星站差分定位系统综述及分析∗

王宏凯 钟 斌 边少锋 李 娟

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.青岛农业大学 青岛 266109）

1 引言

目前，星站差分定位系统己经成为多个国家卫星导航系统不可缺少的配套设施，是提高定位精度的重要手段。继美国、欧盟之后，许多国家都在致力于卫星定位星基增强技术的开发。星基增强技术的基本原理是差分定位。该系统的原理为，将己知位置的参考站获得的数据，经过差分改正后，上传至卫星并由卫星发送至用户，用户定位精度可以得到显著提高［1］。星站差分定位一般由四部分组成:地面部分、空间部分、用户部分和支持系统，空间段一般由地球同步卫星构成；地面段包括监测站、主控站、注入站和通信网络；用户段是由能够接收SBAS 信号的接收机构成［2］。SBAS 系统基本构架如图1 所示。通过地球同步卫星或其他通讯卫星（如Inmarsat 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、电离层延迟等多种改正信息，以实现对原有导航定位系统精度的改善和提高。

国外已经建成并开始服务的星基增强系统有美国的广域增强系统WAAS、欧洲地球同步卫星导航增强服务系统EGNOS、日本的基于多功能运输卫星的增强系统MSAS、印度的GPS 辅助型静地轨道增强导航系统GAGAN［3］；计划建设中的星站差分定位系统有俄罗斯的差分改正监测系统SDCM和韩国增强卫星系统KASS［4～6］。中国的星站差分定位系统利用北斗星系统的通讯链路，向中国以及周边地区播发差分定位信息以及卫星可用性等信息［7］，标志着中国在建立卫星导航定位领域的发展已步入世界的先进行列。

鉴于星站差分定位系统的重要作用和发展形势，本文对目前国外主要星站差分定位系统的发展情况加以整理，进行简要介绍，并对北斗星站差分定位系统建设情况及必要性进行了分析。

2 国外星站差分定位系统概况

2.1 欧洲EGNOS系统

星站差分定位典型的代表是欧洲地球同步卫星导航增强系统EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），它 通 过 增 强GPS 和GLONASS 两个卫星导航系统的定位精度，来满足高安全用户的需求。EGNOS 空间部分包括3 颗GEO 卫星，搭载导航增强转发器，播发导航增强信号；两颗是Inmarsat-3 卫星，一颗在大西洋东部，另一颗在印度洋；还有一颗是ESA在非洲上空的地球同步通讯卫星Artemis。轨道分别为西经15.5°、东经65.5°以及东经21.3°。

EGNOS 地面系统包括MCC（主控制中心），RIMS站（测距与完好性监测站）和陆地导航地球站（NLES）。用户部分包括:用于空间信号性能验证的EGNOS接收机，以及水运、空运和陆运用户专用设备；系统静态和动态测试平台，用于用户接收机验收、系统性能证明、定位误差比较分析。支持系统包括EGNOS 广域差分网以及系统开发验证平台、工程详细技术设计、系统性能评价以及问题发现等支持系统。EGNOS 系统构成及空间段覆盖示意见图2。

EGNOS 系统已经于2009 年开始正式运行使用，并将至少工作20年以上。目前，EGNOS系统可以提供三种服务:1）免费的公开服务，定位精度1m，已于2009 年10 月开始服务；2）生命安全服务，定位精度1m，已于2011年3月开始服务；3）EGNOS数据访问服务，定位精度优于1m，已于2012 年7 月开始服务［8］。EGNOS 的生命安全服务服务在2015年实现LPV-200 服务能力，并于2016 年利用空客A350 成功完成LPV-200 飞行进近。截止到2016年4月，已经公布了有261个基于EGNOS的LPV 飞行程序。欧洲具备EGNOS 能力的飞机场已经超过了50 个，以法国和德国为主，而未来计划配备EGNOS 能力的飞机场还将超过50 个。这样来看，未来在欧洲将至少有100个机场具备EGNOS能力［5］。

图2 EGNOS系统构成及空间段覆盖示意图

2.2 Starfire系统

市场上已经得到广泛应用的星站差分定位系统Starfire 系统。StarFire 网络是美国NAVCOM 公司在1999 年建立的在全球范围内提供GPS 差分信号发布服务广域差分系统，它提供了独一无二的可靠性和分米级的定位精度，具备99.99%可靠性。StarFire™DGPS 包括10 通道（双频GPS 信号接受），另外两个独立的通道，一个用于接受SBAS（Satellite Based Augmentation System）信号，另外一个用于接受L 波段差分改正信号。设备通过两个115Kbps 数据传输口，原始数据的输出可达50Hz，PVT（Position Velocity Time）数据输出可达25Hz。改正信号通过Inmarsat 静止卫星进行广播，无须建立测区的基准站或进行后处理。

