建設(shè)北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)精準(zhǔn)服務(wù)“一帶一路”

+ 孫長永、姚怡、趙軍 航天恒星科技有限公司

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建設(shè)北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)精準(zhǔn)服務(wù)“一帶一路”

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星基增強(qiáng)系統(tǒng)作為重要的導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施，通過在導(dǎo)航頻點(diǎn)播發(fā)類導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)為相關(guān)國家及地區(qū)提供覆蓋范圍廣、精度高的導(dǎo)航位置服務(wù)?！耙粠б宦贰睉?zhàn)略規(guī)劃的提出，對北斗高精度導(dǎo)航應(yīng)用提出了強(qiáng)烈需求，建設(shè)北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)既是全面服務(wù)“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(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，提出基于北斗/GPS建設(shè)星基增強(qiáng)系統(tǒng)的構(gòu)想。

衛(wèi)星導(dǎo)航；星基增強(qiáng)系統(tǒng)；北斗；一帶一路

1 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中發(fā)揮著越來越大的作用，能夠?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸、氣象、資源開采、海洋、森林防火、災(zāi)害預(yù)報(bào)、通信、公安等行業(yè)提供高效的導(dǎo)航定位服務(wù)，但由于單一衛(wèi)星導(dǎo)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(shè)GNSS星基增強(qiáng)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(wù)質(zhì)量，滿足用戶需要。最早的星基增強(qiáng)系統(tǒng)是由美國聯(lián)邦航空局與美國運(yùn)輸部于1994年聯(lián)合提出建設(shè)的WAAS（Wide Area Augmentation System）系統(tǒng)，該系統(tǒng)在GPS廣域差分技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，用于增強(qiáng)GPS導(dǎo)航性能，為民航飛行及其著陸階段飛行提供精確的導(dǎo)航信息。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)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(shí)施，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際化發(fā)展與應(yīng)用帶來前所未有的機(jī)遇。“一帶一路”沿線國家及地區(qū)互聯(lián)互通建設(shè)對北斗導(dǎo)航定位應(yīng)用特別是高精度、高可靠性應(yīng)用提出了強(qiáng)烈需求，建設(shè)基于地球同步軌道衛(wèi)星的北斗/GPS星基增強(qiáng)系統(tǒng)，快速實(shí)現(xiàn)大范圍北斗高精度差分和完好性服務(wù)覆蓋，全面服務(wù)“一帶一路”國家整體戰(zhàn)略規(guī)劃與建設(shè)成為北斗國際化發(fā)展的內(nèi)在需求。

2 星基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

星基增強(qiáng)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(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)（European Geostationary Navigation Overlay Service ，EGNOS）、日本的多功能衛(wèi)星星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Multi-functional Satellite Augmentation System ，MSAS）、印度的GPS 輔助型對地靜止軌道擴(kuò)增導(dǎo)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(diǎn)是通過通信衛(wèi)星播發(fā)類GPS信號(hào)為民眾提供公開服務(wù)。

2.1 美國WAAS

美國WAAS系統(tǒng)由美國聯(lián)邦航空局主導(dǎo)，由空間段、地面控制段及用戶段組成，如圖1所示。空間段由3顆GEO衛(wèi)星組成，每個(gè)GEO衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的頻點(diǎn)、調(diào)制方式與GPS衛(wèi)星完成相同。地面段由3個(gè)廣域主站、38個(gè)參考站及4個(gè)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(hào)，增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)。WAAS GEO衛(wèi)星信號(hào)格式與GPS L1信號(hào)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(hào)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(dú)立驗(yàn)證；提供WAAS廣播數(shù)據(jù)和測距信號(hào)；完成WAAS系統(tǒng)維護(hù)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(shí)間8秒。

