节选自徐桢的论文《卫星导航区域增强系统的应用与发展》

对于一些应用领域来说，卫星导航系统在定位精度、可用性、完好性方面还是无法满足一些高端用户的使用需求。例如，它无法满足航空领域在所有飞行阶段对导航系统的严格要求，尤其使精度和可靠性要求极高的精密进近和着陆阶段。为此,相继出现了卫星导航系统增强技术。因此，美国、欧盟、我国及日本等国家已经或即将建设卫星导航的广域增强系统，如美国的WAAS(Wide Area Augmentation System)系统及欧盟的EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），能够较大程度提高导航性能。然而，在一些特殊领域其性能还有一定的差距，在火车导航自动驾驶、防撞等方面还不能完全满足要求。对于地理覆盖范围较小的卫星导航应用，美国等国家建设了局域增强系统，可覆盖半径50公里左右的区域，精度可以达到1米以下，较大增强了局域的卫星导航性能。

然而，对于特殊的应用领域，如内河航道的船舶导航，沿海港口及其附近的精确导航，铁路交通的导航服务及自动驾驶，集装箱精确定位，精准农业等，即要达到1-2米的导航精度和较高的完好性指标，覆盖的区域又远远大于局域范围，同时提供较高的系统健壮性和完全的自主权。对于我国来说，瞄准区域卫星导航增强系统发展方向和实现我国卫星导航增强系统跨越式发展的需要。卫星导航区域增强系统的发展能够为构建我国安全、快速、高效、综合性的交通信息服务体系奠定重要的技术基础，实现我国卫星导航增强技术的跨越式发展。 

 2 国外卫星区域导航增强技术的发展现状

2.1 GNSS增强系统的分类

根据ICAO国际民航公约附件十中GNSS SARPs的规定，GNSS的增强系统共分为三类：

            陆基增强系统GBAS（Ground Based Augmentation System）

            星基增强系统SBAS（Satellite Based Augmentation System）

            机载增强系统ABAS（Aircraft Based Augmentation System）

            GBAS将为GNSS测距信号提供本地信息和修正信息。修正信息的精度、完好性、连续性满足所需服务等级的要求。这些信息通过VHF数据链以数字格式发播。GBAS的应用包括WAAS、LAAS等。SBAS利用卫星向GNSS用户广播GNSS完好性和修正信息，提供测距信号来增强GNSS。ABAS将GNSS组件信息和机载设备信息增强和/或综合，从而确保系统符合空间信号的要求。ABAS的应用包括RAIM、AAIM、GPS/INS等。

美国Honeywell公司的SLS-4000型局域增强系统（LAAS）是目前世界上唯一获得认证的陆基增强系统。SLS-4000 LAAS可以在30海里的服务范围内为飞机提供CAT I精密进近服务。在目前已知的GNSS增强技术中，局域增强系统未来最可能提供CAT III精密进近服务的系统，FAA与Boeing公司正在共同研究未来CAT III LAAS系统的可能的体系结构和相关算法技术。

2.2 美国的区域增强系统

根据美国Randy Hartman的分析，导航区域增强系统可以分为四类：

            独立的GBAS地面站系统

            网络化的GBAS地面站系统

            重新播发SBAS增强数据系统

            广域网络推导出本地校正信息的系统

              独立的GBAS地面站区域增强系统应用大量独立的GBAS站，增加数据播发系统的功率以提供较大的覆盖范围。这些独立的站建立了一系列的覆盖小区，当用户端需要导航数据时，需选择能提供最好覆盖和服务的小区（小区覆盖区域可能重叠）。该方案的好处是不需要建立连接各GBAS站庞大昂贵的地面传输网络，同时单个站的失效只影响其本身的覆盖区域，对其他区域无影响。此方案的不利之处在于需要大量的冗余GBAS站。网络化的GBAS地面站系统利用网络将所有GBAS站连接成一个系统，本地GBAS站提供对当地的增强服务，同时将校正和状态信息传送到网络监视节点。监视节点维护整个区域增强性能数据，并指示哪些区域目前能够达到系统要求的性能指标。重新播发SBAS增强数据系统的本地站监视导航卫星和SBAS卫星，从SBAS卫星处获取增强数据并且将其转换成GBAS格式播发出去。本地站的设备可以非常简单，只包含一两个参考接收机，同时本地站会监视SBAS数据的完好性。广域网络推导出本地校正信息系统并不是每个GBAS站监测所有的导航校正需要的信息，通过网络将信息共享即可，因此可以简化大量GBAS站结构。可以通过SBAS或GBAS格式将校正等信息传送给用户。

2.3 澳大利亚的区域增强系统

1995年澳大利亚民航局做出了将星基导航技术用于其空域的决定。考虑到澳大利亚的特殊地理位置，以当时可用的GNSS技术为基础进行的效费比分析指出，在澳大利亚实施GNSS效费最高的

 

方案是用陆基增强系统（GBAS）作I类精密进近和用星基增强系统（SBAS）作航路与非精密进近。然而由于技术上或政策/法律上的原因，在澳大利亚区域的GEO卫星没有一颗澳大利亚是可用的。因此，澳大利亚使用了地基数据链而不是星基数据链将SBAS系统地面网络与用户连接起来，这就是地基区域增强系统（GRAS）。该系统与SBAS类似采用分布式网络通过各地的参考站来监视GPS系统，在各个参考站对SBAS信息进行本地检查和重新的格式化，以转换成GBAS形式的校正和完好性数据，通过VHF（Very High Frequency）数据链路采用TDMA（Time Division Multiple Access）共享方式发送出去。GRAS方式相对于SBAS方式来说可以减少费用，加快系统实施进度，同时对于具体国家来说具有完全的自主权。GRAS可用于从航路、终端到APV阶段的飞行，目前已经达到全运行能力，获得澳大利亚民航局批准使用，并已获得ICAO的认可，GRAS的SARPs即将通过ICAO审批，列入GNSS SARPs。