StarFire 网络自从1999 年4 月开始运行以来，基本上覆盖了全世界［9］。在北纬76°到南纬76°的任何地球表面，都能提供同样的精度。

StarFire 是由美国NavCom 公司建立的商业GPS 广域差分系统，也是全球首个能够提供5cm 精度实时定位的星基增强系统，可以覆盖南北纬76°区间的任何地域。该系统采用多数据通道、两个独立的数据处理中心以及双卫星上传设备，来确保向全球用户提供连续、可靠的定位服务。

StarFire系统包括遍布全球的80多个参考站组成的双频参考站网，2 个数据处理中心、通信链路、3 个全球分布的注入站、6 颗INMARSAT 同步卫星。系统提供高精度、高可靠GPS广域差分增强服务，定位精度达到厘米级，具有较高的性价比，广泛应用于大地测量、航空摄影测量、遥感制图、移动目标姿态方向测定、精确授时、工程形变监测、机械控制、海洋测绘、港口调度、港口码头工程、机器人和无人机精确导航等行业和应用领域。

2.3 OmniSTAR系统

作为另外一个市场上广泛应用的星站差分定位系统，OmniSTAR 系统是一套可以覆盖全球的高精度GPS 增强系统。该系统通过分布在世界各地的70 个地面参考站来测定GPS 系统的误差，由分别位于美国、欧洲和澳大利亚的3 个控制中心站对各参考站的数据进行分析和处理，并将经分析和确认后的差分改正数据通过同步卫星广播给用户，实现高精度的的实时定位［8］。OmniSTAR 提供测量、定位、环境和包括陆地和近海的卫星服务。在陆地上新的应用方面OmniSTAR 服务可以满足精密定位系统的需求。OmniSTAR 提供了实时的DGPS 定位服务。它能够改善GPS 接收机的精度，提高约100 倍。OmniSTAR 系统比部分市场上其它竞争的系统能提供更大的地理覆盖。目前，在mniSTAR信号覆盖范围内可最高实现单机10cm 的实时定位精度。OmniSTAR 的应用横跨了众多工业，包括农业（精密耕作）、采矿业和大地测量等。航空业应用包括农作物灌溉和地理测绘等。

OmniSTAR 提供三种GPS 差分等级的服务:VBS、HP、和XP。OmniSTAR VBS 是一个亚米级的服务。一个典型的24 小时的VBS 采样显示的2σ（95%）置信度下的水平位置偏差小于1m，而3σ（99%）的位置偏差接近于1m。新的OmniSTAR HP服务在2σ（95%）的置信度下的水平位置偏差小于10cm，3σ（99%）的水平位置偏差小于15cm［9］。在农业机械引导和许多的测量任务方面，有其独特的应用。它操作实时，不需要当地基准站或遥感链路。新的OmniSTAR XP 服务提供短期几英寸和长期重复性优于20cm（95%CEP）的精度。它特别适合农业自动化操纵系统。精度比HP 低，约20cm，全世界范围内可用，在测量方面，与地域性差分系统（如WAAS）相比，精度有所提高。用户在购买具有OmniSTAR 功能的GPS 接收机后，可向Omni-STAR 的服务商交纳服务费用，申请开通服务。目前在中国地区，可支持VBS和HP/XP服务。

OmniSTAR 系统是由OmniSTAR 公司开发和运营的一套覆盖全球的高精度差分增强系统，面向单频和双频高精度用户提供基于星基播发提供GPS广域差分服务，精度从分米级至厘米级。用户主要分布在石油勘探、精准农业、电力施工、矿产作业、水利施工等诸多非测绘行业。

OmniSTAR 系统由分布在全球的100 多个单频、双频地面参考站，由分别位于美国、欧洲和澳大利亚的3 个控制中心以及用于播发差分改正数据的海事卫星组成。控制中心对各参考站的数据进行分析和处理，并将生成的差分改正数据通过海事卫星广播给用户，为陆地、空中应用提供全天候的高精度、高可靠性实时差分定位商业服务，如图3所示。

图3 OmniSTAR参考站分布和卫星覆盖图

除了南北纬60°以外的部分地区外，OmniSTAR系统服务覆盖了全球大部分陆地，但系统无法提供完好性服务。OmniSTAR具体服务类型参见表1。

2.4 其他国家星站差分定位系统简介

俄罗斯以及亚洲的日本、印度都在竞相发展各自具有星基播发的增强系统，助力本国卫星导航的建设与应用。

1）日本GPS 连续应变监测系统（COSMOS）和MSAS

COSMOS 系统是由日本国家地理院于90 年代初开始建设的地壳应变监测网逐步发展而来的。该系统站点分布密度较大，平均密度20km，最密的地区如关东、东京、京都等达到了10km～15km，到2005年底站点数目已经达到1200个。该系统主要应用于地震监测和预报、控制测量、建筑、工程控制、形变监测、测图和地理信息系统数据更新以及气象测报等领域。

