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国外卫星导航增强系统发展概览

时间:2015年07月30日 信息来源:卫星应用 点击: 【字体:

 


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,并且成为各大军事强国军用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、中国二代北斗(COMPASS)、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、日本等国家的全球系统出现,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这对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。本文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。

 

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)


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1.美国广域增强系统

 

广域增强系统(WideArea 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-areaReference 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。

 

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2. 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GLONASS以及其他全球卫星导航系统提供性能强化,以满足所需的高精确度及可靠性。和其他的卫星导航增强系统类似,SDCM也是利用差分定位的原理,该系统主要由3部分组成:差分校准和监测站、中央处理设施以及用来中继差分校正信息的地球静止轨道卫星。

 

3. 欧洲地球静止导航重叠服务

 

欧洲地球静止导航重叠服务(EGNOS)是欧洲自主开发建设的星基导航增强系统,它通过增强GPS和GLONASS卫星导航系统的定位精度,来满足高安全用户的需求。它是欧洲GNSS计划的第一步,是欧洲开发的Galileo卫星导航系统计划的前奏。

 

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4.日本多功能卫星星基增强系统

 

日本的多功能卫星星基增强系统(MSAS),是基于2颗多功能卫星的GPS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。系统覆盖范围为日本所有飞行服务区,也可以为亚太地区的机动用户播发气象数据信息。该项目由日本气象局和日本交通部于1996年开始实施。


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5.印度GPS辅助静地轨道增强导航系统

 

印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统(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。

 

GAGAN系统的空间段由3颗位于印度洋上空的GEO卫星构成,采用C频段和L频段,其中C频段主要用于测控,L频段与GPS的L1(1575.42MHz)和L5(1176.45MHz)频率完全相同,用于播发导航信息,并可与GPS兼容和互操作。空间信号覆盖整个印度大陆,能为用户提供GPS信号和差分修正信息,用于改善印度机场和航空应用的GPS定位精度和可靠性。

 

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二、地面增强系统及应用发展

 


1. 局域增强系统发展分两步走,提供精密进场能力

 

局域增强系统(LocalArea Augmentation System,LAAS)是一种能够在局部区域内提供高精度GPS定位的导航增强系统。其原理与广域增强系统(WAAS)类似,只是用地面的基准站代替了WAAS中的GEO卫星,通过这些基准站向用户发送测距信号和差分改正信息,从而实现飞机的精密进场。图3。

 

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2.NDGPS正在开发更高的局域高精度定位

 

NDGPS是由联邦铁路管理局、美国海岸警卫队和联邦公路管理局经营和维护的地面增强系统,它为地面和水面的用户提供更精确和完全的GPS。现代化的工作包括正在开发的高精度NDGPS系统(HA-NDGPS),用来加强性能使整个覆盖范围内的精确度达到10~375px。NDGPS是按照国际标准建造,世界上五十多个国家已经采用了类似的标准。

 

3.IGS全球覆盖为科学研究提供支持

 

国际GNSS服务组织(The International GNSS Service),简称IGS,前身为国际GPS服务组织。IGS提供的高质量数据和产品被用于地球科学研究等多个领域。

 

IGS组织由卫星跟踪站、数据中心、分析处理中心等组成,它能够在网上几乎实时地提供高精度的GPS数据和其他数据产品,以满足广泛的科学研究及工程领域的需要。

 

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4.连续运行参考站大范围推广

 

连续运行参考站系统(CORS)是一种广泛使用的地基增强手段。其原理是在同一批测量的GPS点中选出一些点位可靠,对整个测区具有控制意义的测量站,采取较长时间的连续跟踪观测,通过这些站点组成的网络解算,获取覆盖该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参数,用于测区内其他基线观测值的精密解算。

 

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(本文为节选,全文内容请参阅《卫星应用》杂志)

 

(作者:赵爽)
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