2.4 多模式卫星导航区域增强系统

对卫星导航系统的性能要求主要包括四个方面，即精度、完好性、连续性及可用性。完好性通常是指在系统不能提供正常服务时，及时向用户发出告警的能力。对于卫星导航系统来说，完好性是指当系统出现故障或某项运行参数偏差过大或由于系统多项因素的综合影响，而使系统提供的定位结果超过规定限值时，系统及时发现并及时通告用户的能力。卫星导航系统本身能进行一定程度的完好性监测，但告警时间太长（通常需几个小时），完好性信息单一，不能适应大多数用户的需求。无论是现在的美国GPS和俄罗斯GLONASS，还是将来的现代化GPS和欧洲主导的全新Galileo，卫星导航系统本身提供的完好性信息在可靠性和实时性方面都无法满足动态用户的需要。

完好性就是要对卫星信号性能下降及用户定位精度下降进行实时或准实时的跟踪和监测，并在给定误差级别或误差范围条件下给出“可用”、“不可用”的告警信息。完好性是卫星导航应用过程中极其重要的一个问题，从上世纪80年代末美国逐步构建GPS开始，国外的学者就一直关注其完好性问题，并积极开展完好性监测研究。一般对完好性的监测与对定位精度的提高是相互联系在一起的，对精度的增强主要是采用屏蔽故障卫星或消除部分误差影响，但其前提是要保证得到完好性的监测信息。

对于卫星导航定位系统，准确有效的卫星定位信息主要依赖于足够的可见卫星数。当前的GPS系统中，正常情况下应该能够保证接收机有7颗可见卫星提供定位信息，但是由于遮挡及卫星定位信号本身的原因,少数情况下可用卫星数会降到4颗以下,这样接收机就不能正常完成定位功能，形成定位导航的盲区。GLONASS系统由于目前工作的卫星数量较少,类似的情况更加容易发生。采用GPS、GLONASS、Galileo以及北斗二代等GNSS（Global Navigation Satellite System）相组合的导航系统称为多模卫星导航系统。Sandra Verhagen对双模方式即GPS-Galileo方式进行了深入研究，并基于Matlab软件建立了平台进行分析。双模方式下MDB（Minimal Detectable Bias）要好于单模方式，空间和时间精度有较大改善。Edward Verbree1对GPS-Galileo双模方式下的可用性进行了详细分析，通过仿真可以看出即使在城市街道环境下，双模的可用性也接近100%。冯跃强等利用Novatel公司的GPS-GLONASS接收机对双模方式下的性能进行了实验测试，通过对实验中可见卫星数、DOP值及实际运动轨迹的比较,可以看出GPS-GLONASS导航技术大大提高了可靠性,在一定程度上提高了定位精度。

 3 我国卫星导航区域增强技术发展策略的可行性探讨

目前，国内的卫星导航主要应用于公路交通领域。在一些特殊领域，如内河航道、沿海港口、铁方面路导航和航空导航等区域/局域增强卫星导航基本没有，主要是大区域高精度的增强系统体制和完好性性能还需要深入的研究。随着北斗二代导航系统的建设以及我国参与的Galileo卫星导航系统的实施，政府将大力推动卫星导航在民用航空、远洋和内陆航运、陆地导航等领域，涉及车辆跟踪、监视、导引和防盗报警系统、火车防撞和调度管理系统等方面实现大规模应用和产业化。

随着区域增强导航系统体制的研究和相关设备的实际应用，将极大促进区域导航在内河航道、沿海港口、铁路导航和航空导航等领域的应用，如在船舶导航领域可以提高船舶在内河航道及沿海港口的航行安全，提高船舶在恶劣气候条件下的导航性能，同时随着导航精度的增加，船舶的航行密度可以适当加大，推动船运业的发展。可以看出，区域导航增强系统可以提高运输安全性之外，还可以直接提高运输效率。系统在相关领域实施后，估计会取得几百亿元的直接和间接经济效益。

根据我国的卫星导航现状，我们可以从以下几个方面着手来进行区域增强技术的研究，进而建成适合我国发展的卫星导航区域增强系统。

1. 分布式区域增强体制研究

分布式区域增强是在一定的区域内布置多个局域增强系统，利用相邻、部分或全部局域增强系统增加整个区域的导航性能。在很多区域性导航应用场合，应用系统的地域范围呈现不规则形状，并持续较大范围，因此需要采用分布于不同地理位置的多个局域增强子系统，当用户在区域内移动时，可以协同利用多个局域增强子系统的信息提高系统性能，同时可以增加系统的覆盖效率。

2. 多模区域增强技术研究

多模增强是指同时利用多个卫星导航系统如GPS、GLONASS以及Galileo和北斗二代导航系统中的多个或全部进行增强，增加导航的完好性、精度、连续性和可用性。导航卫星在空间的几何分布影响导航精度，当采用多模系统时，由于卫星星座增加，可得到的导航精度将增加，同时会较大提高系统的完好性、连续性和可用性。

3. 区域增强与广域增强融合技术研究

区域增强与广域增强融合技术是指在区域增强系统中利用广域增强的分解参数提高系统性能以及用户导航定位时区域增强和广域增强无缝连接。

4 结束语

卫星导航在民用航空、远洋和内陆航运、陆地导航等领域的应用越来越广泛，进而需要在较大区域内提供较高的完好性、连续性。因此卫星导航区域增强系统的发展是十分必要的。发展适合我国国情的卫星导航增强系统可以提高运力，确保安全，实现公路、铁路、内河航运等交通运输系统的有效管理。