卫星导航地基增强技术趋势及特点分析

+高书亮

一、背景

全球卫星导航系统GNSS (Global Navigation Satellite System) 是全球卫星导航系统的总称。包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗系统（BDS）和欧盟的GALILEO系统。从目前各系统的发展情况来看，GNSS系统可以采用单频伪距定位的方式为用户提供米级定位服务并能满足多数一般性用户的定位需要。但与此同时，相当一部分行业用户（如工程测量、地质形变监测、精准农业等）需要高精度（厘米级、分米级）的导航定位服务。

卫星导航地基增强系统是在一定地理范围内提供高精度差分定位服务的重要技术手段。它基于连续运行参考站（CORS）技术，通过在一定区域内布设一定数量的地面参考站对卫星导航信号进行长期连续观测，并采用观测数据对卫星导航信号进行误差建模和修正，生成高精度差分改正数并播发给区域内的相关用户，从而辅助用户实现高精度差分定位。由于地基增强系统采用双多频的载波相位观测量，并且具有较大服务覆盖范围（一般为省级或市级），从而能够提供更加精准的导航定位服务。

随着我国北斗卫星导航系统建设的不断推进，覆盖全国的北斗地基增强系统正不断建设和完善，这些地基增强系统以北斗卫星导航系统（BDS）为主，兼容其他GNSS系统的地基增强系统，为拓展北斗导航系统的应用范围和领域，提升北斗系统运行服务质量有着重要的意义。

二、运行原理

GNSS卫星导航地基增强系统是一种提供高精度导航定位差分服务的基础性时空系统。该系统通过部署建设GNSS地面基准站网和数据处理中心，为区域内用户播放高精度导航差分信息，从而满足相关用户对于实时的米级、亚米级、厘米级和事后的毫米级定位的需求。

地基增强系统一般包括基准站网、数据处理与服务中心、通信网络系统和用户终端等部分。

1.基准站网

图1 StarLink卫星在轨分布

基准站网是地基增强系统的重要组成部分，其主要功能是全天候采集卫星导航观测数据，将采集和预处理后的观测数据传输到数据处理和服务中心，支持系统解算生成相关的差分改正数。一般基准站应采集北斗（B1B2B3频点）、GPS（L1L2L5频点）、GlONASS（L1L2频点）等系统的信号。一个地基增强系统中基准站数量的多少一般取决于该系统服务的区域大小和区域内地形情况。

基准站子系统主要由室外设备和室内设备两部分构成。室外设备一般包括天线基体（即天线墩）、天线固定装置、导航接收机天线、导航信号发射天线和防雷设备。其中防雷设备又包括直击雷防雷装置、感应雷防雷装置和接地网装置。室外设备的主要功能是接收并处理卫星导航信号，初步解算和提取关键数据。室内设备主要包括多模卫星导航接收机、UPS电源、网络设备和机柜以及其它的配套设备等。一般基准站都具备完整的导航信号接收、导航数据的处理、存储以及相关的数据传输等功能。

一般而言，基准站应具备如下功能：

（1）卫星导航信号的接收、采集和处理

基准站能够全天候连续实时采集北斗系统（BDS）三频、GPS多频（L1/L2/L5）、GLONASS双频（L1/L2）三系统信号，能够输出包括信号载噪比、码伪距、载波相位观测值、信号多普勒频移、导航电文等多种类型的导航观测数据。对于多系统接收的情况，基准站应具备时间自主同步功能，能够将不同系统的观测数据的时间基准统一到某一个通用的时间基准（如北斗系统时）上，确保各系统观测数据保持时间同步

（2）卫星导航数据的传输

基准站接收到的导航卫星信号并完成解译和参数提取后，需要将数据实时传输到中心系统。基准站接收机一般自身会配备相关的网络传输设备（即从基准站卫星导航接收机到公网或专线通信线路的传输路径），可以直接将数据传输到现有通信网络。网络传输通道一般通过光纤协议转换器、VPN路由器和ADSL调制解调器等专用设备接入到电信运营商的固定或无线传输网络。

（3）本地数据存储

基准站采集的数据一般实时传输到数据处理与服务中心，由该中心对数据进行存储和应用。但是如果出现通信中断、基准站通信设备故障等意外情况，数据将无法传输到数据中心，这样会导致中心系统无法存储该时间段的卫星数据，从而影响后续的差分定位处理流程。因此，基准站自身一般也具备其所接收到的卫星导航数据的存储能力，当网络故障排除后，系统管理员可以通过手工操作的方法把缺失的观测数据从基准站传输到中心系统进行存储。

