王宏凱 鐘 斌 邊少鋒 李 娟
(1.海軍工程大學 武漢 430033)(2.青島農(nóng)業(yè)大學 青島 266109)
目前,星站差分定位系統(tǒng)己經(jīng)成為多個國家衛(wèi)星導航系統(tǒng)不可缺少的配套設(shè)施,是提高定位精度的重要手段。繼美國、歐盟之后,許多國家都在致力于衛(wèi)星定位星基增強技術(shù)的開發(fā)。星基增強技術(shù)的基本原理是差分定位。該系統(tǒng)的原理為,將己知位置的參考站獲得的數(shù)據(jù),經(jīng)過差分改正后,上傳至衛(wèi)星并由衛(wèi)星發(fā)送至用戶,用戶定位精度可以得到顯著提高[1]。星站差分定位一般由四部分組成:地面部分、空間部分、用戶部分和支持系統(tǒng),空間段一般由地球同步衛(wèi)星構(gòu)成;地面段包括監(jiān)測站、主控站、注入站和通信網(wǎng)絡(luò);用戶段是由能夠接收SBAS 信號的接收機構(gòu)成[2]。SBAS 系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖1 所示。通過地球同步衛(wèi)星或其他通訊衛(wèi)星(如Inmarsat 星)搭載衛(wèi)星導航增強信號轉(zhuǎn)發(fā)器,可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種改正信息,以實現(xiàn)對原有導航定位系統(tǒng)精度的改善和提高。
國外已經(jīng)建成并開始服務的星基增強系統(tǒng)有美國的廣域增強系統(tǒng)WAAS、歐洲地球同步衛(wèi)星導航增強服務系統(tǒng)EGNOS、日本的基于多功能運輸衛(wèi)星的增強系統(tǒng)MSAS、印度的GPS 輔助型靜地軌道增強導航系統(tǒng)GAGAN[3];計劃建設(shè)中的星站差分定位系統(tǒng)有俄羅斯的差分改正監(jiān)測系統(tǒng)SDCM和韓國增強衛(wèi)星系統(tǒng)KASS[4~6]。中國的星站差分定位系統(tǒng)利用北斗星系統(tǒng)的通訊鏈路,向中國以及周邊地區(qū)播發(fā)差分定位信息以及衛(wèi)星可用性等信息[7],標志著中國在建立衛(wèi)星導航定位領(lǐng)域的發(fā)展已步入世界的先進行列。
鑒于星站差分定位系統(tǒng)的重要作用和發(fā)展形勢,本文對目前國外主要星站差分定位系統(tǒng)的發(fā)展情況加以整理,進行簡要介紹,并對北斗星站差分定位系統(tǒng)建設(shè)情況及必要性進行了分析。
星站差分定位典型的代表是歐洲地球同步衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service),它 通 過 增 強GPS 和GLONASS 兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度,來滿足高安全用戶的需求。EGNOS 空間部分包括3 顆GEO 衛(wèi)星,搭載導航增強轉(zhuǎn)發(fā)器,播發(fā)導航增強信號;兩顆是Inmarsat-3 衛(wèi)星,一顆在大西洋東部,另一顆在印度洋;還有一顆是ESA在非洲上空的地球同步通訊衛(wèi)星Artemis。軌道分別為西經(jīng)15.5°、東經(jīng)65.5°以及東經(jīng)21.3°。
EGNOS 地面系統(tǒng)包括MCC(主控制中心),RIMS站(測距與完好性監(jiān)測站)和陸地導航地球站(NLES)。用戶部分包括:用于空間信號性能驗證的EGNOS接收機,以及水運、空運和陸運用戶專用設(shè)備;系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)測試平臺,用于用戶接收機驗收、系統(tǒng)性能證明、定位誤差比較分析。支持系統(tǒng)包括EGNOS 廣域差分網(wǎng)以及系統(tǒng)開發(fā)驗證平臺、工程詳細技術(shù)設(shè)計、系統(tǒng)性能評價以及問題發(fā)現(xiàn)等支持系統(tǒng)。EGNOS 系統(tǒng)構(gòu)成及空間段覆蓋示意見圖2。
