卫星导航增强系统建设与发展

2019-05-07郭树人刘成高为广卢鋆

全球定位系统 2019年2期

郭树人,刘成,高为广,卢鋆

(北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094)

0 引言

从1994年世界上第一个卫星导航系统——GPS建成并提供服务开始，卫星导航技术走入人们的生活已超过25年.在非遮挡条件下，四大GNSS系统(美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo及中国北斗卫星导航系统(BDS))基本服务均能提供10 m左右的定位精度，满足大多数大众用户的精度要求.然而，对于测绘作业、国土勘测、精准农业等高精度领域而言，这一性能还远远不够.同时，随着卫星导航应用场景的不断拓展和深化，普通大众对导航定位性能的要求也在不断提高，高性能正逐渐从专业领域扩展到大众应用.因此，为提升卫星导航系统服务性能、满足各类用户需求，辅助GPS(A-GPS)、星基增强系统(SBAS)、实时动态载波相位差分技术(RTK)等卫星导航增强技术与系统应运而生.

然而,由于卫星导航增强技术与系统晚于基本系统产生和发展,因此不可避免地存在着“碎片”和“补丁”式建设问题.根据不同研究和应用背景而产生的增强技术与系统种类繁多,相互之间功能性重叠,且缺乏统一的规划和标准,未成体系化设计.近年来,随着卫星导航应用的不断深化和拓展,各类增强系统得到广泛建设,这一问题也显得日益突出.各增强技术和系统之间的分散式建设和非体系化发展,不仅不利于导航资源之间的统筹共享和协同工作,还在概念与专业术语上产生了一定的混淆,给用户的认知和使用带来了困难,不利于导航应用完整“生态圈”的形成.后发建设的卫星导航系统逐渐认识到了这一问题,并开始尝试体系化建设.例如,欧洲Galileo通过定义和设计服务类型,来规划和引导系统建设[1];日本QZSS则在基本系统基础上,一体化建设和提供SBAS及广域精密定位(PPP)服务[2].

我国BDS采用三步走策略,并具有后发建设优势.在设计建设之初即采用了体系化思路,明确增强服务与基本系统一体化同步,而包括GEO卫星在内的混合星座也具有提供增强服务的优势条件.当前,随着北斗二号区域系统的持续稳定服务以及北斗三号全球系统的加速建设,北斗增强体系已初步形成,并成为北斗系统特色与优势之一[3-5].

本文重点针对信息增强技术手段,对卫星导航增强体系的产生、建设和发展进行了回顾和总结,明确了相关技术内涵与定义,并重点对北斗卫星导航增强体系建设发展情况进行了阐述. 北斗卫星导航增强体系以满足不同用户对服务性能的提升要求为核心目标,通过星基、地基等多种手段在广域、区域范围内为用户提供多重增强服务.进一步地,文章分析和展望了低轨星座、5G等新兴技术对卫星导航系统的增强作用.未来,北斗卫星导航增强体系将充分利用这一发展机遇,进一步融合新兴增强技术手段,提升服务性能与能力,在BDS综合定位、导航与授时(PNT)服务中发挥日益重要的作用.

1 卫星导航增强技术与系统

1.1 卫星导航增强技术的产生和演化

卫星导航增强技术最早为应对美国GPS系统选择可用性(SA)政策而产生[6].20世纪90年代初,为消除SA政策影响、恢复GPS原有精度,学者们提出了一种测站间差分处理的技术——差分GPS(DGPS),通过消除测站间公共测量误差,将GPS C/A码水平定位精度提升至约15 m.

然而,DGPS依赖基准站与用户站之间的几何相似性,定位精度随着站间距离的增加而下降.因此,学者们提出在广域范围内布设多个基准站进行连续观测,并将卫星轨道、钟差、电离层延迟等各项误差模型化处理后发送至用户,由此消除基准站与用户之间的距离限制.根据这一原理,美国联邦航空局(FAA)主持设计和建设了世界上第一个WADGPS系统——广域增强系统(WAAS),WAAS也成为世界上第一个SBAS系统.

