兼容“北斗”的差分全球卫星导航系统台站应用前景探讨

窦芃（天津海事局航测科技中心）

□□随着“北斗”导航卫星的陆续升空，我国拥有自主知识产权的“北斗”卫星导航系统（以下简称“北斗”）正在蓬勃发展，建设可兼容“北斗”的无线电指向标-差分全球卫星导航系统（RBN-DGNSS）台站成为克服美国“全球定位系统”（GPS）局限性和风险性的最佳解决方法。

1 我国沿海RBN-DGPS台站的现状及局限性

RBN-DGPS是一种高精度、全天候的海上导航定位系统，它利用航海无线电指向标播发台向用户播发DGPS修正信息，以提高定位精度。沿海RBNDGPS是我国唯一符合国际标准的高精度无线电导航定位系统。

截至2008年底，我国沿海共有20个RBN-DGPS台站向公共用户提供无偿服务，目前已基本实现对我国沿海的完全覆盖。该系统单站作用距离300km，使用亚米级接收机时定位精度优于5m，普通接收机定位精度优于10m。从目前各台站设备的运行情况来看，整个系统基本稳定可靠，在海上测量、海上船舶导航定位、海上石油探测及海洋工程等诸方面都发挥了较好的效益。随着其应用领域的不断扩展，用户正逐步扩展到各行各业，用户对它的要求越来越高，对它的依赖性也越来越大。

RBN-DGPS在不断扩展的应用领域中发挥越来越重要作用的同时，该系统在定位信号来源方面的局限性也日益明显。目前，在我国卫星导航民用领域，GPS系统处于垄断地位，沿海RBN-DGPS也是依赖于GPS提供的卫星定位服务才能进行信号差分，一旦GPS卫星失效或者美国军方停止向我国提供GPS定位服务，RBN-DGPS必将无法工作，陷入彻底瘫痪。

单一使用GPS进行导航定位的安全性问题已经成为我国国防建设和经济发展的严重隐患之一。使用多星座联合导航技术，比如同时使用“北斗”和GPS实现多模兼容定位，提高定位精度，缩短启动时间，增加定位的可靠性，这是克服GPS的局限性和风险性的最佳解决方法。

“北斗”应用于海上船舶安全

2 “北斗”定位和发展策略

“北斗”是GNSS的重要组成部分之一，该系统坚持独立自主、开放兼容的方针，民用部分向全球开放，与其他GNSS实现兼容与互操作。“北斗”采取积极开放的国际合作政策，开展系统、技术、市场与产业全方位交流合作，全面融入GNSS及其产业全球发展。

“北斗”的发展策略是：①在建设独立系统的同时，应该充分利用其他GNSS信号资源；②调试完善系统，提前投入使用，培育自主产业；③利用后发优势，通过系统概念，实现系统最优化、投入最小化、产出最大化。

3 多模兼容的可能性和优势

由于多模兼容有利于提高定位精度，有利于处理电离层风暴问题，有利于完善性监测，因此多模兼容是保证系统精度的前提下，实现高完好性的首选途径，已受到欧美等发达国家的高度重视。采用多模兼容接收机可同时接收多星座信号，联合定位，实现完全兼容。

多模兼容的优势在于：①可视卫星数量多，可选择空间大；②几何精度因子小，接近1；③可使用频点多，9～10个频率；④定位精度高；⑤可用性和连续性高；⑥完好性有保障。

“北斗”应用于海上救援

各卫星导航系统在不同屏蔽仰角条件下可视卫星数量

“北斗”多模兼容的可能性分析表

4 将“北斗”技术应用于沿海RBN-DGPS台站的必要性

从卫星导航系统发展和应用的趋势来看，目前美国GPS无疑取得了先机，特别是在民用领域，GPS的垄断地位都难以动摇。因此，打破GPS的垄断地位，摆脱过分依赖GPS的局面，研究和发展多模兼容的GNSS应用设备是一个根本途径，并逐渐得到了各个国家的普遍重视。多模兼容接收机不仅增加可观测卫星的数目，改善可观测卫星的空间几何分布，而且增强了用户定位导航的精确性、可用性、可靠性和安全性。对于我国沿海RBN-DGPS台站来说，发展可兼容“北斗”的接收机及完好性监控设备是一个解决过分依赖GPS，提高系统可靠性的根本途径。

