卫星导航区域增强系统的应用与发展徐桢，刘强（北京航空航天大学电子信息工程学院北京 100083）摘要：卫星导航增强系统的主要目的是提高卫星导航系统定位精度、完好性和增强服务区域。

本文详细阐述了国内外现有的广域和局域增强系统的特点。

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，提出了适合较大地理分布范围内高性能卫星导航增强技术的发展可行方法。

关键词：卫星导航；区域增强；多模式Development and Applications of Satellite Navigation RegionalAugmentation SystemsZhen Xu，Qiang Liu（School of Electronics and Information Engineering, Beihang University, Beijing, 100083）Abstract: The main goal of the satellite navigation augmentation system is to improve accuracy and integrity of the satellite navigation systems. It also provides better regional service. In this paper, the features of the existing wide-area and local-area augmentation systems are described. Aim at the development intention of the satellite navigation regional augmentation systems and the demands to realize the system of our own country, some high performance satellite navigation augmentation techniques for wider regions are presented.Key words: Satellite Navigation; Regional Augmentation; Multi-Mode1引言卫星导航系统以其实时、高精度的特性使飞机在飞行过程中能够连续、准确地定位，可以降低航路宽度和高度间隔、减少飞行时间、增加飞行密度、提高空域利用率，从而可以降低飞机对地面无线电导航设备的依赖，使飞机航路不再受地面建台与否的限制；可以不再新建地面导航设施，减少对地面导航设施的维护费用；可实现真正意义上的航路设计任意性，达到“自由飞行”的最高飞行境界。

随着上个世纪90年代美国GPS（Global Positioning System）和俄罗斯GLONASS（Global Navigation Satellite System）卫星导航系统建立以来，卫星导航广泛应用于国家安全以及国民经济的各个方面。

但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作者简介：徐桢（1975－），女，陕西，博士，讲师，主要研究兴趣：Ad-Hoc网络，无线传感器网络，卫星导航好性指标，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2.1GNSS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：z陆基增强系统GBAS（Ground Based Augmentation System）z星基增强系统SBAS（Satellite Based Augmentation System）z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：z独立的GBAS地面站系统z网络化的GBAS地面站系统z重新播发SBAS增强数据系统z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。