DGPS技术及WADGPS系统以伪距为主要观测量,只能实现米级至分米级增强定位精度,难以满足测绘等高精度领域厘米甚至毫米级定位精度的要求.因此,基于载波相位的相对定位技术及快速模糊度固定技术得到广泛研究和迅速发展,代表性成果即RTK.RTK突破了以往载波相位静态定位需要长时间后处理的限制,能够在野外实时获得厘米级定位精度,是卫星导航应用中的重大里程碑.基于RTK原理,世界多国建设了连续运行参考站系统(CORS),为特定行业或地区提供标准化高精度服务,在经济建设中发挥了重要作用.而同样,利用类似WADGPS系统误差分离和模型化处理的原理,PPP被提出和建设.

进入21世纪,随着GPSSA政策的取消,WAAS等SBAS系统定位精度提升至2～3 m,已能够满足航空领域精度要求,民用航空等领域对卫星导航技术的首要诉求开始从精度转向安全.因此,完好性概念应运而生.通过完好性增强,能够在卫星和系统异常或故障时及时检测并向用户告警,保障航空等生命安全领域用户的安全.出于这样的应用背景以及航空接收机在高动态特性情况下的可靠性考虑,WAAS等SBAS系统一直以伪距为主用定位模式.此外,由于SBAS完好性难以达到国际民航组织(ICAO)II类及III类精密进近(CAT-II、CAT-III)性能等级,FAA又开展了针对机场局域范围提供完好性服务的局域完好性增强系统(LAAS)建设.LAAS基于DGPS基本原理,更加注重完好性功能设计,能够在机场局域范围实现II类甚至III类精密进近性能.

至此,以测绘为代表的高精度需求和以民航为代表的高完好性需求,成为卫星导航技术与系统建设发展的两大主要方向,如图1所示.其中，精度增强主要是在基本服务基础上，满足分米、厘米甚至毫米级高精度用户需求；完好性增强则主要在系统出现故障或异常时及时向用户告警.

图1 卫星导航精度与完好性需求

1.2 卫星导航增强技术分类

1.2.1 增强技术分类

差分修正是卫星导航增强技术最基本的原理.通过对用户伪距、载波相位等测量值误差，卫星轨道、钟差等系统误差以及电离层、对流层等大气延迟误差进行修正，可有效提高定位精度和性能.

差分技术有多种分类方式，可分别从差分改正对象、服务适用范围、信号播发手段等方面进行划分.

1)按差分改正对象划分

可分为用户域增强技术与系统域增强技术.其中，前者直接对用户伪距、载波相位观测值进行改正，后者则对卫星轨道、钟差及电离层延迟等系统级误差进行分离和建模.

2)按服务适用范围划分

可分为局域增强技术与广域增强技术.其中，前者的基准站布站间隔较为密集，一般约数十千米，后者布站间隔则可达数百至上千千米.

3)按信号播发手段划分

可分为星基增强技术与地基增强技术.其中,前者一般通过通信卫星、导航卫星等星基平台播发,后者一般采用地面移动基站、互联网等手段播发.

1.2.2 技术特点对比

各种技术手段之间的组合形成了不同的卫星导航增强系统,它们之间既有区别,又存在着联系,如图2所示.

图2 卫星导航增强技术分类

通过不同的技术手段，可以实现不同范围和性能的精度或完好性增强，如表1所示.一般而言，广域差分对应系统级改正，所需地面监测站较少，通常采用星基播发手段；局域差分对应用户级改正，所需地面监测站较密，通常采用地基播发手段.广域精密定位系统覆盖范围广，但需要较长的载波初始化收敛时间；局域精密定位系统收敛速度很快，但覆盖范围受站点布设的限制.虽然精度增强与完好性增强主要功能及面向对象不同，但两者在体系架构、技术手段、接收终端等方面均具有相似性，因此可以统筹设计和建设.

表1 不同增强系统技术特点对比

2 国际卫星导航增强体系建设现状

2.1 广域完好性增强系统

广域完好性增强系统又称SBAS,利用广域分布的地面监测站连续观测GNSS卫星,通过通信链路将观测数据传送至主控站;主控站计算生成包括卫星星历误差、卫星钟差及电离层误差等在内的差分改正数及系统完好性信息后,上注至GEO卫星广播播发.SBAS主要目的是监测GNSS卫星及系统状态,并在其发生故障和风险时及时向用户告警,以提高用户使用的安全性.同时,兼具米级(1～2 m)精度增强功能.

