卫星导航除了提供导航、定位和授时服务，还能做点啥?
高性能卫星导航定位
应用模式与技术浅析
文 | 电镜之鹰
01
概述
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伪用户提供米级定位服务并能够满足多数一般性用户的定位需要。
但应当看到的是，对于测绘、测量、灾害应急、国土资源、民用航空等行业的用户和应用来说，单纯的北斗GNSS定位还存在着精度不足、可靠性、连续性不够，缺乏导航完好性保障等多种类型的问题，难以满足上述行业或场景对高性能导航定位的要求，为此，部分高性能导航定位应用技术应运而生。
02
地基增强系统
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。
一般的，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。其中：
①基准站网是地基增强系统的重要组成部分，它的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。一般基准站能够支持接收采集北斗（B1\B2\B3频点）、GPS（L1\L2\L5频点）、GlONASS（L1\L2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由取决于该系统服务的区域大小和区域内陆形情况。基准站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。此外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。
②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。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。以最常见的虚拟参考站技术为例，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。
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。
当前地基增强系统主要服务于地面应用，涵盖测绘勘探、监测控制、驾考驾培、精准农业、航空航海等专业领域，及交通导航、旅游、应急救援等大众领域。通过接收地面基准站网提供的差分修正信号、达到提高卫星导航精度的目的，优化后的定位精度可以从毫米级至亚米级不等。地基增强的精度虽然很高，但覆盖范围却有一定限制。定位目标必须处在通信信号覆盖的范围之内，但在通信信号难以覆盖的高空、海上、沙漠和山区等地有可能形成服务盲区。
03
星基精密差分/增强技术
与地基增强系统不同，星基精密差分和增强技术是以卫星作为差分改正数据广播传输的通信手段。星基增强系统通过地球静止轨道卫星搭载卫星导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进。当前，在全球范围内，星基增强系统的建设正在加速，美国、欧盟、俄罗斯、中国、澳大利亚、韩国、日本、印度，甚至非洲国家都在建设星基增强服务。
图1 当前世界范围内主要星基增强系统的基本情况
广域增强系统（WAAS）是目前国际上最早建设的星基增强系统之一。由于早期GPS系统自身性能并不能完全满足民用航空领域CAT-I级别的进近引导的实际需要。因此，联邦航空局（FAA）在上世纪90年底起发起了WAAS的建设计划，目的是提供CAT-I类精密进近所要求的导航定位性能。WAAS为各种类型的飞行器在启程、程中及到达的整个飞行过程中各个阶段内提供服务。这其中还包括为在美国国家领空系统内所有合适场地内正常飞行气象条件下的降落过程提供垂直方向上的指导。
WAAS系统包括38个参考站，2个主控站和4个地面上行站组成，如下图所示，两个主控站位于FAA和斯坦福大学，负责GPS误差改正信息和评估系统的完好性信息处理。
图2 WAAS系统基本组成
系统实时接收所有基准站采集到的GPS下行数据，在数据处理中心进行轨道、钟差和电离层误差估计，然后通过注入站将这些改正数注入地球同步静止轨道卫星。这些卫星按照标准化的数据格式对相关差分改正数进行打包成帧并向地面用户进行广播，用户采用自身导航定位终端，在接收到差分改正数的基础上实现精密差分定位，从而提升自身定位精度。2003年07月10日WAAS信号开始正式服务于民航系统，覆盖95%的美国领土。2008年FAA开展了WAAS系统在直升机方面的应用。