从各卫星导航系统的管理来看，只有目前未建成的欧洲Galileo卫星导航系统属于非军方管理控制的卫星导航系统，它从规划设计初期便确定了建立国际控制下的民用导航卫星系统的策略；而其他系统都是由其国家军方进行管理控制的，有权在任意时间对民用频段进行干扰，因此，在民用应用方面存在潜在的不确定因素。在这种情况下，如果RBN-DGPS台站具备多模兼容播发体制，就能确保海上用户定位精度不会受某个卫星导航系统干扰和失效的影响，从而在保证航行安全指挥等应用上扮演关键角色，发挥出重要的作用。无论用户的卫星接收机是单一的导航系统接收机还是多模兼容的接收机，都将通过指向标接收机接收到相应卫星导航系统的准确差分信号，提高导航定位精度。因此，将可兼容“北斗”的卫星导航定位设备应用于现有RBN-DGPS台站，将其扩展建成同时兼容GPS和“北斗”的差分播发台，具有非常重要的意义。

综上所述，在未来的规划建设中使RBN-DGPS差分台站具备兼容“北斗”的能力，使其发展成为RBN-DGNSS，为沿海用户提供更加全面、精确、安全的无线电定位导航服务信息，对提高国家海事航运技术服务水平具有非常重要的意义，对我国海事航运的现代化发展奠定更加扎实稳定的基础而言是非常必要的。

完成装配的“北斗”导航卫星（南勇/摄）

5 建设兼容“北斗”的RBN-DGNSS台站的构想

RBN-DGNSS台站的总体架构可与现行的RBNDGPS台站保持一致，仍由基准台、播发台和完好性监控台组成。建成后的RBN-DGNSS台站，可接收多个卫星导航系统的信号，并进行处理和差分信息播发，大大提高现役RBN-DGPS台站的作用。其中涉及到的改造关键部分包括基准台的接收机、完好性监控台的导航接收机、完好性监控计算机的软件及与这些设备有关联的物理连接。基准台的接收机由原来的GPS接收机更新为具备能够接收多个卫星导航系统卫星信号进行综合解算的多模兼容接收机；完好性监控台的导航接收机由原来的导航GPS接收机更新为具有多模兼容完好性监控的差分接收机；而原播发台设备保留继续使用，整个播发工作流程与当前保持一致，只需将监控台软件功能升级。

多模兼容的RBN-DGNSS台站主要功能和特点如下：

1）各卫星导航系统差分信息由基准台统一计算，顺序或可选择发送。基准台实现多个卫星导航系统卫星信息的差分计算、打包、顺序播发和人工设置播发。

2）完好性监控台按不同卫星导航系统实现完好性监控。监控台同时对多个卫星导航系统的差分信息进行独立监测，同时满足单卫星导航系统接收机和多模兼容接收机用户的需要。

3）多模兼容的监控台软件。RBN-DGNSS台站扩展了系统设备和差分信息播发内容，监控台软件需要重新设计。新的监控台软件参考三期RBN-DGPS台站现行监控软件的数据监测、存储、参数配置，设备状态监测等功能项，扩展到适用于RBN-DGNSS台站的多模兼容差分信息的监控。

“北斗”导航卫星进行天线展开试验（南勇/摄）

4）信号处理软件可升级和设置，无需更换硬件，适应分期建设投入。信号处理软件是多模兼容接收机接收到各卫星信号之后的内部计算处理软件。台站硬件平台搭建完成后，可根据卫星导航系统发展情况，针对可运行的卫星导航系统进行相应的信号处理软件升级，以达到一次性投入、分阶段实现的目标。

多模兼容的 RBN-DGNSS台站改造重点示意图

6 结语

水运是全世界最广泛的运输方式之一，也是卫星导航最早应用的领域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备，使海上和水路运输更为高效和安全。“北斗”将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障，同时其特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。

“北斗”和其他卫星导航系统不存在相互取代的问题，而是互为备份，从而形成高安全的卫星导航系统。“北斗”在我国沿海台站上的发展应用也应该充分利用DGPS台站多年来积累的技术和经验，促进多模兼容设备发展，减少成本投入，同时充分保障“北斗”的优势体现和系统的可用性，最终使其发展成为RBN-DGNSS台站，从而为用户提供更加全面、精确、安全、可靠的沿海无线电定位导航服务信息，提高海事航运技术服务水平。■