世界上第一个SBAS系统是由FAA为应对GPSSA政策而提出和建设的WAAS,WAAS系统监测站点分布如图3所示.除美国WAAS外,目前全球已建或在建的SBAS系统还包括:欧洲地球静止卫星导航重叠服务系统(EGNOS)、日本多功能卫星增强系统(MSAS),印度GPS 辅助型对地静止轨道扩增导航系统(GAGAN)、俄罗斯差分校正和监测系统(SDCM)、韩国卫星增强系统(KASS)系统以及我国北斗星基增强系统(BDSBAS),其服务覆盖范围如图4所示.

图3 WAAS系统监测站点分布

各SBSA系统一般由作为核心用户的本国民航部门负责或联合开展设计和建设,属于政府主导行为.需要按照国际民航组织(ICAO)相关标准和规范要求开展建设,并经本国民航主管部门测试认证后才能正式提供民用航空服务.目前,各SBAS服务供应商正在ICAO导航系统专家组(NSP)及国际SBAS互操作工作组(SBAS IWG)框架下联合开展下一代双频多星座(DFMC)SBAS的标准研究与制订工作,以进一步提高SBAS服务性能.

图4 全球SBAS系统服务范围示意图

2.2 广域精密定位系统

PPP起初主要由企业自行主导建设,提供付费商业服务.代表性系统有:美国喷气推进实验室(JPL)研制的用于卫星定轨、科学研究和高端商业服务的全球差分GPS(GDGPS)系统,Navcom公司的StarFire系统,Trimble公司OmniSTAR系统和RTX系统,Fugro公司StarFix/SeaStar系统,Oceaneering International公司C-Nav系统,Hexagon公司VeriPos系统和TerraStar系统等.

各商业PPP系统一般使用国际海事通信卫星(Inmarsat)进行服务区域内的广域改正产品播发,并一般采用自定义数据格式.各系统主要服务模式与性能指标如表2所示.

表2 主要商业PPP系统服务模式与性能

近年来,随着行业和大众高精度应用需求的日益增加,欧洲Galileo、日本QZSS开始在基本系统中设计和提供内嵌式PPP服务.其中,Galileo基于E6B信号(1278.75 MHz)提供免费PPP服务,播发速率500 bps,对GPS和Galileo两系统进行增强,实现厘米级定位.QZSS精密定位分为亚米级增强服务(SLAS)和厘米级增强服务(CLAS)两类,均为免费服务,分别由L1S和L6信号提供;其中,CLAS服务播发速率达到2000 bps,采用自定义压缩设计的RTCM SSR格式,能够同时实现对四大GNSS及QZSS共五系统的增强.

2.3 局域完好性增强系统

LAAS主要面向航空机场提供高完好性增强服务,最早由FAA提出.目前,FAA及ICAO已停止使用“LAAS”这一术语,用“地基增强系统(GBAS)”(如图5所示)代替.2009年9月,霍尼韦尔公司(Honeywell)按照FAA设计要求完成了全球第一个GBAS系统的建设,性能达到CAT-I类等级;美国纽瓦克自由国际机场的GBAS系统则于2012年9月28日成为首个获批运营的GBAS系统[7-8].

图5 GBAS(LASS)组成示意图

相比SBAS,单个GBAS建设成本低,且现有完好性服务性能即已达到CAI-I类等级(目前还没有SBAS系统能够达到这一性能等级),其最终目标是要提供CAT-II类甚至III类精密进近导航能力.然而,GBAS系统只能在机场局域范围内提供服务,无法提供航路导航;同时,若考虑对大量机场的进近导航服务覆盖,则GBAS系统的成本优势会降低.因此,应根据实际应用需求对SBAS和GBAS统筹部署与建设.

2.4 局域精密定位系统

局域精密定位系统利用建立在区域范围内的若干GNSS基准站(相距一般不超过数十千米)构成的参考站网络,基于载波快速解算技术与数据通信链路为覆盖区内的用户提供高精度定位服务,精度一般可达厘米级,事后处理可达毫米级.可分为单基准站和多基准站模式,其中基于多基准站模式的局域精密定位系统又被称为连续运行参考站系统(CORS).CORS系统基准站观测数据通过数据链路实时传送至数据处理中心,统一解算得到区域内的各种误差改正,如轨道/钟差误差、电离层和对流层误差等,并对该区域的误差进行建模.随后,系统通过播发链路将基准站网观测数据及误差模型发送至流动站用户,用户利用上述信息结合自身位置进行高精度载波定位.

