衛星導航地基增強技術趨勢及特點分析

+高書亮

一、背景

全球衛星導航系統GNSS (Global Navigation Satellite System) 是全球衛星導航系統的總稱。包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗系統（BDS）和歐盟的GALILEO系統。從目前各系統的發展情況來看，GNSS系統可以采用單頻偽距定位的方式為用戶提供米級定位服務并能滿足多數一般性用戶的定位需要。但與此同時，相當一部分行業用戶（如工程測量、地質形變監測、精準農業等）需要高精度（厘米級、分米級）的導航定位服務。

衛星導航地基增強系統是在一定地理范圍內提供高精度差分定位服務的重要技術手段。它基于連續運行參考站（CORS）技術，通過在一定區域內布設一定數量的地面參考站對衛星導航信號進行長期連續觀測，并采用觀測數據對衛星導航信號進行誤差建模和修正，生成高精度差分改正數并播發給區域內的相關用戶，從而輔助用戶實現高精度差分定位。由于地基增強系統采用雙多頻的載波相位觀測量，并且具有較大服務覆蓋范圍（一般為省級或市級），從而能夠提供更加精準的導航定位服務。

隨著我國北斗衛星導航系統建設的不斷推進，覆蓋全國的北斗地基增強系統正不斷建設和完善，這些地基增強系統以北斗衛星導航系統（BDS）為主，兼容其他GNSS系統的地基增強系統，為拓展北斗導航系統的應用范圍和領域，提升北斗系統運行服務質量有著重要的意義。

二、運行原理

GNSS衛星導航地基增強系統是一種提供高精度導航定位差分服務的基礎性時空系統。該系統通過部署建設GNSS地面基準站網和數據處理中心，為區域內用戶播放高精度導航差分信息，從而滿足相關用戶對于實時的米級、亞米級、厘米級和事后的毫米級定位的需求。

地基增強系統一般包括基準站網、數據處理與服務中心、通信網絡系統和用戶終端等部分。

1.基準站網

圖1 StarLink衛星在軌分布

基準站網是地基增強系統的重要組成部分，其主要功能是全天候采集衛星導航觀測數據，將采集和預處理后的觀測數據傳輸到數據處理和服務中心，支持系統解算生成相關的差分改正數。一般基準站應采集北斗（B1B2B3頻點）、GPS（L1L2L5頻點）、GlONASS（L1L2頻點）等系統的信號。一個地基增強系統中基準站數量的多少一般取決于該系統服務的區域大小和區域內地形情況。

基準站子系統主要由室外設備和室內設備兩部分構成。室外設備一般包括天線基體（即天線墩）、天線固定裝置、導航接收機天線、導航信號發射天線和防雷設備。其中防雷設備又包括直擊雷防雷裝置、感應雷防雷裝置和接地網裝置。室外設備的主要功能是接收并處理衛星導航信號，初步解算和提取關鍵數據。室內設備主要包括多模衛星導航接收機、UPS電源、網絡設備和機柜以及其它的配套設備等。一般基準站都具備完整的導航信號接收、導航數據的處理、存儲以及相關的數據傳輸等功能。

一般而言，基準站應具備如下功能：

（1）衛星導航信號的接收、采集和處理

基準站能夠全天候連續實時采集北斗系統（BDS）三頻、GPS多頻（L1/L2/L5）、GLONASS雙頻（L1/L2）三系統信號，能夠輸出包括信號載噪比、碼偽距、載波相位觀測值、信號多普勒頻移、導航電文等多種類型的導航觀測數據。對于多系統接收的情況，基準站應具備時間自主同步功能，能夠將不同系統的觀測數據的時間基準統一到某一個通用的時間基準（如北斗系統時）上，確保各系統觀測數據保持時間同步

（2）衛星導航數據的傳輸

基準站接收到的導航衛星信號并完成解譯和參數提取后，需要將數據實時傳輸到中心系統。基準站接收機一般自身會配備相關的網絡傳輸設備（即從基準站衛星導航接收機到公網或專線通信線路的傳輸路徑），可以直接將數據傳輸到現有通信網絡。網絡傳輸通道一般通過光纖協議轉換器、VPN路由器和ADSL調制解調器等專用設備接入到電信運營商的固定或無線傳輸網絡。

（3）本地數據存儲

基準站采集的數據一般實時傳輸到數據處理與服務中心，由該中心對數據進行存儲和應用。但是如果出現通信中斷、基準站通信設備故障等意外情況，數據將無法傳輸到數據中心，這樣會導致中心系統無法存儲該時間段的衛星數據，從而影響后續的差分定位處理流程。因此，基準站自身一般也具備其所接收到的衛星導航數據的存儲能力，當網絡故障排除后，系統管理員可以通過手工操作的方法把缺失的觀測數據從基準站傳輸到中心系統進行存儲。