2009年12月西雅图地平线航空公司的一架从波特兰开往西雅图的航班首次使用了WAAS的LPV服务，该公司将与FAA合作提供长期的数据以便论证WAAS系统在民航系统服务。
WAAS系统改进了基本GPS信号的完好性，能够更快速地探测出更小的错误信息。WAAS专门设有由联邦航空局和斯坦福大学共同主持的WAAS完好性与性能小组，以指导WAAS完好性监测指标的研究与发展。当GPS系统由于系统误差或其他因素的影响而不可用时，WASS会向用户发出提示信息，另外，WAAS系统是按照最严格的安全标准进行设计的，那就是当出现任何可能引起GPS位置估值错误的误导性有害信息时，用户能够在6秒钟之内接收到由系统发布的提示性信息。
WAAS系统是星基增强系统中的典型代表，其核心处理算法和流程是当前其它星基增强系统所广泛借鉴的核心技术。概况来说，其核心处理算法主要包括：
1）卫星轨道和钟差估计算法模块。
结合了精密的卫星动力学模型和一个平方根信息滤波器提供非常精确的卫星轨道和钟差。可以实现完全自动化、实时的观测数据处理从而进行定轨、定位计算。
2）导航信号电离层延迟估计算法模块。
WAAS中的电离层延迟估计采用了一种格网电离层算法。基本原理是基于电离层单层假设，以Klobuchar模型作为背景场，将固定格网点周围一定范围内所有的实际观测值投影到格网点位置并取其加权平均。对于硬件延迟的处理，采用平方根信息滤波技术实时估计测站和卫星码间偏差。
欧洲静止卫星导航重叠服务系统（EGNOS）由欧洲空间局和欧洲航空导航安全组织共同建立的，服务于欧洲地区的卫星导航星基增强系统。与WAAS类似，该系统借鉴了其中的部分关键技术, 通过对GPS 和GLONASS 系统的监测,以差分改正数和完好性信息服务的方式来改善用户导航定位的完好性和精度。
EGNOS 由3颗地球静止轨道卫星( GEO) 、地面站网和用户设备组成。地面站网包括34个测距与完好性监测站(RIMS) 、4个主控制中心(MCC) 和6个地面导航信息注入站(NLES)。EGNOS系统通过设在地面的监测站(RIMS站) ,同时接收GPS 和GLONASS 观测数据。将观测数据送到主控制中心进行处理,得到广域差分改正信息和完好性信息,并将其注入到GEO 卫星向用户广播。用户利用这些信息和本机接收到的数据进行差分定位,可计算出完好性告警信息。该系统的基本运行原理和服务范围如下所示：
图3 EGNOS系统基本运行原理和服务范围
EGNOS系统在WAAS的基础上，对于核心差分改正方法有进行了一定的改进和升级，其广播的格网点电离层延迟采用了欧洲的NeQuick模型进行估计，该模型采用DGR剖面公式描述了从90km到F2层的电离层范围内的电子密度，从而更加精确的描述欧洲上空的电离层变化规律，给出适合于欧洲的导航信号电离层改正数。
2009年4月1日，EGNOS的所有权从欧空局（ESA）转到了欧盟（EU）的欧洲委员会（EC）。2009年10月1日欧盟宣布EGNOS重新开始正常服务。与美国的WAAS仅为空中导航不同，EGNOS为航空、航海以及陆地运输中的飞机、船舶、车辆等各种形式的交通工具提供导航信息。
GPS辅助型近地轨道增强系统（GAGAN）是印度部署的星基增强系统。2015年7月，印度正式对外发布了GAGAN系统服务。计划为孟加拉湾、东南亚、印度洋、中东和非洲地区提供精准的导航服务。据报道，该系统历经15年时间，耗资77.4亿印度卢比（约1.23亿美元），由印度空间研究组织（ISRO）和印度航空管理局（AAI）联合开发，采用美国雷神公司（Raytheon）研发的SBAS技术，将为南盟成员国（SAARC）提供服务。
印度GAGAN系统的基础设施包括15个参考站（站点分布情况如下图所示）、3个上行注入站和1个任务控制中心组成的地面段，2个搭载GPS增强信号播发载荷的地球静止轨道（GEO）卫星的空间段，以及相关的软件和通信链路，可以通过播发C波段和L波段的导航增强信号，对GPS等卫星导航系统进行增强。该系统将为印度50多个机场提供服务。
图4 GAGAN地面站点分布
目前，GAGAN的增强信号已经通过GSAT-8和GSAT-10两颗GEO卫星搭载的增强载荷进行播发，覆盖整个印度的飞行信息区及以外的区域。此外，即将发射的GSAT-15卫星也将搭载GAGAN载荷，作为该系统空间转发器的备份。该卫星将定点于东经93.5度的地球静止轨道，其中2个频道专门用于印度GAGAN系统的定位、导航与授时服务。
