北斗導(dǎo)航定位精度與北斗增強(qiáng)系統(tǒng)

王 坦 李 瑜 師宏波 王閱兵

1）中國(guó)北京 100048 首都師范大學(xué)

2）中國(guó)北京 100045 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心

“挑戰(zhàn)GPS，北斗導(dǎo)航定位精度已達(dá)到厘米級(jí)”，此類報(bào)道常見(jiàn)諸報(bào)端。“人世間最遠(yuǎn)的距離不是天涯海角，而是我站在你的面前，導(dǎo)航卻顯示我在馬路對(duì)面。”這說(shuō)的也是導(dǎo)航，打車軟件定位不準(zhǔn)給人們出行帶來(lái)一些麻煩。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星分布在距地球2 萬(wàn)多千米的太空，穿越茫茫宇宙，如此遙遠(yuǎn)的距離，定位精度是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)？如果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，那為什么手機(jī)端導(dǎo)航軟件仍常常出現(xiàn)定位偏差？

1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位精度已達(dá)厘米級(jí)，在當(dāng)今社會(huì)中應(yīng)用廣泛。定位精度實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)是事實(shí)，但嚴(yán)格而言不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。真正意義上的厘米級(jí)定位，尚需其他輔助條件。目前，美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯GLONASS、中國(guó)北斗BDS 和歐洲伽利略GALILEO，依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)本身，實(shí)時(shí)定位精度最高只能達(dá)到米級(jí)。實(shí)現(xiàn)更高精度的定位，需要配合相關(guān)技術(shù)和相關(guān)信息，比如能夠?qū)崟r(shí)獲取改正數(shù)據(jù)，或者延長(zhǎng)定位時(shí)間。

按照定位方式，衛(wèi)星導(dǎo)航定位可分為單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位、差分實(shí)時(shí)定位和事后處理定位。單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位即僅靠跟蹤衛(wèi)星觀測(cè)信號(hào)，獨(dú)立定位。采用該方式進(jìn)行定位，精度較低，民用北斗定位系統(tǒng)精度可優(yōu)于10 m。差分實(shí)時(shí)定位指除自身定位外，實(shí)時(shí)接收必需的差分改正信息，才能實(shí)現(xiàn)高精度定位。采用該方式進(jìn)行定位，精度較高，使用RTK 技術(shù)，北斗導(dǎo)航定位精度可優(yōu)于5 cm。事后處理的高精度定位，需要專業(yè)人士架設(shè)專業(yè)觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)（通常不少于1 h），并利用軟件，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)和一定距離的同時(shí)段基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)共同進(jìn)行精細(xì)處理，北斗導(dǎo)航定位精度可優(yōu)于5 mm，但限制較多，且無(wú)法實(shí)時(shí)給出定位結(jié)果，主要用于科學(xué)研究。因此，媒體報(bào)道的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)精度指的是差分實(shí)時(shí)定位精度。

2 差分定位技術(shù)

GPS 設(shè)計(jì)之初主要面向軍事應(yīng)用，并為國(guó)家安全服務(wù)。出于安全考慮，在最初設(shè)計(jì)中，計(jì)劃提供2 種不同精度的定位服務(wù)：①針對(duì)美國(guó)及其盟友軍事部門和其他特許民用部門，提供精密定位服務(wù)（PPS），預(yù)期定位精度可達(dá)10 m；②針對(duì)廣大民間用戶，提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS），預(yù)期定位精度僅約100 m。然而，在GPS 建設(shè)過(guò)程中，衛(wèi)星上時(shí)鐘的穩(wěn)定性和衛(wèi)星飛行軌道的準(zhǔn)確度得到較大程度的提高，標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)從而達(dá)到了14 m 的定位精度。事關(guān)軍事應(yīng)用和國(guó)家安全，美國(guó)政府于1991 年7 月在Block Ⅱ衛(wèi)星上施加SA（Selective Avaibility）政策，人為降低了標(biāo)準(zhǔn)GPS定位服務(wù)的精度（劉基余，1993）。SA政策是一個(gè)組合，包括δ和ε，其中δ釋放噪聲，干擾時(shí)鐘，ε降低衛(wèi)星飛行軌道精度信息。SA 政策實(shí)行后，GPS 民用定位精度降到100 m 左右。

為了消除SA 政策的影響，人們發(fā)明了差分技術(shù)。假設(shè)地面上一個(gè)點(diǎn)的精確位置已知，在該點(diǎn)位接收導(dǎo)航信息進(jìn)行定位（圖1），若將定位結(jié)果與自身精確位置進(jìn)行比較，則可獲取修正信息。在同一時(shí)刻和一定空間范圍內(nèi)，可以大致認(rèn)為該區(qū)域定位受到SA 政策的影響是相同的，若將已知點(diǎn)的修正信息廣播出去，附近用戶即可利用該信息提高定位精度，這就是差分定位思想的原型。為用戶提供差分導(dǎo)航改正的在地面已知點(diǎn)架設(shè)的高精度衛(wèi)星接收機(jī)，被稱為基準(zhǔn)站或參考站；連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站，被稱為連續(xù)運(yùn)行參考站。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite navigation and positioning

