系統(tǒng)基礎上,一體化建設和提供SBAS及廣域精密定位(PPP)服務[2].

我國BDS采用三步走策略,并具有后發(fā)建設優(yōu)勢.在設計建設之初即采用了體系化思路,明確增強服務與基本系統(tǒng)一體化同步,而包括GEO衛(wèi)星在內(nèi)的混合星座也具有提供增強服務的優(yōu)勢條件.當前,隨著北斗二號區(qū)域系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定服務以及北斗三號全球系統(tǒng)的加速建設,北斗增強體系已初步形成,并成為北斗系統(tǒng)特色與優(yōu)勢之一[3-5].

本文重點針對信息增強技術(shù)手段,對衛(wèi)星導航增強體系的產(chǎn)生、建設和發(fā)展進行了回顧和總結(jié),明確了相關(guān)技術(shù)內(nèi)涵與定義,并重點對北斗衛(wèi)星導航增強體系建設發(fā)展情況進行了闡述. 北斗衛(wèi)星導航增強體系以滿足不同用戶對服務性能的提升要求為核心目標,通過星基、地基等多種手段在廣域、區(qū)域范圍內(nèi)為用戶提供多重增強服務.進一步地,文章分析和展望了低軌星座、5G等新興技術(shù)對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的增強作用.未來,北斗衛(wèi)星導航增強體系將充分利用這一發(fā)展機遇,進一步融合新興增強技術(shù)手段,提升服務性能與能力,在BDS綜合定位、導航與授時(PNT)服務中發(fā)揮日益重要的作用.

1 衛(wèi)星導航增強技術(shù)與系統(tǒng)

1.1 衛(wèi)星導航增強技術(shù)的產(chǎn)生和演化

衛(wèi)星導航增強技術(shù)最早為應對美國GPS系統(tǒng)選擇可用性(SA)政策而產(chǎn)生[6].20世紀90年代初,為消除SA政策影響、恢復GPS原有精度,學者們提出了一種測站間差分處理的技術(shù)——差分GPS(DGPS),通過消除測站間公共測量誤差,將GPS C/A碼水平定位精度提升至約15 m.

然而,DGPS依賴基準站與用戶站之間的幾何相似性,定位精度隨著站間距離的增加而下降.因此,學者們提出在廣域范圍內(nèi)布設多個基準站進行連續(xù)觀測,并將衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延遲等各項誤差模型化處理后發(fā)送至用戶,由此消除基準站與用戶之間的距離限制.根據(jù)這一原理,美國聯(lián)邦航空局(FAA)主持設計和建設了世界上第一個WADGPS系統(tǒng)——廣域增強系統(tǒng)(WAAS),WAAS也成為世界上第一個SBAS系統(tǒng).

DGPS技術(shù)及WADGPS系統(tǒng)以偽距為主要觀測量,只能實現(xiàn)米級至分米級增強定位精度,難以滿足測繪等高精度領域厘米甚至毫米級定位精度的要求.因此,基于載波相位的相對定位技術(shù)及快速模糊度固定技術(shù)得到廣泛研究和迅速發(fā)展,代表性成果即RTK.RTK突破了以往載波相位靜態(tài)定位需要長時間后處理的限制,能夠在野外實時獲得厘米級定位精度,是衛(wèi)星導航應用中的重大里程碑.基于RTK原理,世界多國建設了連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS),為特定行業(yè)或地區(qū)提供標準化高精度服務,在經(jīng)濟建設中發(fā)揮了重要作用.而同樣,利用類似WADGPS系統(tǒng)誤差分離和模型化處理的原理,PPP被提出和建設.

進入21世紀,隨著GPSSA政策的取消,WAAS等SBAS系統(tǒng)定位精度提升至2～3 m,已能夠滿足航空領域精度要求,民用航空等領域?qū)πl(wèi)星導航技術(shù)的首要訴求開始從精度轉(zhuǎn)向安全.因此,完好性概念應運而生.通過完好性增強,能夠在衛(wèi)星和系統(tǒng)異?；蚬收蠒r及時檢測并向用戶告警,保障航空等生命安全領域用戶的安全.出于這樣的應用背景以及航空接收機在高動態(tài)特性情況下的可靠性考慮,WAAS等SBAS系統(tǒng)一直以偽距為主用定位模式.此外,由于SBAS完好性難以達到國際民航組織(ICAO)II類及III類精密進近(CAT-II、CAT-III)性能等級,FAA又開展了針對機場局域范圍提供完好性服務的局域完好性增強系統(tǒng)(LAAS)建設.LAAS基于DGPS基本原理,更加注重完好性功能設計,能夠在機場局域范圍實現(xiàn)II類甚至III類精密進近性能.