EGNOS 系統(tǒng)已經(jīng)于2009 年開始正式運行使用,并將至少工作20年以上。目前,EGNOS系統(tǒng)可以提供三種服務:1)免費的公開服務,定位精度1m,已于2009 年10 月開始服務;2)生命安全服務,定位精度1m,已于2011年3月開始服務;3)EGNOS數(shù)據(jù)訪問服務,定位精度優(yōu)于1m,已于2012 年7 月開始服務[8]。EGNOS 的生命安全服務服務在2015年實現(xiàn)LPV-200 服務能力,并于2016 年利用空客A350 成功完成LPV-200 飛行進近。截止到2016年4月,已經(jīng)公布了有261個基于EGNOS的LPV 飛行程序。歐洲具備EGNOS 能力的飛機場已經(jīng)超過了50 個,以法國和德國為主,而未來計劃配備EGNOS 能力的飛機場還將超過50 個。這樣來看,未來在歐洲將至少有100個機場具備EGNOS能力[5]。
圖2 EGNOS系統(tǒng)構(gòu)成及空間段覆蓋示意圖
市場上已經(jīng)得到廣泛應用的星站差分定位系統(tǒng)Starfire 系統(tǒng)。StarFire 網(wǎng)絡(luò)是美國NAVCOM 公司在1999 年建立的在全球范圍內(nèi)提供GPS 差分信號發(fā)布服務廣域差分系統(tǒng),它提供了獨一無二的可靠性和分米級的定位精度,具備99.99%可靠性。StarFire?DGPS 包括10 通道(雙頻GPS 信號接受),另外兩個獨立的通道,一個用于接受SBAS(Satellite Based Augmentation System)信號,另外一個用于接受L 波段差分改正信號。設(shè)備通過兩個115Kbps 數(shù)據(jù)傳輸口,原始數(shù)據(jù)的輸出可達50Hz,PVT(Position Velocity Time)數(shù)據(jù)輸出可達25Hz。改正信號通過Inmarsat 靜止衛(wèi)星進行廣播,無須建立測區(qū)的基準站或進行后處理。
StarFire 網(wǎng)絡(luò)自從1999 年4 月開始運行以來,基本上覆蓋了全世界[9]。在北緯76°到南緯76°的任何地球表面,都能提供同樣的精度。
StarFire 是由美國NavCom 公司建立的商業(yè)GPS 廣域差分系統(tǒng),也是全球首個能夠提供5cm 精度實時定位的星基增強系統(tǒng),可以覆蓋南北緯76°區(qū)間的任何地域。該系統(tǒng)采用多數(shù)據(jù)通道、兩個獨立的數(shù)據(jù)處理中心以及雙衛(wèi)星上傳設(shè)備,來確保向全球用戶提供連續(xù)、可靠的定位服務。
StarFire系統(tǒng)包括遍布全球的80多個參考站組成的雙頻參考站網(wǎng),2 個數(shù)據(jù)處理中心、通信鏈路、3 個全球分布的注入站、6 顆INMARSAT 同步衛(wèi)星。系統(tǒng)提供高精度、高可靠GPS廣域差分增強服務,定位精度達到厘米級,具有較高的性價比,廣泛應用于大地測量、航空攝影測量、遙感制圖、移動目標姿態(tài)方向測定、精確授時、工程形變監(jiān)測、機械控制、海洋測繪、港口調(diào)度、港口碼頭工程、機器人和無人機精確導航等行業(yè)和應用領(lǐng)域。
作為另外一個市場上廣泛應用的星站差分定位系統(tǒng),OmniSTAR 系統(tǒng)是一套可以覆蓋全球的高精度GPS 增強系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分布在世界各地的70 個地面參考站來測定GPS 系統(tǒng)的誤差,由分別位于美國、歐洲和澳大利亞的3 個控制中心站對各參考站的數(shù)據(jù)進行分析和處理,并將經(jīng)分析和確認后的差分改正數(shù)據(jù)通過同步衛(wèi)星廣播給用戶,實現(xiàn)高精度的的實時定位[8]。OmniSTAR 提供測量、定位、環(huán)境和包括陸地和近海的衛(wèi)星服務。