QZSS是日本自主发展的区域导航系统，最初日本希望通过发展这一系统改善日本的卫星导航服务质量，逐步适应日本国土多山地形，信号遮挡严重等问题。因此QZSS既是一个星基增强系统，也包含了部分自主导航功能，即在GPS系统发生信号中断时，仍能为日本提供基本的卫星导航能力。因此，该系统所使用的卫星数量由最初的3颗发展至4颗，最终发展至7颗，星座构型也从3颗倾斜地球同步卫星轨道(IGSO)卫星，逐步演变为3颗IGSO卫星+1颗GEO卫星，最终演变为5颗IGSO卫星+2颗GEO卫星。
2017年以来，日本逐步加快了该系统的建设过程，2018年3月完成了基本在轨测试工作。
QZSS系统由空间段、地面运行控制段和用户段组成，其中空间段由2颗部署在GEO卫星、5颗IGSO卫星组成。其中IGSO有着独特的8字形的，位于日本上空的地迹，这也是这一系统得名的来源。
图5 IGSO卫星地迹
QZSS系统的地面控制、跟踪、监测站主要位于日本境内、班加罗尔、曼谷、堪培拉、夏威夷、关岛等地，遍及其服务覆盖区域。
QZSS系统播发GPS增强和自主导航两类导航信号，并在L1S和S频段提供短信服务，其中GEO轨道卫星具有L1Sb的导航技术验证信号与S频段的短信服务能力。截至目前，QZSS系统共发射6路服务信号：L1 C/A、L1C、L2C、L5、L1 SAIF、LEX。
需要指出的是，除米级定位精度的提升服务外，QZSS还在1278.75MHz这个频点播发L-band Experiment信号，即LEX信号。该信号速率达到2000bps，而GPS信号的信息速率是50bps，L1 SAIF信号的信息速率是250bps，LEX信号能够提供更多误差校正信息，使得用户的定位精度达到厘米级，可用于无人驾驶、测绘，精准农业等行业。同时，LEX信号频点和欧洲Galileo系统的E6频点重合，也就是说，等到Galileo系统正式提供服务，QZSS也能实现Galileo系统的补充。
除此之外，L1 SAIF信号还提供GPS等卫星健康状况信息，在GPS卫星出现异常后及时通知用户不要使用该异常卫星，以免得到错误的定位结果
04
辅助GNSS系统（A-GNSS）
辅助-GNSS（A-GNSS或者A-GPS）是指利用移动通信网络为用户提供必要的辅助性信息，从而帮助用户在高动态、低信噪比等恶劣环境下正确接收GNSS信号的过程。其中的辅助性信息一般包括导航卫星的历书、星历、频率范围、标准时间和近似位置等。A-GNSS通过提供辅助信息，使用户使用的GNSS接收机在捕获信号之前可以大致了解所需捕获的信号码相位和多普勒频移的大致范围，从而有针对性地压缩接收机搜索频带，降低噪声带宽，增加信号能量的累积时间，增加用户接收机的灵敏度，缩短用户的首次定位时间。
A-GNSS技术对于卫星导航信号受到严重遮挡的城市环境非常有效，在城市环境下高楼林立，接收机接收到的信号会存在严重的多路径效应，信号质量无法保证。A-GNSS 就是通过提供导航卫星的历书、星历、频率范围、标准时间和近似位置等辅助信息，使 GNSS 接收机在接收之前就知道要接收的频率范围，然后辅助计算数据再提供用来解算 GNSS 用户位置的卫星所在位置，可以减少初始定位时间、提高接收机灵敏度、减少接收机能量损耗、加快位置解算，提高定位精度、提高定位性能。
A-GNSS必须依托高性能的通信网络。近年来，随着现代移动通信网络技术的发展，A-GNSS与4G、5G和现代物联网等深度结合，形成了更多的应用空间。基于5G的A-GNSS的基本原理就是将 5G 移动通讯技术与 A-GNSS 系统深度融合，让两者的定位和通讯功能互相取长补短，从而更加高效的获取所需的位置信息。
首先用户的 A-GNSS 接收器终端向卫星服务器发送定位请求，使用基于 5G 的 C-RAN 网络快速查询可供使用的卫星信息，并将历书、星历、频率范围、标准时间和近似位置等辅助信息通过 5G 网络迅速地传输给接收机。接收机再根据辅助数据和捕获的卫星信号计算定位结果。千寻位置公司提供的千寻立见服务，能够针对GPS、GLONASS和北斗系统提供全覆盖的A-GNSS服务，同时能够支持满足“移动通讯网络国际标准定位协议框架”（SUPL协议）的GNSS导航定位芯片。可以说，A-GNSS是当前卫星导航技术与现代信息网络技术结合的重要增长点之一。
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小结
近年来，随着卫星导航领域的快速发展，卫星导航已经不仅仅满足于最基本的导航、定位和授时服务，而是逐步向各专业行业和领域渗透，逐步孵化出了多种类型的新型高性能应用技术，从目前情况来看，这些新的应用技术主要集中在高精度、高可靠定位的层面。随着现代信息技术的的不断发展和经济社会的各个行业对时空信息基础设施需求的不断深化，卫星导航技术一定会与经济社会发展的不同门类加速碰撞，形成更多的新型应用。