建设北斗星基增强系统精准服务“一带一路”

+ 孙长永、姚怡、赵军 航天恒星科技有限公司



建设北斗星基增强系统精准服务“一带一路”

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星基增强系统作为重要的导航基础设施，通过在导航频点播发类导航系统信号为相关国家及地区提供覆盖范围广、精度高的导航位置服务。“一带一路”战略规划的提出，对北斗高精度导航应用提出了强烈需求，建设北斗星基增强系统既是全面服务“一带一路”国家整体战略规划的需求，也是北斗国际化发展的内在需求。本文分析星基增强系统发展现状，提出基于北斗/GPS建设星基增强系统的构想。

卫星导航；星基增强系统；北斗；一带一路

1 引言

全球卫星导航系统（GNSS）在国民经济和社会生活中发挥着越来越大的作用，能够为交通运输、气象、资源开采、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安等行业提供高效的导航定位服务，但由于单一卫星导航系统定位精度受限，无法满足航空、能源开采、智慧交通、测绘等行业对高精度定位的需求。

为提高GNSS定位精度、完好性和可用性，越来越多的国家投入建设GNSS星基增强系统，利用地球静止轨道卫星（GEO）播发轨道、钟差、电离层改正数及完好性信息，提高GNSS的定位精度和完好性，从而提高GNSS的服务质量，满足用户需要。最早的星基增强系统是由美国联邦航空局与美国运输部于1994年联合提出建设的WAAS（Wide Area Augmentation System）系统，该系统在GPS广域差分技术的基础上发展而来，用于增强GPS导航性能，为民航飞行及其着陆阶段飞行提供精确的导航信息。

北斗卫星导航系统是中国实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，目前已覆盖亚太地区。国家“一带一路”战略规划的实施，对北斗卫星导航系统国际化发展与应用带来前所未有的机遇。“一带一路”沿线国家及地区互联互通建设对北斗导航定位应用特别是高精度、高可靠性应用提出了强烈需求，建设基于地球同步轨道卫星的北斗/GPS星基增强系统，快速实现大范围北斗高精度差分和完好性服务覆盖，全面服务“一带一路”国家整体战略规划与建设成为北斗国际化发展的内在需求。

2 星基增强系统发展现状

星基增强系统的典型代表是美国的WAAS（Wide Area Augmentation System）系统、欧洲的静止卫星导航重叠服务系统（European Geostationary Navigation Overlay Service ，EGNOS）、日本的多功能卫星星基增强系统（Multi-functional Satellite Augmentation System ，MSAS）、印度的GPS 辅助型对地静止轨道扩增导航系统（GPS Aided Geo Augmented Navigation ，GAGAN）、俄罗斯的差分校正和监测系 统 SDCM（System of Differential Correction and Monitoring）等，这种系统特点是通过通信卫星播发类GPS信号为民众提供公开服务。

2.1 美国WAAS

美国WAAS系统由美国联邦航空局主导，由空间段、地面控制段及用户段组成，如图1所示。空间段由3颗GEO卫星组成，每个GEO卫星发射信号的频点、调制方式与GPS卫星完成相同。地面段由3个广域主站、38个参考站及4个地面上注站组成。WAAS系统使用GEO卫星向GNSS用户提供播发GNSS完好性信息、GNSS改正数信息，并作为GEO卫星提供测距信号，增强GNSS系统。WAAS GEO卫星信号格式与GPS L1信号采用同样地频率，调制模式，伪码PRN生成。

图1 WAAS系统构成

WAAS系统主要功能是：采集GPS卫星数据；确定GPS信号电离层延迟、GPS卫星轨道校正参数、GPS卫星钟校正参数；监测GPS卫星完好性；完成数据独立验证；提供WAAS广播数据和测距信号；完成WAAS系统维护与操作。WAAS具备以下性能：水平、垂直定位精度优于2米（95%）；完好性告警时间8秒。

2.2 欧洲EGNOS

EGNOS是由欧空局主导建设的广域差分完好性SBAS系统，覆盖欧盟地区，并计划向非洲地区拓展，主要包括34个带RAIM功能的监测基准站，3颗GEO卫星，7个地面上行站，4个运行控制中心，系统构成如图2所示。

EGNOS通过GEO卫星播发测距增强信号、完备性信号、卫星轨道参数和钟差改正信号以及GPS伪距电离层改正信号提供增强服务。EGNOS具备以下性能：覆盖区内水平定位精度优于2米，高程优于3米；完好性告警时间6秒。

图2 EGNOS系统构成

2.3 日本MSAS

MSAS是日本的多功能GPS卫星星基增强系统，主要目的是为日本航空提供通信与导航服务覆盖范围为日本所有飞行服务区。空间段由两颗多功能传输卫星（MTSat）组成，地面段包括2个主控站，分别位于神户和常陆太田，4个地面监测站（GMS）分别位于福冈、札幌、东京和那霸，2个监测测距站（MRS）分别位于夏威夷和澳大利亚，系统构成如图 3所示。

图3 MSAS系统构成

2.4 印度GAGAN

GAGAN是由印度空间组织（ISRO）和印度航空管理局（AAI）联合组织开发的，系统建设的目的是在印度提供满足民用和航空应用的精度和完好性要求的星基增强服务，覆盖范围为印度及其周边地区。GAGAN系统的空间段由三颗位于印度洋上空的GEO卫星构成，地面段包括2个主控站、15个地面参考站以及2个上行注入站组成，系统构成如图 6所示。