人們發(fā)現(xiàn)，利用差分方法定位，不但消除了SA 政策帶來(lái)的定位影響，也消除了衛(wèi)星軌道誤差、大氣影響等因素帶來(lái)的誤差，衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度從米級(jí)躍升到厘米級(jí)。這是因?yàn)椋谕粫r(shí)刻、同一空間范圍內(nèi)（通常120 km 以內(nèi)較優(yōu)），衛(wèi)星軌道誤差、大氣影響等因素具有強(qiáng)相關(guān)性。為了有效提高差分導(dǎo)航定位精度，很多國(guó)家進(jìn)行了城市級(jí)、省級(jí)或全國(guó)范圍的參考站網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，這就是不同服務(wù)范圍的地基增強(qiáng)系統(tǒng)。差分實(shí)時(shí)定位示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 差分實(shí)時(shí)定位示意圖Fig.2 Differential real-time positioning diagram

美國(guó)Trimble 公司在傳統(tǒng)差分技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制出虛擬參考站技術(shù)（Virtual Reference Station）（王平，2001）。在虛擬參考站技術(shù)中，地基增強(qiáng)系統(tǒng)各參考站不直接向用戶發(fā)送差分改正信息，而是將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)給控制中心。用戶在工作時(shí)，會(huì)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向控制中心發(fā)送一個(gè)自身位置，控制中心接收位置信息后，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇一組最佳固定基準(zhǔn)站，據(jù)基準(zhǔn)站發(fā)送信息，在用戶旁邊生成一個(gè)虛擬參考基站，使用相關(guān)模型重構(gòu)觀測(cè)值，向用戶發(fā)送虛擬參考站的改正數(shù)據(jù)，從而打破了傳統(tǒng)差分改正作業(yè)距離上的限制，保證了用戶定位精度（圖3）。類似技術(shù)還有徠卡Leica 的主輔站技術(shù)（陸金鳳等，2007）、Geo++公司的FKP 技術(shù)（劉彥芳等，2009）。

圖3 地基增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ground-based augmentation systems

差分定位技術(shù)也可以通過(guò)星基增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)數(shù)據(jù)通訊衛(wèi)星，為通訊服務(wù)未開(kāi)通或較大范圍內(nèi)無(wú)參考站的地區(qū)（如沙漠、海洋等）提供差分定位服務(wù)。通過(guò)發(fā)射一些地球靜止軌道衛(wèi)星，向用戶播發(fā)修正信息來(lái)實(shí)現(xiàn)差分定位，這就是星基增強(qiáng)系統(tǒng)。受限于通信衛(wèi)星距離較遠(yuǎn)，星基增強(qiáng)系統(tǒng)每次導(dǎo)航初始化即需要10 min 左右，當(dāng)跟蹤衛(wèi)星和解算結(jié)果等穩(wěn)定后，才可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分米級(jí)定位。目前星基增強(qiáng)系統(tǒng)較多，如美國(guó)的WAAS、俄羅斯的SDCM、歐洲的EGNOS、日本的MSAS 以及印度的GAGAN 等（鄭金華，2020）。

3 我國(guó)北斗增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)

衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，在于民用市場(chǎng)的迅速發(fā)展；民用市場(chǎng)的發(fā)展，又在于導(dǎo)航定位精度能否滿足民用市場(chǎng)需求。差分定位技術(shù)給衛(wèi)星導(dǎo)航精度帶來(lái)質(zhì)的提升，對(duì)于推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航的民用發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用。作為提高北斗導(dǎo)航精度的“殺手锏”，北斗增強(qiáng)系統(tǒng)隨著北斗系統(tǒng)工程的啟動(dòng)開(kāi)始同步建設(shè)，且在其設(shè)計(jì)之初即考慮到地基和星基兩部分。