在陸地上新的應用方面OmniSTAR 服務可以滿足精密定位系統(tǒng)的需求。OmniSTAR 提供了實時的DGPS 定位服務。它能夠改善GPS 接收機的精度,提高約100 倍。OmniSTAR 系統(tǒng)比部分市場上其它競爭的系統(tǒng)能提供更大的地理覆蓋。目前,在mniSTAR信號覆蓋范圍內(nèi)可最高實現(xiàn)單機10cm 的實時定位精度。OmniSTAR 的應用橫跨了眾多工業(yè),包括農(nóng)業(yè)(精密耕作)、采礦業(yè)和大地測量等。航空業(yè)應用包括農(nóng)作物灌溉和地理測繪等。
OmniSTAR 提供三種GPS 差分等級的服務:VBS、HP、和XP。OmniSTAR VBS 是一個亞米級的服務。一個典型的24 小時的VBS 采樣顯示的2σ(95%)置信度下的水平位置偏差小于1m,而3σ(99%)的位置偏差接近于1m。新的OmniSTAR HP服務在2σ(95%)的置信度下的水平位置偏差小于10cm,3σ(99%)的水平位置偏差小于15cm[9]。在農(nóng)業(yè)機械引導和許多的測量任務方面,有其獨特的應用。它操作實時,不需要當?shù)鼗鶞收净蜻b感鏈路。新的OmniSTAR XP 服務提供短期幾英寸和長期重復性優(yōu)于20cm(95%CEP)的精度。它特別適合農(nóng)業(yè)自動化操縱系統(tǒng)。精度比HP 低,約20cm,全世界范圍內(nèi)可用,在測量方面,與地域性差分系統(tǒng)(如WAAS)相比,精度有所提高。用戶在購買具有OmniSTAR 功能的GPS 接收機后,可向Omni-STAR 的服務商交納服務費用,申請開通服務。目前在中國地區(qū),可支持VBS和HP/XP服務。
OmniSTAR 系統(tǒng)是由OmniSTAR 公司開發(fā)和運營的一套覆蓋全球的高精度差分增強系統(tǒng),面向單頻和雙頻高精度用戶提供基于星基播發(fā)提供GPS廣域差分服務,精度從分米級至厘米級。用戶主要分布在石油勘探、精準農(nóng)業(yè)、電力施工、礦產(chǎn)作業(yè)、水利施工等諸多非測繪行業(yè)。
OmniSTAR 系統(tǒng)由分布在全球的100 多個單頻、雙頻地面參考站,由分別位于美國、歐洲和澳大利亞的3 個控制中心以及用于播發(fā)差分改正數(shù)據(jù)的海事衛(wèi)星組成??刂浦行膶Ω鲄⒖颊镜臄?shù)據(jù)進行分析和處理,并將生成的差分改正數(shù)據(jù)通過海事衛(wèi)星廣播給用戶,為陸地、空中應用提供全天候的高精度、高可靠性實時差分定位商業(yè)服務,如圖3所示。
圖3 OmniSTAR參考站分布和衛(wèi)星覆蓋圖
除了南北緯60°以外的部分地區(qū)外,OmniSTAR系統(tǒng)服務覆蓋了全球大部分陸地,但系統(tǒng)無法提供完好性服務。OmniSTAR具體服務類型參見表1。
俄羅斯以及亞洲的日本、印度都在競相發(fā)展各自具有星基播發(fā)的增強系統(tǒng),助力本國衛(wèi)星導航的建設(shè)與應用。
1)日本GPS 連續(xù)應變監(jiān)測系統(tǒng)(COSMOS)和MSAS
COSMOS 系統(tǒng)是由日本國家地理院于90 年代初開始建設(shè)的地殼應變監(jiān)測網(wǎng)逐步發(fā)展而來的。該系統(tǒng)站點分布密度較大,平均密度20km,最密的地區(qū)如關(guān)東、東京、京都等達到了10km~15km,到2005年底站點數(shù)目已經(jīng)達到1200個。該系統(tǒng)主要應用于地震監(jiān)測和預報、控制測量、建筑、工程控制、形變監(jiān)測、測圖和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新以及氣象測報等領(lǐng)域。
表1 OmniSTAR系統(tǒng)的服務類型及服務性能