基准站外观图

（4）自动监测报警

基准站在运行出现故障时，应当向中心系统发出报警信息，以供管理者决策。导航接收设备运行状况的监控和报警一般由导航接收机自身或外接接收机向中心系统传输接收机和天线状态数据，包括接收机数据质量、卫星状态、数据完好性等。当接收机运行出现异常时，接收机向中心系统发送警报，并同步发送故障信息。电源运行状态通常通过UPS电源来远程监控。供电出现异常时，UPS将向中心系统发送警报，并以文字形式说明异常信息。网路设备的监控主要针对网络交换机、VPN等设备的运行状态进行监控。监控信息包括网络通路状态、网络传输速率和数据延时等信息。当网络设备处于异常时，中心系统能够监控到网络设备故障，并远程进行处理。

（5）远程控制与管理

基准站应能够支持相关人员和系统通过远程方式对参考站进行参数设定、运行控制及运行状态监控。具体包括三个主要方面：

■远程参数设置：包括基准站导航接收机状态设置和通信传输网络设置等；

■远程系统控制：包括控制接收机采样速率、网路数据流向和基准站定位基准等；

■远程状态检测：包括接收机检测、接收机检测、网路设备检测和UPS电源检测等。

2.数据处理和服务中心

数据处理和服务中心是地基增强系统的核心，主要承担高精度差分数据处理、系统服务和系统运行监控等功能。其中:

（1）数据处理

数据处理功能是对收集和存储各参考站传输的观测数据，对这些观测数据的质量进行实时评估。随后，完成基准站数据多路径影响分析、电离层巧对流层变化分析、系统完整性监测等功能，按照相关的GNSS误差模型和差分改正数算法解算生成区域内的误差改正数，以此为基础为相关用户提供高精度位置服务。目前主要的误差改正数计算方法包括虚拟参考站（VRS）技术、区域改正数（FKP）技术和主辅站（MAC）技术。

虚拟参考站（VRS）技术示意图

■虚拟参考站（VRS）技术：是指数据处理与服务中心完成所有基准站的信息融合和误差源模型化。在流动站/用户使用时，先发送其概略坐标给系统数据处理中心，系统数据处理中心根据这一概略坐标生成虚拟参考站观测值，并回传给流动站/用户。流动站/用户利用虚拟参考站数据和本身的观测数据进行差分，从而得到高精度定位结果。VRS技术的优点在于只需增加一个数据接收设备，不需增加用户设备的数据处理能力，接收机的兼容性比较好。此外，VRS技术要求双向数据通讯，流动站既要接收数据，也要发送自己的定位结果和状态，每个流动站和数据处理中心交换的数据都是唯一的，这就对系统数据处理和控制中心的数据处理能力和数据传输能力有很高的要求。VRS技术目前应用得比较广泛，可以说是地基增强系统所主要采用的差分解算手段。

■主辅站技术（MAX）是将所有相关的代表整周未知数水平的观测数据，作为网络的改正数据播发给流动站。MAX技术与VRS技术一样，流动站必须播发自己的概略位置给数据处理中心，数据处理中心根据其位置计算出流动站的改正数，再以标准差分协议格式发播给流动站，流动站可以是各种支持标准差分协议格式的接收机

■区域改正参数（FKP）技术基于状态空间模型（SSM-State Space Model），其主要过程是数据处理中心首先计算出网内电离层和几何信号的误差影响，再把误差影响描述成南北方向和东西方向区域参数，然后以广播的方式发播出去，最后流动站根据这些参数和自身位置计算误差改正数。FKP方法的优点在于当基准站受到诸如多路径反射或高楼的信号遮挡等影响的时候，自动重新组成FKP的平面，单向数据通讯降低用户的作业成本和保持用户使用的隐蔽性。

■综合误差内插（CBI）技术是最早由武汉大学GPS工程中心提出的一种差分改正方法，这种方法要求基准站在进行数据处理时，不分别对对流层、电离层的误差进行解算处理，而是汇集全部基准站的实时观测数据，为不同流动站优选、处理并播发给流动站综合误差改正的信息，用户只需要根据自身的概略坐标，使用线性内插的方法进行误差修正。

除了一般的数据处理功能之外，数据处理与服务中心还应当具备如下功能：

■系统监控：对各基准站运行过程中的设备安全、正常性进行监控管理，可远程监控基准站设备的工作参数、检测工作状态、发出必要的指令、改变各基准站运行状态。对基准站进行设备完好性监测。