基準站外觀圖

（4）自動監測報警

基準站在運行出現故障時，應當向中心系統發出報警信息，以供管理者決策。導航接收設備運行狀況的監控和報警一般由導航接收機自身或外接接收機向中心系統傳輸接收機和天線狀態數據，包括接收機數據質量、衛星狀態、數據完好性等。當接收機運行出現異常時，接收機向中心系統發送警報，并同步發送故障信息。電源運行狀態通常通過UPS電源來遠程監控。供電出現異常時，UPS將向中心系統發送警報，并以文字形式說明異常信息。網路設備的監控主要針對網絡交換機、VPN等設備的運行狀態進行監控。監控信息包括網絡通路狀態、網絡傳輸速率和數據延時等信息。當網絡設備處于異常時，中心系統能夠監控到網絡設備故障，并遠程進行處理。

（5）遠程控制與管理

基準站應能夠支持相關人員和系統通過遠程方式對參考站進行參數設定、運行控制及運行狀態監控。具體包括三個主要方面：

■遠程參數設置：包括基準站導航接收機狀態設置和通信傳輸網絡設置等；

■遠程系統控制：包括控制接收機采樣速率、網路數據流向和基準站定位基準等；

■遠程狀態檢測：包括接收機檢測、接收機檢測、網路設備檢測和UPS電源檢測等。

2.數據處理和服務中心

數據處理和服務中心是地基增強系統的核心，主要承擔高精度差分數據處理、系統服務和系統運行監控等功能。其中:

（1）數據處理

數據處理功能是對收集和存儲各參考站傳輸的觀測數據，對這些觀測數據的質量進行實時評估。隨后，完成基準站數據多路徑影響分析、電離層巧對流層變化分析、系統完整性監測等功能，按照相關的GNSS誤差模型和差分改正數算法解算生成區域內的誤差改正數，以此為基礎為相關用戶提供高精度位置服務。目前主要的誤差改正數計算方法包括虛擬參考站（VRS）技術、區域改正數（FKP）技術和主輔站（MAC）技術。

虛擬參考站（VRS）技術示意圖

■虛擬參考站（VRS）技術：是指數據處理與服務中心完成所有基準站的信息融合和誤差源模型化。在流動站/用戶使用時，先發送其概略坐標給系統數據處理中心，系統數據處理中心根據這一概略坐標生成虛擬參考站觀測值，并回傳給流動站/用戶。流動站/用戶利用虛擬參考站數據和本身的觀測數據進行差分，從而得到高精度定位結果。VRS技術的優點在于只需增加一個數據接收設備，不需增加用戶設備的數據處理能力，接收機的兼容性比較好。此外，VRS技術要求雙向數據通訊，流動站既要接收數據，也要發送自己的定位結果和狀態，每個流動站和數據處理中心交換的數據都是唯一的，這就對系統數據處理和控制中心的數據處理能力和數據傳輸能力有很高的要求。VRS技術目前應用得比較廣泛，可以說是地基增強系統所主要采用的差分解算手段。

■主輔站技術（MAX）是將所有相關的代表整周未知數水平的觀測數據，作為網絡的改正數據播發給流動站。MAX技術與VRS技術一樣，流動站必須播發自己的概略位置給數據處理中心，數據處理中心根據其位置計算出流動站的改正數，再以標準差分協議格式發播給流動站，流動站可以是各種支持標準差分協議格式的接收機

■區域改正參數（FKP）技術基于狀態空間模型（SSM-State Space Model），其主要過程是數據處理中心首先計算出網內電離層和幾何信號的誤差影響，再把誤差影響描述成南北方向和東西方向區域參數，然后以廣播的方式發播出去，最后流動站根據這些參數和自身位置計算誤差改正數。FKP方法的優點在于當基準站受到諸如多路徑反射或高樓的信號遮擋等影響的時候，自動重新組成FKP的平面，單向數據通訊降低用戶的作業成本和保持用戶使用的隱蔽性。

■綜合誤差內插（CBI）技術是最早由武漢大學GPS工程中心提出的一種差分改正方法，這種方法要求基準站在進行數據處理時，不分別對對流層、電離層的誤差進行解算處理，而是匯集全部基準站的實時觀測數據，為不同流動站優選、處理并播發給流動站綜合誤差改正的信息，用戶只需要根據自身的概略坐標，使用線性內插的方法進行誤差修正。

除了一般的數據處理功能之外，數據處理與服務中心還應當具備如下功能：

■系統監控：對各基準站運行過程中的設備安全、正常性進行監控管理，可遠程監控基準站設備的工作參數、檢測工作狀態、發出必要的指令、改變各基準站運行狀態。對基準站進行設備完好性監測。