MSAS系統(tǒng)是由日本氣象局和日本交通部組織實施的基于兩顆多功能衛(wèi)星的GPS 星基增強系統(tǒng)。該系統(tǒng)從1996 年開始實施,主要目的是為日本飛行區(qū)的飛機提供全程通信和導航服務。系統(tǒng)覆蓋范圍為日本所有飛行服務區(qū),也可為亞太地區(qū)的機動用戶播發(fā)氣象數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)包括2 個主控站(MCS)、4 個地面參考站(GMS)、2 顆GEO 衛(wèi)星、2個測距監(jiān)測站(MRS),具體見圖4。
圖4 日本MSAS系統(tǒng)組成
MSAS系統(tǒng)能夠很好地提高日本偏遠島嶼機場的導航服務性能,滿足國際民航組織(ICAO)對非精密進近階段(NPA)和I 類垂直引導進近(APV-I)階段的服務要求[10],在日本區(qū)域內(nèi)精度優(yōu)于1m,不在日本區(qū)域外規(guī)定精度,通常為2m~4m,且距離日本越遠,精度越低。
2)印度星基增強系統(tǒng)(GAGAN)
GAGAN系統(tǒng)由印度航空機構(gòu)和太空研究組織于2001 年8 月共同計劃實施,于2015 年7 月14 日發(fā)布系統(tǒng)服務[11]。該系統(tǒng)在地面段有15 個參考站、3 個上行注入站和1 個任務控制中心。GAGAN系統(tǒng)的技術(shù)體制與美國的WAAS相同,目前空間部分依賴GSAT-8和GSAT-10衛(wèi)星,GSAT-15衛(wèi)星作為該系統(tǒng)空間轉(zhuǎn)發(fā)器的備份。系統(tǒng)將改善印度的空中交通安全狀況,并為印度的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(IRNSS)建設(shè)提供經(jīng)驗[12],為50 多個機場提供服務,AAI 計劃用該項技術(shù)代替儀表著陸系統(tǒng)(ILS),為飛機提供更加精準的航線指引,節(jié)省時間和燃料成本,同時,只有安裝了SBAS系統(tǒng)的飛機才能使用這項技術(shù)。
3)俄羅斯系統(tǒng)差分校正與監(jiān)測系統(tǒng)(SDCM)
SDCM 系統(tǒng)是由俄羅斯航天局開發(fā)的差分校正與監(jiān)測系統(tǒng),并于2007 年開始試運行。該系統(tǒng)由分布于俄羅斯境內(nèi)的19個地面監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)、6個海外監(jiān)測站(其中3 個位于南極),位于莫斯科的控制中心和3 顆地球靜止軌道衛(wèi)星組成[4],可通過互聯(lián)網(wǎng)、電視通道和蜂窩網(wǎng)絡(luò)向用戶實時提供GLONASS、GPS的差分校正信息(完好性信息、廣域和局域差分改正數(shù)據(jù))。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 SDCM結(jié)構(gòu)圖
SDCM可提供1m~1.5m的水平定位精度和2m~3m的垂直定位精度。2012年4月16在莫斯科進行的定位精度試驗結(jié)果表明:在觀測時間為24 小時的情況下,GPS+SDCM系統(tǒng)可以達到水平方向1.0m(95%)、垂直方向2.5m(95%)的定位精度;GLONASS+SDCM 系統(tǒng)可以達到水平方向0.98m(95%)、垂直方向1.7m(95%)的定位精度。
我國北斗衛(wèi)星的星站差分定位系統(tǒng)正在逐步建設(shè)之中,部分已在中國和亞太地區(qū)得到應用,但精度稍低。以現(xiàn)有工程建設(shè)經(jīng)驗,北斗/GPS 星站差分定位系統(tǒng)定位精度可優(yōu)于1m,完好性告警時間達到10s,可為“一帶一路”沿線國家提供高精度位置服務,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[13]。