目前,国外CORS系统主要包括美国连续运行参考站网系统(CORS)、加拿大主动控制网系统(CACS)、澳大利亚悉尼网络RTK系统(SydNet)、德国卫星定位与导航服务系统(SAPOS)、日本GPS连续应变监测系统(COSMOS)以及欧洲位置确定系统(EUPOS)等.

3 北斗卫星导航增强体系建设

3.1 北斗卫星导航增强体系内涵

北斗卫星导航增强体系是为提升北斗系统定位精度、完好性、连续性与可用性等服务性能,所建立的增强技术、增强系统与增强服务的综合.基于融合发展理念,北斗在设计建设之初从资源统筹、系统建设和服务规划角度对增强技术、系统与服务开展了顶层设计,明确了增强体系与基本系统一体化并行建设的思路,这也成为BDS的特色与优势之一.

当前,随着北斗二号区域系统的持续稳定服务以及北斗三号全球系统的加速建设,北斗增强体系已初步形成.北斗增强体系以北斗基本导航系统为基础,以满足不同用户对服务性能的提升为目标,能够通过星基、地基等多种手段为用户提供不同区域范围内的多重增强服务,在北斗综合PNT服务中发)挥着日益重要的作用.未来,随着卫星导航技术和产业的进一步蓬勃发展、行业和大众用户对导航服务性能要求的不断深化提高,持续建设和完善北斗增强体系将越发具有重要意义.

3.2 北斗卫星导航体系演变

在北斗系统建设之初,北斗增强服务即被明确作为北斗系统服务的组成部分,与北斗基本系统一体化融合发展.从北斗一号试验系统到北斗三号全球系统,北斗增强体系遵循渐进式增量发展思路,与基本系统一起建设和共同完善,如图6所示.

图6 北斗增强体系渐进式发展思路

具体而言,北斗系统针对用户精度和完好性服务提升的需求,对北斗增强体系进行了贯穿北斗一号试验系统至北斗三号全球系统全生命周期的完整规划和设计,并针对不同系统属性考虑了合适的建设及运维模式,如表3所示.

表3 北斗增强体系任务规划

3.3 北斗卫星导航增强体系组成

目前,北斗卫星导航增强体系主要由北斗地基增强系统、北斗广域 PPP服务、北斗星基增强系统(BDSBAS)、北斗局域完好性增强系统及其他商用增强系统共同组成.

3.3.1 北斗星基增强系统

北斗星基增强系统(BDSBAS)是北斗全球系统重要组成部分和六大规划服务之一,与北斗全球系统一体化相对独立建设,与北斗全球系统、北斗PPP服务共用GEO卫星及地面站资源,按照国际民航组织(ICAO)标准规范开展设计与建设,满足国际SBAS兼容互操作要求,为中国及周边地区民航、海事、铁路等领域用户提供高完好性增强服务,兼具米级精度增强功能[9].

1)系统组成

主要由空间段、地面段和用户段三大部分构成,如图7所示.

图7 BDSBAS系统组成

BDSBAS空间段包括3颗播发SBAS增强信号的北斗全球系统GEO卫星,轨道及频率信息如表4所示.其中,第一颗GEO卫星已于2018年11月1日成功发射,后续两颗GEO卫星将于2019年至2020年发射.BDSBAS B1C频点增强信号采用ICAO所确定的SBAS L1标准信号体制,BDSBAS B2a频点增强信号采用目前正在设计的DFMC SBAS L5标准信号体制.BDSBAS GEO卫星采用更高性能的铷原子钟(稳定度E-14量级)和氢原子钟(稳定度E-15量级),空间信号精度优于0.5 m.

表4 BDSBAS GEO卫星轨道与频率信息

BDSBAS地面段由主控站、数据处理中心、注入站及监测站组成,用户段包括面向民航、海事及铁路等行业应用的星基增强用户设备.

2)服务性能

在服务区域方面,BDSBAS将根据地面监测站布设范围、ICAO信号双重覆盖及最低落地电平等要求,服务覆盖中国及其周边地区,如图8所示.