2.2 歐洲EGNOS

EGNOS是由歐空局主導(dǎo)建設(shè)的廣域差分完好性SBAS系統(tǒng)，覆蓋歐盟地區(qū)，并計(jì)劃向非洲地區(qū)拓展，主要包括34個(gè)帶RAIM功能的監(jiān)測基準(zhǔn)站，3顆GEO衛(wèi)星，7個(gè)地面上行站，4個(gè)運(yùn)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(qiáng)信號(hào)、完備性信號(hào)、衛(wèi)星軌道參數(shù)和鐘差改正信號(hào)以及GPS偽距電離層改正信號(hào)提供增強(qiáng)服務(wù)。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(shí)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(qiáng)系統(tǒng)，主要目的是為日本航空提供通信與導(dǎo)航服務(wù)覆蓋范圍為日本所有飛行服務(wù)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(gè)主控站，分別位于神戶和常陸太田，4個(gè)地面監(jiān)測站（GMS）分別位于福岡、札幌、東京和那霸，2個(gè)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(shè)的目的是在印度提供滿足民用和航空應(yīng)用的精度和完好性要求的星基增強(qiáng)服務(wù)，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(gè)主控站、15個(gè)地面參考站以及2個(gè)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(shè)的，是用于監(jiān)測GPS和GLONASS并提供差分服務(wù)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，SDCM同時(shí)對GPS和GLONASS進(jìn)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(jì)劃全球進(jìn)行拓展。其空間段當(dāng)前由三顆GEO衛(wèi)星組成，地面段由24個(gè)基準(zhǔn)站，1個(gè)主控中心組成。目前SDCM已建設(shè)了25個(gè)監(jiān)測站，其中19個(gè)位于國內(nèi)，6個(gè)位于海外（含南極3個(gè)），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(jì)劃在2020年前，在世界范圍內(nèi)建成82 個(gè)SDCM監(jiān)測站，其中國內(nèi)29個(gè)，海外53個(gè)。按照俄在導(dǎo)航領(lǐng)域最新發(fā)展計(jì)劃，在2018年之前，俄將在全球范圍內(nèi)部署建設(shè)57個(gè)SDCM站。

圖5 SDCM系統(tǒng)構(gòu)成

2.6 小結(jié)

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

圖6 星基增強(qiáng)系統(tǒng)組成

3 北斗/GPS星基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想

3.1 系統(tǒng)組成

北斗/GPS星基增強(qiáng)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(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及監(jiān)測站坐標(biāo)并對外發(fā)布FTP服務(wù)（控制中心根據(jù)運(yùn)營服務(wù)需要需至少進(jìn)行1：1備份建設(shè)）。地面參考站網(wǎng)建設(shè)應(yīng)以覆蓋“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶為主要目標(biāo)進(jìn)行建設(shè)，并充分利用IGS-MGEX/國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（iGMAS）等公共基礎(chǔ)參考站資源實(shí)現(xiàn)原始觀測數(shù)據(jù)的采集，為廣域增強(qiáng)信息處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理中心是整個(gè)星基增強(qiáng)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)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(qiáng)信息生成，另外作為星基增強(qiáng)系統(tǒng)的核心，具備系統(tǒng)運(yùn)營、維護(hù)、控制能力，確保整個(gè)星基增強(qiáng)系統(tǒng)的有效運(yùn)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(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)處理中心獲取系統(tǒng)增強(qiáng)電文信息，通過基帶處理將其調(diào)制成為GEO衛(wèi)星信號(hào)，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(shí)上行站負(fù)責(zé)接收GEO衛(wèi)星下行信號(hào)，實(shí)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(hào)，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(shí)現(xiàn)全球廣域增強(qiáng)覆蓋。

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

3.2 系統(tǒng)工作流程

星基增強(qiáng)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(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)和氣象等原始觀測數(shù)據(jù)，實(shí)行全天24小時(shí)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(qiáng)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(shí)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(jì)算完好性信息，生成增強(qiáng)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(dǎo)航增強(qiáng)數(shù)據(jù)流，基于原子鐘和接收機(jī)輸出的時(shí)頻基準(zhǔn)進(jìn)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(shí)地面上行站也通過配備的星基增強(qiáng)接收機(jī)、頻譜儀等完成播發(fā)信號(hào)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(qiáng)信號(hào)；

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

4 應(yīng)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(shè)北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)具有重要的戰(zhàn)略意義：一方面星基增強(qiáng)系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣，投資少，建設(shè)周期短的特點(diǎn)，能夠快速提升北斗定位精度及完好性指標(biāo)，滿足“一帶一路”沿線高精度定位和完好性應(yīng)用需求；另一方面北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要全球建設(shè)大量的觀測站，星基增強(qiáng)系統(tǒng)所建設(shè)參考站可獲得大量北斗觀測數(shù)據(jù)，為北斗系統(tǒng)運(yùn)行提供有力保障支撐。

圖9 星基增強(qiáng)系統(tǒng)工作流程圖

以現(xiàn)有工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，北斗/GPS星基增強(qiáng)系統(tǒng)定位精度可優(yōu)于1米，完好性告警時(shí)間達(dá)到10秒，可為“一帶一路”沿線國家提供高精度位置服務(wù)，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(yīng)用.第二版［M］.北京：電子工業(yè)出版社， 2007.

［2］Global Positioning System Wide Area Augmentation System（WAAS） Performance Standard.Federal Aviation Administration & Department of Transportation of USA，2008.10.

［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(qiáng)服務(wù)的原理與實(shí)現(xiàn).中國民航大學(xué)學(xué)報(bào).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?yàn)镚NSS/SBAS及其應(yīng)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?yàn)橥ㄐ判l(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。