至此,以測繪為代表的高精度需求和以民航為代表的高完好性需求,成為衛(wèi)星導航技術(shù)與系統(tǒng)建設發(fā)展的兩大主要方向,如圖1所示.其中，精度增強主要是在基本服務基礎上，滿足分米、厘米甚至毫米級高精度用戶需求；完好性增強則主要在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常時及時向用戶告警.

圖1 衛(wèi)星導航精度與完好性需求

1.2 衛(wèi)星導航增強技術(shù)分類

1.2.1 增強技術(shù)分類

差分修正是衛(wèi)星導航增強技術(shù)最基本的原理.通過對用戶偽距、載波相位等測量值誤差，衛(wèi)星軌道、鐘差等系統(tǒng)誤差以及電離層、對流層等大氣延遲誤差進行修正，可有效提高定位精度和性能.

差分技術(shù)有多種分類方式，可分別從差分改正對象、服務適用范圍、信號播發(fā)手段等方面進行劃分.

1)按差分改正對象劃分

可分為用戶域增強技術(shù)與系統(tǒng)域增強技術(shù).其中，前者直接對用戶偽距、載波相位觀測值進行改正，后者則對衛(wèi)星軌道、鐘差及電離層延遲等系統(tǒng)級誤差進行分離和建模.

2)按服務適用范圍劃分

可分為局域增強技術(shù)與廣域增強技術(shù).其中，前者的基準站布站間隔較為密集，一般約數(shù)十千米，后者布站間隔則可達數(shù)百至上千千米.

3)按信號播發(fā)手段劃分

可分為星基增強技術(shù)與地基增強技術(shù).其中,前者一般通過通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星等星基平臺播發(fā),后者一般采用地面移動基站、互聯(lián)網(wǎng)等手段播發(fā).

1.2.2 技術(shù)特點對比

各種技術(shù)手段之間的組合形成了不同的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng),它們之間既有區(qū)別,又存在著聯(lián)系,如圖2所示.

圖2 衛(wèi)星導航增強技術(shù)分類

通過不同的技術(shù)手段，可以實現(xiàn)不同范圍和性能的精度或完好性增強，如表1所示.一般而言，廣域差分對應系統(tǒng)級改正，所需地面監(jiān)測站較少，通常采用星基播發(fā)手段；局域差分對應用戶級改正，所需地面監(jiān)測站較密，通常采用地基播發(fā)手段.廣域精密定位系統(tǒng)覆蓋范圍廣，但需要較長的載波初始化收斂時間；局域精密定位系統(tǒng)收斂速度很快，但覆蓋范圍受站點布設的限制.雖然精度增強與完好性增強主要功能及面向?qū)ο蟛煌珒烧咴隗w系架構(gòu)、技術(shù)手段、接收終端等方面均具有相似性，因此可以統(tǒng)籌設計和建設.

表1 不同增強系統(tǒng)技術(shù)特點對比

2 國際衛(wèi)星導航增強體系建設現(xiàn)狀

2.1 廣域完好性增強系統(tǒng)

廣域完好性增強系統(tǒng)又稱SBAS,利用廣域分布的地面監(jiān)測站連續(xù)觀測GNSS衛(wèi)星,通過通信鏈路將觀測數(shù)據(jù)傳送至主控站;主控站計算生成包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差及電離層誤差等在內(nèi)的差分改正數(shù)及系統(tǒng)完好性信息后,上注至GEO衛(wèi)星廣播播發(fā).SBAS主要目的是監(jiān)測GNSS衛(wèi)星及系統(tǒng)狀態(tài),并在其發(fā)生故障和風險時及時向用戶告警,以提高用戶使用的安全性.同時,兼具米級(1～2 m)精度增強功能.

世界上第一個SBAS系統(tǒng)是由FAA為應對GPSSA政策而提出和建設的WAAS,WAAS系統(tǒng)監(jiān)測站點分布如圖3所示.除美國WAAS外,目前全球已建或在建的SBAS系統(tǒng)還包括:歐洲地球靜止衛(wèi)星導航重疊服務系統(tǒng)(EGNOS)、日本多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)(MSAS),印度GPS 輔助型對地靜止軌道擴增導航系統(tǒng)(GAGAN)、俄羅斯差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)(SDCM)、韓國衛(wèi)星增強系統(tǒng)(KASS)系統(tǒng)以及我國北斗星基增強系統(tǒng)(BDSBAS),其服務覆蓋范圍如圖4所示.