（1）北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。地基增強(qiáng)系統(tǒng)站與站之間的距離在30—300 km。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的中東部地區(qū)，系統(tǒng)站點(diǎn)分布較密，站間距約30—120 km，而西部不發(fā)達(dá)地區(qū)站點(diǎn)分布相對(duì)稀疏，站間距約50—300 km。地基系統(tǒng)建設(shè)分2 個(gè)階段進(jìn)行：①一期工程于2014—2016 年完成：框架網(wǎng)基準(zhǔn)站、區(qū)域加強(qiáng)密度網(wǎng)基準(zhǔn)站、國(guó)家數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)和國(guó)土資源、交通運(yùn)輸、中國(guó)科學(xué)院、地震、氣象、測(cè)繪地理信息6 個(gè)行業(yè)數(shù)據(jù)處理中心建設(shè)完成，在全國(guó)范圍提供基本服務(wù)；②二期工程于2017—2018 年完成：區(qū)域加密網(wǎng)基準(zhǔn)站補(bǔ)充建設(shè)。如今共改造建設(shè)完成框架網(wǎng)基準(zhǔn)站150 個(gè)，區(qū)域加強(qiáng)密站1 800 余個(gè)，利用我國(guó)自主研發(fā)的北斗GNSS 高精度接收機(jī)，通過(guò)地面參考站網(wǎng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理整網(wǎng)站點(diǎn)解算，面向用戶不同需求，可提供1—2 m、分米級(jí)、厘米級(jí)和毫米級(jí)后處理等不同等級(jí)的高精度位置服務(wù)。

（2）北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)。北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)同樣是北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的重要組成部分，按照國(guó)際民航標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)在建設(shè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之初已同步開(kāi)展北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與建設(shè)工作。隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，北斗三號(hào)不僅考慮了使用差分技術(shù)的SBAS 星基增強(qiáng)服務(wù)，也設(shè)計(jì)了支持“衛(wèi)星精密單點(diǎn)定位（Precision Point Positioning）”的星基增強(qiáng)服務(wù)（陳忠貴等，2020）。2019 年12 月27 日上午，北斗三號(hào)系統(tǒng)提供全球服務(wù)一周年新聞發(fā)布會(huì)在國(guó)務(wù)院新聞辦公室召開(kāi)。北斗公開(kāi)服務(wù)信號(hào)B2b 和精密單點(diǎn)定位服務(wù)信號(hào)PPP-B2b接口控制文件（測(cè)試版）同步發(fā)布。北斗三號(hào)3 顆地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星在我國(guó)及周邊地區(qū)播發(fā)PPP 服務(wù)B2b 信號(hào)，可為用戶提供公開(kāi)、免費(fèi)的高精度服務(wù)。這是北斗系統(tǒng)首次對(duì)外發(fā)布高精度服務(wù)信號(hào)，先行實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)定位精度增強(qiáng)服務(wù)，用戶可獲取實(shí)時(shí)分米級(jí)精度定位。后續(xù)，隨著北斗系統(tǒng)上下行鏈路資源的提升，星基增強(qiáng)系統(tǒng)將具備為更多系統(tǒng)（北斗、GPS、GLONASS 和Galileo）提供更高定位精度的能力。

4 北斗發(fā)展，道阻且長(zhǎng)

依靠增強(qiáng)系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度，在脫離增強(qiáng)系統(tǒng)環(huán)境下，北斗可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10 m 的定位精度，與GPS 普遍可以達(dá)到3 m 左右的定位精度尚有不小差距。進(jìn)行衛(wèi)星高精度定位，需要使用高精度GNSS 芯片。在專業(yè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)GNSS 芯片產(chǎn)業(yè)已實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)、規(guī)模生產(chǎn)與行業(yè)應(yīng)用，在測(cè)量測(cè)繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、無(wú)人機(jī)、駕考駕培、智能駕駛等行業(yè)，已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。但對(duì)于消費(fèi)類產(chǎn)品，如手機(jī)中的GNSS 芯片，與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)整體技術(shù)仍有相當(dāng)大的差距。利用手機(jī)進(jìn)行高精度衛(wèi)星定位，目前的技術(shù)難點(diǎn)在于，無(wú)手機(jī)適用的支持高精度定位的GNSS 天線（Pesyna et al，2014；Humphreys，2016，2017），從而制約了差分定位技術(shù)在此類消費(fèi)產(chǎn)品的大規(guī)模使用。

從2012 年14 顆北斗二號(hào)衛(wèi)星完成亞太地區(qū)組網(wǎng)，到2020 年北斗三號(hào)完成全球組網(wǎng)并提供全球定位服務(wù)，短短8 年時(shí)間，北斗系統(tǒng)即已發(fā)展成為我國(guó)自主研發(fā)、完全可控、軍民兩用的國(guó)之重器。隨著北斗產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)高精度衛(wèi)星定位的市場(chǎng)需求出現(xiàn)井噴，如無(wú)人駕駛、共享出行、人員定位、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)投遞等，一大批專注于北斗技術(shù)、北斗應(yīng)用、北斗高精度定位技術(shù)開(kāi)發(fā)的高新科技公司正在崛起。在國(guó)家政策引導(dǎo)下，北斗產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，北斗應(yīng)用逐漸深入，將更好地為社會(huì)公眾提供更加精細(xì)的服務(wù)。