图8 BDSBAS目标服务区域

在服务模式方面,BDSBAS将支持单频(SF)及双频多星座(DFMC)两种增强模式.其中,SF服务模式基于BDSBAS B1C频点提供,DFMC服务基于BDSBAS B2a频点提供.DFMC SBAS服务将利用双频测距值消除电离层延迟误差,相比SF SBAS服务可有效提高系统可用性、连续性与精度,并实现全球范围的垂直引导.

在性能等级方面,BDSBAS将先期实现APV-I(I类垂直引导进近),后续逐步满足CAT-I服务等级要求.

3)主要进展与规划

BDSBAS主要进展情况如表5所示.

表5 BDSBAS主要进展与规划

2019年-2020年,BDSBAS其余两颗GEO卫星将陆续完成发射,地面段建设也将逐步完善.预计2020年底,BDSBAS将完成全部工程研制建设任务,具备初始运行服务能力,能够为兼容航空无线电技术委员会(RTCA)标准的SBAS航空电子设备提供服务.

3.3.2 北斗广域PPP服务

根据规划,北斗全球系统GEO卫星B2b信号将作为数据通道,播发卫星精密轨道和钟差等改正参数,具备为我国及周边地区用户提供 PPP服务的能力.由此,进一步完善北斗增强体系建设,满足国土测绘、海洋开发、精准导航等高精度应用需求.实际上,为提高基本导航系统竞争力,内嵌PPP功能现已成为卫星导航系统建设发展的一大趋势,欧洲Galileo与日本QZSS系统均在其基本导航系统内设计和提供高精度PPP服务[7-8].其中,Galileo不具备GEO卫星,其PPP服务在MEO卫星上播发;QZSS则同时在其GEO及IGSO卫星上播发.

北斗广域PPP服务采用自定义电文格式设计,以双频载波为主要定位模式,能够为我国及周边用户提供动态分米级、静态厘米级免费高精度定位服务.北斗广域PPP服务同样与北斗全球系统一体化设计,与北斗全球系统统筹共用GEO卫星和地面站资源.目前,系统第一颗GEO卫星已于2018年11月1日发射成功并正在开展入网测试[10].

3.3.3 北斗地基增强系统

2014年,我国启动了“北斗地基增强系统”研制建设工作,由中国兵器工业集团公司联合交通运输部、国家测绘地理信息局、中国气象局、中国地震局、国土资源部、中国科学院、武汉大学等多家单位联合承担.作为北斗重要组成部分与地面基础设施,北斗地基增强系统主要由监测站、通信网络系统、国家数据综合处理系统、行业数据处理系统、数据播发系统、用户终端等分系统组成(如图9所示),按照“统一方案、共建共管、数据分享、分步实施、持续发展”原则,整合国内相关资源,建设全国统一的北斗高精度地面基准站网,满足行业和大众对北斗高精度时空应用的需求.

北斗地基增强系统通过地面监测站接收导航卫星信号并实时传输到数据处理中心,经过差分处理后生成差分增强数据产品,具备移动通信、数字广播、卫星等多种播发手段,服务覆盖我国陆地及领海,实现服务范围内广域米级/分米级、区域厘米级和后处理毫米级的高精度定位.系统于2016年5月正式投入运行,并于2017年6月完成第一阶段研制建设,包括150个框架网基准站、1 200个加密网基准站、1个国家综合数据处理中心、6个行业数据处理中心等.2017年7月,发布服务性能规范(1.0版),支持测绘、交通、气象、地震、国土等行业开展了多项高精度应用.目前,正在开展第二阶段研制建设工作,计划2019年初开展全系统测试工作.

图9 北斗地基增强系统组成

商业运营方面,中国兵器工业集团公司与阿里巴巴集团于2015年8月联合成立“千寻位置网络有限公司”,注册资本20亿元,成为全球最大的地基增强系统运营商,开创了北斗卫星导航应用新的商业模式.通过互联网融合,北斗地基增强体系基于阿里云计算和数据技术,针对具体应用场景推出了多种特色产品和服务,并已在危房监测、精准农业、自动驾驶等领域实现应用.