圖3 WAAS系統(tǒng)監(jiān)測站點分布

各SBSA系統(tǒng)一般由作為核心用戶的本國民航部門負責或聯(lián)合開展設計和建設,屬于政府主導行為.需要按照國際民航組織(ICAO)相關(guān)標準和規(guī)范要求開展建設,并經(jīng)本國民航主管部門測試認證后才能正式提供民用航空服務.目前,各SBAS服務供應商正在ICAO導航系統(tǒng)專家組(NSP)及國際SBAS互操作工作組(SBAS IWG)框架下聯(lián)合開展下一代雙頻多星座(DFMC)SBAS的標準研究與制訂工作,以進一步提高SBAS服務性能.

圖4 全球SBAS系統(tǒng)服務范圍示意圖

2.2 廣域精密定位系統(tǒng)

PPP起初主要由企業(yè)自行主導建設,提供付費商業(yè)服務.代表性系統(tǒng)有:美國噴氣推進實驗室(JPL)研制的用于衛(wèi)星定軌、科學研究和高端商業(yè)服務的全球差分GPS(GDGPS)系統(tǒng),Navcom公司的StarFire系統(tǒng),Trimble公司OmniSTAR系統(tǒng)和RTX系統(tǒng),Fugro公司StarFix/SeaStar系統(tǒng),Oceaneering International公司C-Nav系統(tǒng),Hexagon公司VeriPos系統(tǒng)和TerraStar系統(tǒng)等.

各商業(yè)PPP系統(tǒng)一般使用國際海事通信衛(wèi)星(Inmarsat)進行服務區(qū)域內(nèi)的廣域改正產(chǎn)品播發(fā),并一般采用自定義數(shù)據(jù)格式.各系統(tǒng)主要服務模式與性能指標如表2所示.

表2 主要商業(yè)PPP系統(tǒng)服務模式與性能

近年來,隨著行業(yè)和大眾高精度應用需求的日益增加,歐洲Galileo、日本QZSS開始在基本系統(tǒng)中設計和提供內(nèi)嵌式PPP服務.其中,Galileo基于E6B信號(1278.75 MHz)提供免費PPP服務,播發(fā)速率500 bps,對GPS和Galileo兩系統(tǒng)進行增強,實現(xiàn)厘米級定位.QZSS精密定位分為亞米級增強服務(SLAS)和厘米級增強服務(CLAS)兩類,均為免費服務,分別由L1S和L6信號提供;其中,CLAS服務播發(fā)速率達到2000 bps,采用自定義壓縮設計的RTCM SSR格式,能夠同時實現(xiàn)對四大GNSS及QZSS共五系統(tǒng)的增強.

2.3 局域完好性增強系統(tǒng)

LAAS主要面向航空機場提供高完好性增強服務,最早由FAA提出.目前,FAA及ICAO已停止使用“LAAS”這一術(shù)語,用“地基增強系統(tǒng)(GBAS)”(如圖5所示)代替.2009年9月,霍尼韋爾公司(Honeywell)按照FAA設計要求完成了全球第一個GBAS系統(tǒng)的建設,性能達到CAT-I類等級;美國紐瓦克自由國際機場的GBAS系統(tǒng)則于2012年9月28日成為首個獲批運營的GBAS系統(tǒng)[7-8].

圖5 GBAS(LASS)組成示意圖

相比SBAS,單個GBAS建設成本低,且現(xiàn)有完好性服務性能即已達到CAI-I類等級(目前還沒有SBAS系統(tǒng)能夠達到這一性能等級),其最終目標是要提供CAT-II類甚至III類精密進近導航能力.然而,GBAS系統(tǒng)只能在機場局域范圍內(nèi)提供服務,無法提供航路導航;同時,若考慮對大量機場的進近導航服務覆蓋,則GBAS系統(tǒng)的成本優(yōu)勢會降低.因此,應根據(jù)實際應用需求對SBAS和GBAS統(tǒng)籌部署與建設.

2.4 局域精密定位系統(tǒng)

局域精密定位系統(tǒng)利用建立在區(qū)域范圍內(nèi)的若干GNSS基準站(相距一般不超過數(shù)十千米)構(gòu)成的參考站網(wǎng)絡,基于載波快速解算技術(shù)與數(shù)據(jù)通信鏈路為覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶提供高精度定位服務,精度一般可達厘米級,事后處理可達毫米級.可分為單基準站和多基準站模式,其中基于多基準站模式的局域精密定位系統(tǒng)又被稱為連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS).CORS系統(tǒng)基準站觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路實時傳送至數(shù)據(jù)處理中心,統(tǒng)一解算得到區(qū)域內(nèi)的各種誤差改正,如軌道/鐘差誤差、電離層和對流層誤差等,并對該區(qū)域的誤差進行建模.隨后,系統(tǒng)通過播發(fā)鏈路將基準站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)及誤差模型發(fā)送至流動站用戶,用戶利用上述信息結(jié)合自身位置進行高精度載波定位.