為使北斗星站差分定位系統(tǒng)達到國際標準,將其服務推向國際,實現(xiàn)與其他星站差分定位系統(tǒng)的兼容互操作,我國代表多次參與星基增強互操作工作組(SBAS IWG)會議。從2015 年4 月,我國代表首次參與SBAS 兼容互操作討論,將北斗星站差分定位系統(tǒng)帶入了國際化領(lǐng)域,至2016年11月,我國及其他各國代表在DFMC SBAS定義文檔和接口控制文檔上簽字,標志著北斗導航系統(tǒng)作為第四個增強對象得到了正式確認,奠定了北斗全球衛(wèi)星導航及北斗星站差分定位系統(tǒng)的國際地位。我國代表在參與SBAS IWG 協(xié)調(diào)的同時,還持續(xù)參與國際民航組織導航系統(tǒng)專家組(ICAO NSP)的多邊國際SBAS 標準制定工作,將DFMC SBAS 定義文件和接口文件的相關(guān)內(nèi)容整合到GNSS SARPs中[5]。為保證系統(tǒng)的播發(fā)信號的頻點資源,我國已經(jīng)啟動了北斗GEO 衛(wèi)星的L1/B1C 和L5/B2a兩個頻點信號B2a信號與GPS、Galileo/EGNOS、Inmarsat 的協(xié)調(diào)工作,并已于2016 年啟動了北斗星站差分定位系統(tǒng)B1C信號的頻率協(xié)調(diào)工作。
圖6 中國精度信號覆蓋范圍
2015 年6 月,由我國北斗導航企業(yè)、北京合眾思壯科技股份有限公司自主研發(fā)的全球星基高精度增強服務系統(tǒng),“中國精度”正式提供服務,并面向全球同步發(fā)布,這將使我國北斗用戶在無需架設(shè)基站的情況下,可在全球任一地點實現(xiàn)便捷的亞米級、分米級和厘米級3 種不同精度層級的定位増強服務[13~14],信號覆蓋范圍見圖6。作為首個由中國企業(yè)完全建設(shè)和完全控制的全球高精度增強系統(tǒng),“中國精度”具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)和全部控制權(quán),打破國際企業(yè)的技術(shù)壟斷和封鎖,保障國家地理空間信息的安全性和自主權(quán),彌補了我國衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)在精度、可用性和完好性方面的不足,從提高北斗服務精度入手提升了北斗的全球競爭力?!爸袊取弊?018 年5 月31 日起將啟用新的播發(fā)頻率進行播發(fā)信號[15](見表2),服務類型及定位精度見表3。且對2018年6月30日之前購買服務的用戶,終身享受免費的亞米級增強服務[16]。
表2 中國精度信號播發(fā)新頻率更改
表3 服務類型及定位精度
1)是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要組成部分
持續(xù)提升北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務能力是北斗系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展的重要使命之一。目前北斗系統(tǒng)已經(jīng)完成區(qū)域組網(wǎng),空間星座、地面控制和用戶終端三部分組成了北斗的基本系統(tǒng),提供10m左右的定位精度,可初步滿足各行業(yè)對衛(wèi)星導航定位服務的基本需求。北斗星站差分定位系統(tǒng)將作為北斗基本系統(tǒng)的重要組成部分,通過地面參考站的修正,將定位精度提高至米級、分米級甚至厘米級,以及事后毫米級,系統(tǒng)的完好性和輔助定位能力,全面提升北斗系統(tǒng)服務性能,改善北斗服務質(zhì)量,實現(xiàn)北斗高精度導航定位服務能力。
2)是解決我國關(guān)鍵行業(yè)及領(lǐng)域高精度位置安全的重要手段
長期以來,我國測繪、交通、電力、國土資源調(diào)查、城建等行業(yè)應用領(lǐng)域嚴重依賴基于國外GNSS的高精度定位服務,特別是在高速公路、高鐵、橋梁、水電站等大型國家重要基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中基本上都是基于GPS 的實時動態(tài)差分或事后精密定位技術(shù),相關(guān)的標準、地圖、以及地理信息產(chǎn)品都是基于國外GNSS 差分高精度服務獲得,并且工程實施基本上采用了國外測量系統(tǒng)與軟硬件設(shè)備,客觀上存在嚴重的位置安全隱患。