3.3.4 北斗局域完好性增强系统

北斗局域完好性增强系统主要面向民用航空领域,为我国民航用户提供II、III类(CAI-II、CAT-III)高完好性精密进近服务,主要由我国民航主管部门——中国民航局根据民航应用需求组织开展设计、研制和建设.

目前,中国民航局正在多个国内机场同步开展局域完好性增强系统建设.其中,部署在上海浦东国际机场及天津滨海国际机场的两台CAI-I类民航GBAS地面站已于2019年1月完成为期8个月的现场环境测试,目前正进行民航认证与审批.部署在山东东营胜利机场的第三台CAI-I类GBAS地面站也已于2017年10月进行第一次飞行试验,可增强BDS B1I及GPS L1C/A信号.

3.3.5 国内其他代表性商用系统

1)中国精度

“中国精度”系统构成如图10所示,由北京合众思壮科技股份有限公司建设和运营的全球星基精密定位系统,于2015年6月15日正式发布. 面向国内和国际市场提供实时高精度定位服务,目前已在海洋测量、无人区测绘、精准农业等多个领域取得应用.其主要性能指标如表6所示.

图10 “中国精度”系统构成

表6 “中国精度”主要性能指标

2)夔龙系统

通过国际合作开展并推动实施的全球广域高精度卫星导航差分增强系统.系统以分布在全球的北斗/GNSS多模监测站为基础,通过互联网实现数据互联,以L波段GEO卫星为主要播发途径,可兼容BDS、GPS、GLONASS、Galileo等多个卫星导航系统,目标是具备面向全球提供北斗广域差分服务与全球精密单点定位(GPPP)服务的能力,以及拓展标准SBAS服务与地基增强服务的能力.

目前,“夔龙系统”正积极整合国际国内星地资源,开展系统演示验证工作,已建成地面参考站网、数据处理中心、上行站等地面段设施,完成基于尼星1R的北斗增强演示验证系统搭建及关键技术验证,并在工程测绘、精准农业、海洋工程等领域开展应用示范.

3.4 北斗卫星导航增强体系服务能力

如上所述,北斗卫星导航增强体系以北斗基本系统星座为基础,以提升北斗精度和完好性服务性能为核心目标,历经多年发展,目前已初步建设形成兼具广域和局域服务覆盖、地基和星基技术手段相结合、政府主导与市场创新相补充的导航增强体系,可为我国及周边用户提供多重、不同层次的增强服务,设计服务能力如表7所示.

表7 北斗增强体系设计服务能力*

4 卫星导航增强技术发展

卫星导航增强技术从产生发展至今,已经历数十年时间.从技术上看,目前，主要的技术瓶颈体现在以下几个方面：

1)难以解决广域覆盖下的快速收敛问题

由于RTK受限于基准站布设范围和密度,因此广域精度增强主要通过PPP技术手段实现.然而,各PPP系统目前一般仍需要十几分钟至半小时的时间才能初始固定载波模糊度,难以满足实时性应用需求.

2)全球覆盖成本代价高

目前,现有技术手段均难实现全球范围内的覆盖和增强服务.对于RTK,单基准站只能覆盖约数十千米至一百多千米的距离,因此实现广域覆盖所需的成本很大(覆盖中国需要数千地面站,覆盖全球所需的地面站超数万个),且难以覆盖海上、沙漠等地区.PPP系统虽不需要密集建站,但仍需通过广域建站才能实现全球服务,并存在自主可控问题.

3)难以解决信号遮挡问题

RTK、PPP等手段均不提供额外测距信号,因此均难以改善GNSS在遮挡环境下的性能.

近年来,5G移动通信、低轨卫星星座蓬勃发展,为卫星导航增强技术提供了一个重要的技术创新机遇.通过与5G移动通信、低轨卫星等技术的融合,卫星导航增强技术有望突破上述长期以来的瓶颈问题.

4.1 北斗+5G融合

5G移动通信网络技术相比上一代4G体制提升巨大(如表8所示),能更好地对卫星导航实现增强.首先,5G在作为数据传输通道的同时,能够提供一个额外的测距信号;其次,由于具有更密集的覆盖范围,因此能够增加无NLOS误差的场景、方便NLOS误差建模,并加强室内应用覆盖;此外,5G基站使用大规模天线阵列(Massive MIMO)技术,能够动态生成高增益、可调节赋型波束,改善信号覆盖、减少对周边环境的干扰.可以预见,北斗/GNSS+5G导通融合技术将在不久的将来应用于互联网+智慧城市等诸多领域,满足城市普适环境下的高精度北斗综合PNT服务需求.