目前,國外CORS系統(tǒng)主要包括美國連續(xù)運行參考站網(wǎng)系統(tǒng)(CORS)、加拿大主動控制網(wǎng)系統(tǒng)(CACS)、澳大利亞悉尼網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)(SydNet)、德國衛(wèi)星定位與導航服務系統(tǒng)(SAPOS)、日本GPS連續(xù)應變監(jiān)測系統(tǒng)(COSMOS)以及歐洲位置確定系統(tǒng)(EUPOS)等.

3 北斗衛(wèi)星導航增強體系建設

3.1 北斗衛(wèi)星導航增強體系內(nèi)涵

北斗衛(wèi)星導航增強體系是為提升北斗系統(tǒng)定位精度、完好性、連續(xù)性與可用性等服務性能,所建立的增強技術(shù)、增強系統(tǒng)與增強服務的綜合.基于融合發(fā)展理念,北斗在設計建設之初從資源統(tǒng)籌、系統(tǒng)建設和服務規(guī)劃角度對增強技術(shù)、系統(tǒng)與服務開展了頂層設計,明確了增強體系與基本系統(tǒng)一體化并行建設的思路,這也成為BDS的特色與優(yōu)勢之一.

當前,隨著北斗二號區(qū)域系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定服務以及北斗三號全球系統(tǒng)的加速建設,北斗增強體系已初步形成.北斗增強體系以北斗基本導航系統(tǒng)為基礎,以滿足不同用戶對服務性能的提升為目標,能夠通過星基、地基等多種手段為用戶提供不同區(qū)域范圍內(nèi)的多重增強服務,在北斗綜合PNT服務中發(fā))揮著日益重要的作用.未來,隨著衛(wèi)星導航技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的進一步蓬勃發(fā)展、行業(yè)和大眾用戶對導航服務性能要求的不斷深化提高,持續(xù)建設和完善北斗增強體系將越發(fā)具有重要意義.

3.2 北斗衛(wèi)星導航體系演變

在北斗系統(tǒng)建設之初,北斗增強服務即被明確作為北斗系統(tǒng)服務的組成部分,與北斗基本系統(tǒng)一體化融合發(fā)展.從北斗一號試驗系統(tǒng)到北斗三號全球系統(tǒng),北斗增強體系遵循漸進式增量發(fā)展思路,與基本系統(tǒng)一起建設和共同完善,如圖6所示.

圖6 北斗增強體系漸進式發(fā)展思路

具體而言,北斗系統(tǒng)針對用戶精度和完好性服務提升的需求,對北斗增強體系進行了貫穿北斗一號試驗系統(tǒng)至北斗三號全球系統(tǒng)全生命周期的完整規(guī)劃和設計,并針對不同系統(tǒng)屬性考慮了合適的建設及運維模式,如表3所示.

表3 北斗增強體系任務規(guī)劃

3.3 北斗衛(wèi)星導航增強體系組成

目前,北斗衛(wèi)星導航增強體系主要由北斗地基增強系統(tǒng)、北斗廣域 PPP服務、北斗星基增強系統(tǒng)(BDSBAS)、北斗局域完好性增強系統(tǒng)及其他商用增強系統(tǒng)共同組成.

3.3.1 北斗星基增強系統(tǒng)

北斗星基增強系統(tǒng)(BDSBAS)是北斗全球系統(tǒng)重要組成部分和六大規(guī)劃服務之一,與北斗全球系統(tǒng)一體化相對獨立建設,與北斗全球系統(tǒng)、北斗PPP服務共用GEO衛(wèi)星及地面站資源,按照國際民航組織(ICAO)標準規(guī)范開展設計與建設,滿足國際SBAS兼容互操作要求,為中國及周邊地區(qū)民航、海事、鐵路等領域用戶提供高完好性增強服務,兼具米級精度增強功能[9].

1)系統(tǒng)組成

主要由空間段、地面段和用戶段三大部分構(gòu)成,如圖7所示.

