卫星导航增强系统及发展现状

卫星导航增强系统及发展现状

卫星导航增强系统是卫星导航系统建设中的一项重要内容，堪称卫星导航系统的“能力倍增器”。目前的卫星导航系统尽管已经在各个民商用领域应用广泛，并且成为各大强国发展所不可或缺的一环，但由于技术和系统的局限性，在某些领域如航空精密进近等仍无法满足需求，需要增强系统将其能力加以提升。

从目前全球卫星导航系统发展的大趋势看，从前的美国 GPS 系统“一家独大”，已经由于俄罗斯 GLONASS、中国北斗、欧洲伽利略的崛起，向着“四分天下”发展。甚至未来可能还会有印度、日本等国家的区域系统出现，那时全球 GNSS 将是“群雄逐鹿”的局面，系统间的竞争将愈加激烈。如何能够突破重围，在竞争中立于不败之地？本文认为系统服务性能将是制胜关键，而作为系统能力倍增器的增强系统将是实现这一能力的重中之重。

目前，国外卫星导航增强系统主要分为星基增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS）两大类。星基增强系统如美国的广域增强系统（WAAS）、俄罗斯的差分校正和监测系统（SDCM）等，地基增强系统如美国的局域增强系统（LAAS）等。这些系统综合使用了各种不同增强效

果的导航增强技术，最终实现了其增强卫星导航服务性能的目的。从增强效果上看，这些增强系统所使用的卫星导航增强技术主要包括精度增强技术、完好性增强技术、连续性和可用性增强技术。其中，精度增强技术主要运用差分原理，进一步可分为广域差分技术、局域差分技术、广域精密定位技术和局域精密定位技术；完好性增强技术主要运用完好性监测原理，进一步可分为系统完好性监测技术、广域差分完好性监测技术等等。连续性和可用性增强技术主要是增加导航信号源，进一步可分为天基卫星增强技术、地基伪卫星增强技术等。当前卫星导航增强系统所采用的各种增强技术分类见下表。以下主要从星基增强系统和地基增强系统这一分类角度，对于目前国外卫星导航增强系统的发展情况进行简要介绍。

表 1 当前卫星导航增强系统所采用的增强技术分类

一、星基增强系统及应用发展

星基增强系统（SBAS）通过地球静止轨道（GEO）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，从

而成为各航天大国竞相发展的手段。目前，全球已经建立起了多个SBAS 系统，如美国的广域增强系统（WAAS）、俄罗斯的差分校正和监测系

统（SDCM）、欧洲的欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）、日本的多功能卫星星基增强系统（MSAS）以及印度的 GPS 辅助静地轨道增强导航系统（GAGAN）。

上述 SBAS 系统的工作原理大致相同。首先，由大量分布极广的

差分站（位置已知）对导航卫星进行监测，获得原始定位数据（伪距、卫星播发的相位等）并送至中央处理设施（主控站），后者通过计算

得到各卫星的各种定位修正信息，通过上行注入站发给 GEO 卫星，最后将修正信息播发给广大用户，从而达到提高定位精度的目的。

美国广域增强系统广域增强系统（Wide Area Augmentation System，简称 WAAS）是由美国联邦航空局（FAA）开发建立的一个主

要用于航空领域的导航增强系统，该系统通过 GEO 卫星播发 GPS 广

域差分数据，从而提高全球定位系统的精度和可用性。

美国 WAAS 利用遍布北美和夏威夷的地面参考站（Wide-area Reference Station，WRS）采集 GPS 信号并传送给主控站（Wide-area Master Station，简称 WMS）。WMS 经过计算得出差分改正（Deviation Correction，DC）并将改正信息经地面上行注入站传送给 WAAS 系统

的 GEO 卫星。最后由GEO 卫星将信息播发给地球上的用户，这样用户就能够通过得到的改正信息精确计算自己的位置。

图 1 WAAS 发展阶段部署与 GEO 卫星时间表

图 2 WAAS 系统组成示意图

WAAS 系统的发展可分为 4 个阶段（图 1）：第 1 阶段为初始运行能力阶段（IOC），其研发始于 20 世纪 90 年代，2003 年 7 月 10 日完成，实现 WAAS 信号对 95%的美国领土的覆盖，动态定位水平精度 3~5m，垂直精度 3~7m。第 2 阶段（2003 年—2008 年）和第 3 阶段（2009 年—2013 年）将实现 WAAS 系统对航空进场着陆能力的改

善，通过 WAAS 实现飞机的 LPV（垂直指引功能定位信标）和 LPV-200 能力，可以使飞机在不具备仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS，又译为仪器降落系统，是目前应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。它是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径，飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位置，使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度，最终实现安全着陆）的飞机场仍可实现类似于仪表着陆的高安全性着陆。而开通 LPV-200 认证的飞机能够使降落判决最小高度降低至200 英尺，从而提高了跑道的可用性。第 4 阶段（2014—2028 年），WAAS 系统将增加 L5 频段信号，并实现 L1 和 L5 的双频跟踪能力。按照计划，此项能力将在 2019 年左右初步实现。在WAAS 建立之初，其空间段由两颗国际海事卫星 Inmarsat-3-F4 (西太平洋地区 AOR) 和Inmarsat-3-F3 (太平洋地区，POR)组成，两颗 GEO 卫星的轨道分别位于西经 133°和西经107°。现在，这两颗卫星已经分别被另外两颗 GEO 卫星所取代，即国际通信卫星有限公司（Intelsat）的商业卫星 Galaxy-15 以及加拿大的通信卫星 Anik–F-1R。此外，2010 年末国际海事卫星 Inmarsat-4-F3 成为了WAAS 系统的第三颗 GEO 卫星，轨道为西经 98°。

二、俄罗斯差分校正和监测系统

自 2002 年起，俄罗斯联邦就开始着手研发建立 GLONASS 系统的卫星导航增强系统——差分校正和监测系统（SDCM）。SDCM 将为