表8 5G通信技术提升对比[11]

目前,北斗B1I民用信号已在“第三代合作伙伴计划(3GPP)”框架下完成移动通信定位相关国际化标准的制定,成为未来5GNR(NewRadio)定位的可选卫星导航信号;未来,将重点推进北斗B1C全球信号的3GPP国际标准化工作,进一步实现北斗B1C信号成为5G定位可选信号.

4.2 北斗+低轨卫星增强

随着商业航天的蓬勃发展,基于低轨卫星星座的导航增强技术正成为热点[11-16].低轨卫星同样可实现广域增强功能,且制造和发射成本远低于GEO卫星.低轨卫星对基本卫星导航系统的增强能力主要体现在:

1)作为全球高速率数据播发通道

低轨通信卫星具有较大的信号带宽与较高的信息速率,可作为卫星导航基本电文及差分改正电文的播发通道,且由于低轨星座一般全球组网,因此播发范围可覆盖全球.播发基本导航电文时,可缩短接收机冷启动首次定位时间(TTFF),起到类似辅助GPS(A-GPS)的作用;播发差分改正电文时,可实现广域精度增强,起到PPP系统的作用.

2)天地联合精密定轨

卫星导航精密定轨需要全球覆盖的监测站进行观测支持,但我国目前的海外监测站数量有限.因此,可在低轨卫星上搭载高精度GNSS监测接收机实现全球移动监测,从而构成天地一体化的监测网.低轨卫星将导航卫星测量数据通过星间链路和星地链路传回国内数据处理中心,联合地面区域监测站观测数据,通过综合处理完成中高轨导航卫星与低轨卫星的联合精密定轨.相关研究表明,该联合精密定轨体制可大幅提升中高轨道卫星定轨精度,有效填补我国海外监测站点数量的不足、减少所需地面监测站数量.

3)GNSS/LEO联合快速PPP

传统PPP中,由于GNSS卫星轨道高、星座几何图形变化慢,相邻历元间观测方程之间的相关性太强,因此在进行定位参数估计时需要较长的时间才能估计和分离各类误差,进而固定载波相位模糊度、实现精密定位.相较而言,低轨卫星轨道低、运动快,相邻历元间观测方程的相关性较GNSS卫星弱.因此,低轨卫星联合GNSS卫星进行PPP定位,有利于定位误差参数的快速估计,加快精密定位收敛过程.相关研究表明,相比于传统PPP定位15～30 min左右的收敛时间,GNSS/LEO联合PPP能够将收敛时间缩短至1 min.

4.3 发展趋势

在完好性增强方面,未来BDSBAS仍将按照ICAO标准要求开展建设,提供国际化标准服务.在各国SBAS系统建设完成并相继提供服务后,各SBAS系统服务范围将联通“拼接”,实现全球范围内的航空完好性服务.

在精度增强方面,高精度服务正演变为共性需求,技术创新面临重大机遇.其中,各类精度增强手段的特点与性能对比如表9所示.

表9 各类增强手段特点对比

可以看出,5G和低轨卫星能够对现有增强体系产生巨大的补充和提升,并有望形成新的应用格局.其中,5G能够基于密集覆盖的下一代移动通信基站,重点解决城市人口密集区的高精度定位和室内PNT服务问题,并与其他产业相结合、催生新的应用模式[17].低轨星座单星成本低,综合效率比较高;能够在不依赖大量地面建站的前提下,实现包括海洋、沙漠等区域在内的全球精度增强服务,弥补地基增强手段的不足;同时,能够提供额外的测距信号、大幅缩短模糊度收敛时间,并可作为备份手段提升导航抗干扰性和可靠性.同时,两者均能提供额外的测距手段,特别是低轨星座,能够在与GNSS相同的导航频段内提供同样的扩频码测距信号,因此可对GNSS系统进行补充和备份,大幅提高抗遮挡能力.综上,5G和低轨卫星能够有效解决当前高精度增强的瓶颈问题,有望成为未来最优解决方案.