北斗星站差分定位系統(tǒng)的建設(shè)將為上述行業(yè)應用領(lǐng)域提供同等精度的差分動態(tài)定位服務以及事后精密定位服務,并且通過可靠穩(wěn)定的國產(chǎn)北斗星站差分定位系統(tǒng)與軟硬件設(shè)備,確保關(guān)鍵行業(yè)和應用領(lǐng)域高精度位置數(shù)據(jù)的安全可控,從根本上解決我國關(guān)鍵行業(yè)及領(lǐng)域高精度位置應用安全。
3)是加快北斗應用推廣與產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施
經(jīng)過幾年的努力,北斗應用已經(jīng)初步解決了芯片、模塊等基礎(chǔ)產(chǎn)品核心技術(shù)的突破,相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)可以滿足行業(yè)和大眾基本需要[17],但北斗應用推廣與產(chǎn)業(yè)化工作仍面臨多重阻礙和不足,發(fā)展起步艱難。一方面,長期以來,基于GPS技術(shù)的導航、定位與授時產(chǎn)品以其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品與服務質(zhì)量贏得了市場的絕大部分份額,占據(jù)絕對的競爭優(yōu)勢;另一方面,高可靠穩(wěn)定、低功耗、低成本、高性能的北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品的研發(fā)仍需市場需求的牽引和驗證,而市場選擇主要依據(jù)綜合競爭力。尤其在北斗ICD 已經(jīng)公布后,國外高性能、低功耗、低成本的產(chǎn)品即將大肆沖擊民族北斗產(chǎn)業(yè),且形勢非常迫切。
為此,盡快建設(shè)高可靠、全國無縫覆蓋的北斗星站差分定位系統(tǒng),打造米級、分米級差異化服務優(yōu)勢,提供優(yōu)于現(xiàn)有GPS 的定位服務,彌補北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品其他方面不足,提升本土北斗的綜合競爭力,才能為北斗開展規(guī)模應用推廣與產(chǎn)業(yè)化打開突破口,加速北斗應用推廣與產(chǎn)業(yè)化步伐。
目前,衛(wèi)星導航星站差分系統(tǒng)己經(jīng)成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)必備的配套設(shè)施,是保障與提高定位精度的基礎(chǔ)設(shè)備。繼美國、歐盟之后,許多國家都在致力于星站差分技術(shù)的開發(fā)和研究。發(fā)展北斗星站差分定位系統(tǒng),既是維護國家國土安全的重要國家基礎(chǔ)設(shè)施,又是市場潛力巨大、發(fā)展迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。從當前國際形勢來看,我國必須發(fā)展自己的星站差分定位系統(tǒng),其系統(tǒng)建設(shè)和完善是一項復雜工程,同時也是一項重大科研課題。發(fā)展我國星站差分定位系統(tǒng),可以增強北斗系統(tǒng)的導航和定位能力,更好地為我國北斗用戶提供全方位導航定位服務。尤其在地基增強網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的區(qū)域,如海洋、沙漠等,通過星站差分定位系統(tǒng)也能達到較高的定位精度。用戶可以接收來自北斗GEO 衛(wèi)星的廣域差分信號,來提高定位精度與可靠性。同時星站差分定位系統(tǒng)的完善還有利于對北斗二代導航衛(wèi)星系統(tǒng)的的定位精度進行評價,對北斗二代導航系統(tǒng)的發(fā)展起著積極的作用。