圖7 BDSBAS系統(tǒng)組成

BDSBAS空間段包括3顆播發(fā)SBAS增強信號的北斗全球系統(tǒng)GEO衛(wèi)星,軌道及頻率信息如表4所示.其中,第一顆GEO衛(wèi)星已于2018年11月1日成功發(fā)射,后續(xù)兩顆GEO衛(wèi)星將于2019年至2020年發(fā)射.BDSBAS B1C頻點增強信號采用ICAO所確定的SBAS L1標準信號體制,BDSBAS B2a頻點增強信號采用目前正在設計的DFMC SBAS L5標準信號體制.BDSBAS GEO衛(wèi)星采用更高性能的銣原子鐘(穩(wěn)定度E-14量級)和氫原子鐘(穩(wěn)定度E-15量級),空間信號精度優(yōu)于0.5 m.

表4 BDSBAS GEO衛(wèi)星軌道與頻率信息

BDSBAS地面段由主控站、數(shù)據(jù)處理中心、注入站及監(jiān)測站組成,用戶段包括面向民航、海事及鐵路等行業(yè)應用的星基增強用戶設備.

2)服務性能

在服務區(qū)域方面,BDSBAS將根據(jù)地面監(jiān)測站布設范圍、ICAO信號雙重覆蓋及最低落地電平等要求,服務覆蓋中國及其周邊地區(qū),如圖8所示.

圖8 BDSBAS目標服務區(qū)域

在服務模式方面,BDSBAS將支持單頻(SF)及雙頻多星座(DFMC)兩種增強模式.其中,SF服務模式基于BDSBAS B1C頻點提供,DFMC服務基于BDSBAS B2a頻點提供.DFMC SBAS服務將利用雙頻測距值消除電離層延遲誤差,相比SF SBAS服務可有效提高系統(tǒng)可用性、連續(xù)性與精度,并實現(xiàn)全球范圍的垂直引導.

在性能等級方面,BDSBAS將先期實現(xiàn)APV-I(I類垂直引導進近),后續(xù)逐步滿足CAT-I服務等級要求.

3)主要進展與規(guī)劃

BDSBAS主要進展情況如表5所示.

表5 BDSBAS主要進展與規(guī)劃

2019年-2020年,BDSBAS其余兩顆GEO衛(wèi)星將陸續(xù)完成發(fā)射,地面段建設也將逐步完善.預計2020年底,BDSBAS將完成全部工程研制建設任務,具備初始運行服務能力,能夠為兼容航空無線電技術(shù)委員會(RTCA)標準的SBAS航空電子設備提供服務.

3.3.2 北斗廣域PPP服務

根據(jù)規(guī)劃,北斗全球系統(tǒng)GEO衛(wèi)星B2b信號將作為數(shù)據(jù)通道,播發(fā)衛(wèi)星精密軌道和鐘差等改正參數(shù),具備為我國及周邊地區(qū)用戶提供 PPP服務的能力.由此,進一步完善北斗增強體系建設,滿足國土測繪、海洋開發(fā)、精準導航等高精度應用需求.實際上,為提高基本導航系統(tǒng)競爭力,內(nèi)嵌PPP功能現(xiàn)已成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設發(fā)展的一大趨勢,歐洲Galileo與日本QZSS系統(tǒng)均在其基本導航系統(tǒng)內(nèi)設計和提供高精度PPP服務[7-8].其中,Galileo不具備GEO衛(wèi)星,其PPP服務在MEO衛(wèi)星上播發(fā);QZSS則同時在其GEO及IGSO衛(wèi)星上播發(fā).

北斗廣域PPP服務采用自定義電文格式設計,以雙頻載波為主要定位模式,能夠為我國及周邊用戶提供動態(tài)分米級、靜態(tài)厘米級免費高精度定位服務.北斗廣域PPP服務同樣與北斗全球系統(tǒng)一體化設計,與北斗全球系統(tǒng)統(tǒng)籌共用GEO衛(wèi)星和地面站資源.目前,系統(tǒng)第一顆GEO衛(wèi)星已于2018年11月1日發(fā)射成功并正在開展入網(wǎng)測試[10].

3.3.3 北斗地基增強系統(tǒng)

2014年,我國啟動了“北斗地基增強系統(tǒng)”研制建設工作,由中國兵器工業(yè)集團公司聯(lián)合交通運輸部、國家測繪地理信息局、中國氣象局、中國地震局、國土資源部、中國科學院、武漢大學等多家單位聯(lián)合承擔.作為北斗重要組成部分與地面基礎設施,北斗地基增強系統(tǒng)主要由監(jiān)測站、通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、國家數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)、行業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶終端等分系統(tǒng)組成(如圖9所示),按照“統(tǒng)一方案、共建共管、數(shù)據(jù)分享、分步實施、持續(xù)發(fā)展”原則,整合國內(nèi)相關(guān)資源,建設全國統(tǒng)一的北斗高精度地面基準站網(wǎng),滿足行業(yè)和大眾對北斗高精度時空應用的需求.