■信息服務：對區域內的各類用戶提供導航定位數據服務，地理信息中有關坐標系、高程系（似大地水準面精化工作完成后）的轉換服務。一般可采用以下的通信模式：1）GSM方式:采用基于GSM的數據業務向用戶發布數據信息；2）GPRS/CDMA方式：采用基于移動無線上網方式向用戶發布數據信息；3）事后數據發布：采用基于Internet發布等方式向用戶提供事后精密定位服務

■用戶管理：對所服務的各類用戶進行管理，包括：1）用戶計費管理。系統管理員將根據用戶使用的時間、時段、次數和通訊方式生成表格，以方便管理部門按照一定的制度進行計時計費；2）用戶身份、注冊、撤消、查詢、權限管理。系統管理員可方便的增減用戶，根據用戶的不同精度需求提供相應的精度權限，查詢統計某用戶的使用情況。

3.通信網絡系統

通信網絡系統完成系統中各關鍵環節的通信傳輸，并實現相關用戶的差分改正數播發。一般可采用電信運營商的無線或有線網絡。

4.用戶終端

為了確保系統用戶能夠正常的接收系統提供的高精度差分改正服務，用戶一般應配備相應的用戶終端。地基增強系統中的用戶終端應具備多雙頻和載波相位接收能力，可以與數據處理和服務中心進行數據交換，接收通信網絡播發的差分改正數并結合自身收到的觀測量完成差分定位。一般這類用戶終端應支持Ntrip協議。用戶按照精度可以分為毫米級、厘米級、亞米級、米級等幾類。按應用領域則可分為測繪與工程用戶（厘米級）、車輛導航與定位用戶（米級）、高精度 用戶（事后處理毫米級）等幾類，各領域的用戶使用不同精度的差分信息的精度要求見表1。

一般要求用于地基增強系統的用戶終端能夠實現多通道GNSS信號并行跟蹤接收。支持高可靠的載波跟蹤技術；能夠兼容CMR、RTCM等差分數據格式；內置3G/4G/GPRS等無線通信接入模塊。

表1 各領域用戶差分信息精度要求表

三、典型應用

目前，地基增強系統在主要領域的典型應用見表2。

四、發展現狀

當前，我國正逐步建設和完善國內的地基高精度導航服務設施，以行業和地區為單位，積極開展以北斗為主的GNSS地基增強網的建設。初步形成了覆蓋國內主要地區和部分行業的北斗地基增強系統，北斗地基增強系統由北斗基準站系統、通信網絡系統、國家數據綜合處理系統與數據備份系統、行業數據處理系統、區域數據處理系統和位置服務運營平臺、數據播發系統、北斗/GNSS 增強用戶終端等分系統組成。該系統一般利用間距為 50～300 km的地面基準站，通過地面通信系統播發導航信號修正量和輔助定位信號，向用戶提供厘米級至亞米 級的精密導航定位和大眾終端輔助增強服務。截止到2018年底，已建成基準站數量超過 2200個，成為目前全球基站數量最多、覆蓋范圍最廣，穩定運行的地基增強系統。該系統具備在全國陸地范圍內，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能力。能夠支撐測繪、地質、氣象、國土資源等行業提供專業的高精度位置服務。

在此基礎上，著眼于進一步發揮北斗衛星導航系統的時空基礎設施作用，國內相關部門采用市場化的運作方式，逐步建立了一個基于衛星定位、云計算和大數據技術的位置服務開放平臺--千尋位置平臺，該平臺通過北斗地基一張網的整合與建設，基于云計算和數據技術，構建位置服務云平臺開展北斗高精度增值服務商業運營，面向全國提供千尋跬步（米級）、知寸（厘米級）、見微（毫米級）等定制化的增強服務，以滿足國家、行業、大眾市場對精準位置服務的需求。

五、小結

從地基增強系統的當前發展特點來看，地基增強系統正逐步呈現出如下發展特點：

表2 地基增強系統典型應用表

■從單一系統向多模多系統方向發展，隨著北斗系統建設部署的逐步推進，地基增強系統正從早期的只針對GPS系統到向針對北斗、GLONASS等多個衛星導航系統的增強發展，針對多個系統的增強服務，能夠進一步增強系統的可靠性，擴展地基增強的應用范圍，從而為不同類型的客戶提供更加完整的高精度位置服務；

■向與互聯網高度融合方向發展，隨著互聯網技術的快速發展，國內以千尋位置為代表的相關企業，正逐步將高精度導航位置服務技術與互聯網生態進行更加緊密的融合，從而以“互聯網+位置（北斗）”為應用模式和理念，通過北斗地基增強全國一張網的整合與建設，構建開放性的位置服務平臺，從而滿足公眾市場對高精度位置服務的需求。SATNET