图4 GAGAN系统构成

2.5 俄罗斯SDCM

SDCM是由俄罗斯建设的，是用于监测GPS和GLONASS并提供差分服务的星基增强系统，SDCM同时对GPS和GLONASS进行完好性监测，目前覆盖范围为俄罗斯联邦地区并计划全球进行拓展。其空间段当前由三颗GEO卫星组成，地面段由24个基准站，1个主控中心组成。目前SDCM已建设了25个监测站，其中19个位于国内，6个位于海外（含南极3个），利用这些监测站，可将GLONASS水平和垂直定位精度分别从8.8米、13.2米提高到0.98米、1.7米。未来，俄罗斯计划在2020年前，在世界范围内建成82 个SDCM监测站，其中国内29个，海外53个。按照俄在导航领域最新发展计划，在2018年之前，俄将在全球范围内部署建设57个SDCM站。

图5 SDCM系统构成

2.6 小结

从目前全球星基导航系统建设情况及分布来看，星基增强系统作为重要的导航基础设施，受到世界各国的青睐，星基导航增强系统通过在导航频点播发类导航系统信号提供免费公开服务，接收机不需要做额外硬件配置仅需简单固件升级即可接收增强信号，即可为相关国家及区域提供高精度导航位置服务。另外，建设星基增强系统不仅能够实现导航性能大幅提升同时通过政府间合作可获取全球多个地区的导航观测数据，为导航系统良好运行提供保障。

图6 星基增强系统组成

3 北斗/GPS星基增强系统建设构想

3.1 系统组成

北斗/GPS星基增强系统主要由地面参考站网、数据处理中心、地面上行站、空间段以及用户终端组成。

地面参考站网由一定数目的监测站及控制中心组成，监测站对北斗/GPS导航卫星进行实时的数据接收，获取观测数据发送控制中心，控制中心汇总地面参考站网中所有监测站的实时数据、非实时数据、气象数据及监测站坐标并对外发布FTP服务（控制中心根据运营服务需要需至少进行1：1备份建设）。地面参考站网建设应以覆盖“一带一路”经济带为主要目标进行建设，并充分利用IGS-MGEX/国际GNSS监测评估系统（iGMAS）等公共基础参考站资源实现原始观测数据的采集，为广域增强信息处理提供数据基础。

数据处理中心是整个星基增强系统的核心，负责完成数据接收、北斗/GPS精密轨道确定、北斗/GPS精密钟差确定、区域电离层建模、增强信息生成，另外作为星基增强系统的核心，具备系统运营、维护、控制能力，确保整个星基增强系统的有效运转。

图7 iGMAS/IGS-MGEX北斗/GNSS多模参考站资源分布图

地面上行站主要负责从数据处理中心获取系统增强电文信息，通过基带处理将其调制成为GEO卫星信号，经上变频和功率放大后，通过天线上行注入到GEO卫星中，同时上行站负责接收GEO卫星下行信号，实现L频段下行监测功能。

空间段接收地面上行站上注的信号，转发给终端用户。空间段卫星资源除采用北斗同步卫星播发方式外，也可充分利用尼星等中国制造卫星资源，并可通过租赁INMARSAT/THURAYA等构筑覆盖全球的天基资源，实现全球广域增强覆盖。

用户终端接收增强信号和北斗/GPS信号进行解调得到增强信息和观测数据；利用增强信息和观测数据进行定位解算。

3.2 系统工作流程

星基增强系统工作流程如下：

图8 INMARSAT/THURAYA/NIGCOMSAT-1R L band覆盖图

（1）参考站采集导航卫星信号和气象等原始观测数据，实行全天24小时连续观测，通过控制中心将原始观测数据传输至数据处理中心；

（2）数据处理中心利用控制中心发送的北斗/GPS观测数据、增强参考站接收的SBAS观测数据和收集的IGS精密定轨数据、原始观测数据等，实现卫星精密轨道确定、精密钟差确定和区域电离层建模，计算完好性信息，生成增强信息并传输至地面上行站；

（3）地面上行站接收数据处理中心发送的导航增强数据流，基于原子钟和接收机输出的时频基准进行载波生成与数据码调制，完成上变频后上注到通信卫星，同时地面上行站也通过配备的星基增强接收机、频谱仪等完成播发信号的检核；

（4）通信卫星完成频段变换，利用L波段播发北斗/GPS增强信号；

（5）用户终端接收北斗/GPS、星基增强信号，利用增强信息提高定位精度和应用完好性。

4 应用前景与展望

“一带一路”战略将涵盖全球超过64%的人口，全球30%的GDP，依托“一带一路”国家战略加快建设北斗星基增强系统具有重要的战略意义：一方面星基增强系统具有覆盖范围广，投资少，建设周期短的特点，能够快速提升北斗定位精度及完好性指标，满足“一带一路”沿线高精度定位和完好性应用需求；另一方面北斗系统的稳定运行需要全球建设大量的观测站，星基增强系统所建设参考站可获得大量北斗观测数据，为北斗系统运行提供有力保障支撑。

图9 星基增强系统工作流程图

以现有工程建设经验，北斗/GPS星基增强系统定位精度可优于1米，完好性告警时间达到10秒，可为“一带一路”沿线国家提供高精度位置服务，满足沿线国家航空、能源开采、智慧交通、测绘等行业对高精度定位的需求。

［1］Kaplan， E.D； Hegarty， C.J； 寇艳红.GPS原理与应用.第二版［M］.北京：电子工业出版社， 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，刘瑞华.EGNOS系统增强服务的原理与实现.中国民航大学学报.第25卷， 第5期.2007年10月.

孙长永（1984.01-）：男，航天恒星科技有限公司，工程师，通信与信息系统专业，主要研究方向为GNSS/SBAS及其应用。姚怡（1984.10-）：女，航天恒星科技有限公司，工程师，通信与信息系统专业，主要研究方向为通信卫星地面应用系统设计。