北斗地基增強系統(tǒng)通過地面監(jiān)測站接收導航衛(wèi)星信號并實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心,經(jīng)過差分處理后生成差分增強數(shù)據(jù)產(chǎn)品,具備移動通信、數(shù)字廣播、衛(wèi)星等多種播發(fā)手段,服務覆蓋我國陸地及領海,實現(xiàn)服務范圍內(nèi)廣域米級/分米級、區(qū)域厘米級和后處理毫米級的高精度定位.系統(tǒng)于2016年5月正式投入運行,并于2017年6月完成第一階段研制建設,包括150個框架網(wǎng)基準站、1 200個加密網(wǎng)基準站、1個國家綜合數(shù)據(jù)處理中心、6個行業(yè)數(shù)據(jù)處理中心等.2017年7月,發(fā)布服務性能規(guī)范(1.0版),支持測繪、交通、氣象、地震、國土等行業(yè)開展了多項高精度應用.目前,正在開展第二階段研制建設工作,計劃2019年初開展全系統(tǒng)測試工作.

圖9 北斗地基增強系統(tǒng)組成

商業(yè)運營方面,中國兵器工業(yè)集團公司與阿里巴巴集團于2015年8月聯(lián)合成立“千尋位置網(wǎng)絡有限公司”,注冊資本20億元,成為全球最大的地基增強系統(tǒng)運營商,開創(chuàng)了北斗衛(wèi)星導航應用新的商業(yè)模式.通過互聯(lián)網(wǎng)融合,北斗地基增強體系基于阿里云計算和數(shù)據(jù)技術(shù),針對具體應用場景推出了多種特色產(chǎn)品和服務,并已在危房監(jiān)測、精準農(nóng)業(yè)、自動駕駛等領域?qū)崿F(xiàn)應用.

3.3.4 北斗局域完好性增強系統(tǒng)

北斗局域完好性增強系統(tǒng)主要面向民用航空領域,為我國民航用戶提供II、III類(CAI-II、CAT-III)高完好性精密進近服務,主要由我國民航主管部門——中國民航局根據(jù)民航應用需求組織開展設計、研制和建設.

目前,中國民航局正在多個國內(nèi)機場同步開展局域完好性增強系統(tǒng)建設.其中,部署在上海浦東國際機場及天津濱海國際機場的兩臺CAI-I類民航GBAS地面站已于2019年1月完成為期8個月的現(xiàn)場環(huán)境測試,目前正進行民航認證與審批.部署在山東東營勝利機場的第三臺CAI-I類GBAS地面站也已于2017年10月進行第一次飛行試驗,可增強BDS B1I及GPS L1C/A信號.

3.3.5 國內(nèi)其他代表性商用系統(tǒng)

1)中國精度

“中國精度”系統(tǒng)構(gòu)成如圖10所示,由北京合眾思壯科技股份有限公司建設和運營的全球星基精密定位系統(tǒng),于2015年6月15日正式發(fā)布. 面向國內(nèi)和國際市場提供實時高精度定位服務,目前已在海洋測量、無人區(qū)測繪、精準農(nóng)業(yè)等多個領域取得應用.其主要性能指標如表6所示.

圖10 “中國精度”系統(tǒng)構(gòu)成

表6 “中國精度”主要性能指標

2)夔龍系統(tǒng)

通過國際合作開展并推動實施的全球廣域高精度衛(wèi)星導航差分增強系統(tǒng).系統(tǒng)以分布在全球的北斗/GNSS多模監(jiān)測站為基礎,通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián),以L波段GEO衛(wèi)星為主要播發(fā)途徑,可兼容BDS、GPS、GLONASS、Galileo等多個衛(wèi)星導航系統(tǒng),目標是具備面向全球提供北斗廣域差分服務與全球精密單點定位(GPPP)服務的能力,以及拓展標準SBAS服務與地基增強服務的能力.

目前,“夔龍系統(tǒng)”正積極整合國際國內(nèi)星地資源,開展系統(tǒng)演示驗證工作,已建成地面參考站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、上行站等地面段設施,完成基于尼星1R的北斗增強演示驗證系統(tǒng)搭建及關(guān)鍵技術(shù)驗證,并在工程測繪、精準農(nóng)業(yè)、海洋工程等領域開展應用示范.