■信息服务：对区域内的各类用户提供导航定位数据服务，地理信息中有关坐标系、高程系（似大地水准面精化工作完成后）的转换服务。一般可采用以下的通信模式：1）GSM方式:采用基于GSM的数据业务向用户发布数据信息；2）GPRS/CDMA方式：采用基于移动无线上网方式向用户发布数据信息；3）事后数据发布：采用基于Internet发布等方式向用户提供事后精密定位服务

■用户管理：对所服务的各类用户进行管理，包括：1）用户计费管理。系统管理员将根据用户使用的时间、时段、次数和通讯方式生成表格，以方便管理部门按照一定的制度进行计时计费；2）用户身份、注册、撤消、查询、权限管理。系统管理员可方便的增减用户，根据用户的不同精度需求提供相应的精度权限，查询统计某用户的使用情况。

3.通信网络系统

通信网络系统完成系统中各关键环节的通信传输，并实现相关用户的差分改正数播发。一般可采用电信运营商的无线或有线网络。

4.用户终端

为了确保系统用户能够正常的接收系统提供的高精度差分改正服务，用户一般应配备相应的用户终端。地基增强系统中的用户终端应具备多双频和载波相位接收能力，可以与数据处理和服务中心进行数据交换，接收通信网络播发的差分改正数并结合自身收到的观测量完成差分定位。一般这类用户终端应支持Ntrip协议。用户按照精度可以分为毫米级、厘米级、亚米级、米级等几类。按应用领域则可分为测绘与工程用户（厘米级）、车辆导航与定位用户（米级）、高精度 用户（事后处理毫米级）等几类，各领域的用户使用不同精度的差分信息的精度要求见表1。

一般要求用于地基增强系统的用户终端能够实现多通道GNSS信号并行跟踪接收。支持高可靠的载波跟踪技术；能够兼容CMR、RTCM等差分数据格式；内置3G/4G/GPRS等无线通信接入模块。

表1 各领域用户差分信息精度要求表

三、典型应用

目前，地基增强系统在主要领域的典型应用见表2。

四、发展现状

当前，我国正逐步建设和完善国内的地基高精度导航服务设施，以行业和地区为单位，积极开展以北斗为主的GNSS地基增强网的建设。初步形成了覆盖国内主要地区和部分行业的北斗地基增强系统，北斗地基增强系统由北斗基准站系统、通信网络系统、国家数据综合处理系统与数据备份系统、行业数据处理系统、区域数据处理系统和位置服务运营平台、数据播发系统、北斗/GNSS 增强用户终端等分系统组成。该系统一般利用间距为 50～300 km的地面基准站，通过地面通信系统播发导航信号修正量和辅助定位信号，向用户提供厘米级至亚米 级的精密导航定位和大众终端辅助增强服务。截止到2018年底，已建成基准站数量超过 2200个，成为目前全球基站数量最多、覆盖范围最广，稳定运行的地基增强系统。该系统具备在全国陆地范围内，提供实时米级、分米级、厘米级，后处理毫米级高精度定位基本服务能力。能够支撑测绘、地质、气象、国土资源等行业提供专业的高精度位置服务。

在此基础上，着眼于进一步发挥北斗卫星导航系统的时空基础设施作用，国内相关部门采用市场化的运作方式，逐步建立了一个基于卫星定位、云计算和大数据技术的位置服务开放平台--千寻位置平台，该平台通过北斗地基一张网的整合与建设，基于云计算和数据技术，构建位置服务云平台开展北斗高精度增值服务商业运营，面向全国提供千寻跬步（米级）、知寸（厘米级）、见微（毫米级）等定制化的增强服务，以满足国家、行业、大众市场对精准位置服务的需求。

五、小结

从地基增强系统的当前发展特点来看，地基增强系统正逐步呈现出如下发展特点：

表2 地基增强系统典型应用表

■从单一系统向多模多系统方向发展，随着北斗系统建设部署的逐步推进，地基增强系统正从早期的只针对GPS系统到向针对北斗、GLONASS等多个卫星导航系统的增强发展，针对多个系统的增强服务，能够进一步增强系统的可靠性，扩展地基增强的应用范围，从而为不同类型的客户提供更加完整的高精度位置服务；

■向与互联网高度融合方向发展，随着互联网技术的快速发展，国内以千寻位置为代表的相关企业，正逐步将高精度导航位置服务技术与互联网生态进行更加紧密的融合，从而以“互联网+位置（北斗）”为应用模式和理念，通过北斗地基增强全国一张网的整合与建设，构建开放性的位置服务平台，从而满足公众市场对高精度位置服务的需求。SATNET