3.4 北斗衛(wèi)星導航增強體系服務能力

如上所述,北斗衛(wèi)星導航增強體系以北斗基本系統(tǒng)星座為基礎,以提升北斗精度和完好性服務性能為核心目標,歷經(jīng)多年發(fā)展,目前已初步建設形成兼具廣域和局域服務覆蓋、地基和星基技術(shù)手段相結(jié)合、政府主導與市場創(chuàng)新相補充的導航增強體系,可為我國及周邊用戶提供多重、不同層次的增強服務,設計服務能力如表7所示.

表7 北斗增強體系設計服務能力*

4 衛(wèi)星導航增強技術(shù)發(fā)展

衛(wèi)星導航增強技術(shù)從產(chǎn)生發(fā)展至今,已經(jīng)歷數(shù)十年時間.從技術(shù)上看,目前，主要的技術(shù)瓶頸體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)難以解決廣域覆蓋下的快速收斂問題

由于RTK受限于基準站布設范圍和密度,因此廣域精度增強主要通過PPP技術(shù)手段實現(xiàn).然而,各PPP系統(tǒng)目前一般仍需要十幾分鐘至半小時的時間才能初始固定載波模糊度,難以滿足實時性應用需求.

2)全球覆蓋成本代價高

目前,現(xiàn)有技術(shù)手段均難實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的覆蓋和增強服務.對于RTK,單基準站只能覆蓋約數(shù)十千米至一百多千米的距離,因此實現(xiàn)廣域覆蓋所需的成本很大(覆蓋中國需要數(shù)千地面站,覆蓋全球所需的地面站超數(shù)萬個),且難以覆蓋海上、沙漠等地區(qū).PPP系統(tǒng)雖不需要密集建站,但仍需通過廣域建站才能實現(xiàn)全球服務,并存在自主可控問題.

3)難以解決信號遮擋問題

RTK、PPP等手段均不提供額外測距信號,因此均難以改善GNSS在遮擋環(huán)境下的性能.

近年來,5G移動通信、低軌衛(wèi)星星座蓬勃發(fā)展,為衛(wèi)星導航增強技術(shù)提供了一個重要的技術(shù)創(chuàng)新機遇.通過與5G移動通信、低軌衛(wèi)星等技術(shù)的融合,衛(wèi)星導航增強技術(shù)有望突破上述長期以來的瓶頸問題.

4.1 北斗+5G融合

5G移動通信網(wǎng)絡技術(shù)相比上一代4G體制提升巨大(如表8所示),能更好地對衛(wèi)星導航實現(xiàn)增強.首先,5G在作為數(shù)據(jù)傳輸通道的同時,能夠提供一個額外的測距信號;其次,由于具有更密集的覆蓋范圍,因此能夠增加無NLOS誤差的場景、方便NLOS誤差建模,并加強室內(nèi)應用覆蓋;此外,5G基站使用大規(guī)模天線陣列(Massive MIMO)技術(shù),能夠動態(tài)生成高增益、可調(diào)節(jié)賦型波束,改善信號覆蓋、減少對周邊環(huán)境的干擾.可以預見,北斗/GNSS+5G導通融合技術(shù)將在不久的將來應用于互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市等諸多領域,滿足城市普適環(huán)境下的高精度北斗綜合PNT服務需求.

表8 5G通信技術(shù)提升對比[11]

目前,北斗B1I民用信號已在“第三代合作伙伴計劃(3GPP)”框架下完成移動通信定位相關(guān)國際化標準的制定,成為未來5GNR(NewRadio)定位的可選衛(wèi)星導航信號;未來,將重點推進北斗B1C全球信號的3GPP國際標準化工作,進一步實現(xiàn)北斗B1C信號成為5G定位可選信號.

4.2 北斗+低軌衛(wèi)星增強

隨著商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展,基于低軌衛(wèi)星星座的導航增強技術(shù)正成為熱點[11-16].低軌衛(wèi)星同樣可實現(xiàn)廣域增強功能,且制造和發(fā)射成本遠低于GEO衛(wèi)星.低軌衛(wèi)星對基本衛(wèi)星導航系統(tǒng)的增強能力主要體現(xiàn)在:

1)作為全球高速率數(shù)據(jù)播發(fā)通道

低軌通信衛(wèi)星具有較大的信號帶寬與較高的信息速率,可作為衛(wèi)星導航基本電文及差分改正電文的播發(fā)通道,且由于低軌星座一般全球組網(wǎng),因此播發(fā)范圍可覆蓋全球.播發(fā)基本導航電文時,可縮短接收機冷啟動首次定位時間(TTFF),起到類似輔助GPS(A-GPS)的作用;播發(fā)差分改正電文時,可實現(xiàn)廣域精度增強,起到PPP系統(tǒng)的作用.

2)天地聯(lián)合精密定軌

衛(wèi)星導航精密定軌需要全球覆蓋的監(jiān)測站進行觀測支持,但我國目前的海外監(jiān)測站數(shù)量有限.因此,可在低軌衛(wèi)星上搭載高精度GNSS監(jiān)測接收機實現(xiàn)全球移動監(jiān)測,從而構(gòu)成天地一體化的監(jiān)測網(wǎng).低軌衛(wèi)星將導航衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)通過星間鏈路和星地鏈路傳回國內(nèi)數(shù)據(jù)處理中心,聯(lián)合地面區(qū)域監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù),通過綜合處理完成中高軌導航衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的聯(lián)合精密定軌.相關(guān)研究表明,該聯(lián)合精密定軌體制可大幅提升中高軌道衛(wèi)星定軌精度,有效填補我國海外監(jiān)測站點數(shù)量的不足、減少所需地面監(jiān)測站數(shù)量.

3)GNSS/LEO聯(lián)合快速PPP

傳統(tǒng)PPP中,由于GNSS衛(wèi)星軌道高、星座幾何圖形變化慢,相鄰歷元間觀測方程之間的相關(guān)性太強,因此在進行定位參數(shù)估計時需要較長的時間才能估計和分離各類誤差,進而固定載波相位模糊度、實現(xiàn)精密定位.相較而言,低軌衛(wèi)星軌道低、運動快,相鄰歷元間觀測方程的相關(guān)性較GNSS衛(wèi)星弱.因此,低軌衛(wèi)星聯(lián)合GNSS衛(wèi)星進行PPP定位,有利于定位誤差參數(shù)的快速估計,加快精密定位收斂過程.相關(guān)研究表明,相比于傳統(tǒng)PPP定位15～30 min左右的收斂時間,GNSS/LEO聯(lián)合PPP能夠?qū)⑹諗繒r間縮短至1 min.

4.3 發(fā)展趨勢

在完好性增強方面,未來BDSBAS仍將按照ICAO標準要求開展建設,提供國際化標準服務.在各國SBAS系統(tǒng)建設完成并相繼提供服務后,各SBAS系統(tǒng)服務范圍將聯(lián)通“拼接”,實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的航空完好性服務.

在精度增強方面,高精度服務正演變?yōu)楣残孕枨?技術(shù)創(chuàng)新面臨重大機遇.其中,各類精度增強手段的特點與性能對比如表9所示.

表9 各類增強手段特點對比

可以看出,5G和低軌衛(wèi)星能夠?qū)ΜF(xiàn)有增強體系產(chǎn)生巨大的補充和提升,并有望形成新的應用格局.其中,5G能夠基于密集覆蓋的下一代移動通信基站,重點解決城市人口密集區(qū)的高精度定位和室內(nèi)PNT服務問題,并與其他產(chǎn)業(yè)相結(jié)合、催生新的應用模式[17].低軌星座單星成本低,綜合效率比較高;能夠在不依賴大量地面建站的前提下,實現(xiàn)包括海洋、沙漠等區(qū)域在內(nèi)的全球精度增強服務,彌補地基增強手段的不足;同時,能夠提供額外的測距信號、大幅縮短模糊度收斂時間,并可作為備份手段提升導航抗干擾性和可靠性.同時,兩者均能提供額外的測距手段,特別是低軌星座,能夠在與GNSS相同的導航頻段內(nèi)提供同樣的擴頻碼測距信號,因此可對GNSS系統(tǒng)進行補充和備份,大幅提高抗遮擋能力.綜上,5G和低軌衛(wèi)星能夠有效解決當前高精度增強的瓶頸問題,有望成為未來最優(yōu)解決方案.

5 結(jié)束語

采用體系化建設思路，對衛(wèi)星導航增強技術(shù)、系統(tǒng)及服務開展頂層設計與規(guī)劃，能夠有效解決衛(wèi)星導航增強技術(shù)和系統(tǒng)建設中的“碎片”和“補丁”式發(fā)展問題，更好地統(tǒng)籌星地資源，開展建設以形成導航產(chǎn)業(yè)完整“生態(tài)圈”.

BDS在設計建設過程中，采用增強體系與基本系統(tǒng)一體化同步建設思路，北斗增強服務體系已初步形成，并成為北斗系統(tǒng)特色與優(yōu)勢之一.未來，北斗增強體系應進一步融合5G、低軌衛(wèi)星等新技術(shù)，不斷豐富、完善和發(fā)展，提升服務性能、拓展服務范圍及應用場景，在北斗綜合PNT服務中發(fā)揮重要作用.