表1 OmniSTAR系统的服务类型及服务性能

MSAS系统是由日本气象局和日本交通部组织实施的基于两颗多功能卫星的GPS 星基增强系统。该系统从1996 年开始实施，主要目的是为日本飞行区的飞机提供全程通信和导航服务。系统覆盖范围为日本所有飞行服务区，也可为亚太地区的机动用户播发气象数据信息。该系统包括2 个主控站（MCS）、4 个地面参考站（GMS）、2 颗GEO 卫星、2个测距监测站（MRS），具体见图4。

图4 日本MSAS系统组成

MSAS系统能够很好地提高日本偏远岛屿机场的导航服务性能，满足国际民航组织（ICAO）对非精密进近阶段（NPA）和I 类垂直引导进近（APV-I）阶段的服务要求［10］，在日本区域内精度优于1m，不在日本区域外规定精度，通常为2m～4m，且距离日本越远，精度越低。

2）印度星基增强系统（GAGAN）

GAGAN系统由印度航空机构和太空研究组织于2001 年8 月共同计划实施，于2015 年7 月14 日发布系统服务［11］。该系统在地面段有15 个参考站、3 个上行注入站和1 个任务控制中心。GAGAN系统的技术体制与美国的WAAS相同，目前空间部分依赖GSAT-8和GSAT-10卫星，GSAT-15卫星作为该系统空间转发器的备份。系统将改善印度的空中交通安全状况，并为印度的区域导航卫星系统（IRNSS）建设提供经验［12］，为50 多个机场提供服务，AAI 计划用该项技术代替仪表着陆系统（ILS），为飞机提供更加精准的航线指引，节省时间和燃料成本，同时，只有安装了SBAS系统的飞机才能使用这项技术。

3）俄罗斯系统差分校正与监测系统（SDCM）

SDCM 系统是由俄罗斯航天局开发的差分校正与监测系统，并于2007 年开始试运行。该系统由分布于俄罗斯境内的19个地面监测站网络、6个海外监测站（其中3 个位于南极），位于莫斯科的控制中心和3 颗地球静止轨道卫星组成［4］，可通过互联网、电视通道和蜂窝网络向用户实时提供GLONASS、GPS的差分校正信息（完好性信息、广域和局域差分改正数据）。系统结构如图5所示。

图5 SDCM结构图

SDCM可提供1m～1.5m的水平定位精度和2m～3m的垂直定位精度。2012年4月16在莫斯科进行的定位精度试验结果表明:在观测时间为24 小时的情况下，GPS+SDCM系统可以达到水平方向1.0m（95%）、垂直方向2.5m（95%）的定位精度；GLONASS+SDCM 系统可以达到水平方向0.98m（95%）、垂直方向1.7m（95%）的定位精度。

3 北斗星站差分定位系统发展概况

我国北斗卫星的星站差分定位系统正在逐步建设之中，部分已在中国和亚太地区得到应用，但精度稍低。以现有工程建设经验，北斗/GPS 星站差分定位系统定位精度可优于1m，完好性告警时间达到10s，可为“一带一路”沿线国家提供高精度位置服务，满足沿线国家航空、能源开采、智慧交通、测绘等行业对高精度定位的需求［13］。

为使北斗星站差分定位系统达到国际标准，将其服务推向国际，实现与其他星站差分定位系统的兼容互操作，我国代表多次参与星基增强互操作工作组（SBAS IWG）会议。从2015 年4 月，我国代表首次参与SBAS 兼容互操作讨论，将北斗星站差分定位系统带入了国际化领域，至2016年11月，我国及其他各国代表在DFMC SBAS定义文档和接口控制文档上签字，标志着北斗导航系统作为第四个增强对象得到了正式确认，奠定了北斗全球卫星导航及北斗星站差分定位系统的国际地位。我国代表在参与SBAS IWG 协调的同时，还持续参与国际民航组织导航系统专家组（ICAO NSP）的多边国际SBAS 标准制定工作，将DFMC SBAS 定义文件和接口文件的相关内容整合到GNSS SARPs中［5］。为保证系统的播发信号的频点资源，我国已经启动了北斗GEO 卫星的L1/B1C 和L5/B2a两个频点信号B2a信号与GPS、Galileo/EGNOS、Inmarsat 的协调工作，并已于2016 年启动了北斗星站差分定位系统B1C信号的频率协调工作。

图6 中国精度信号覆盖范围

2015 年6 月，由我国北斗导航企业、北京合众思壮科技股份有限公司自主研发的全球星基高精度增强服务系统，“中国精度”正式提供服务，并面向全球同步发布，这将使我国北斗用户在无需架设基站的情况下，可在全球任一地点实现便捷的亚米级、分米级和厘米级3 种不同精度层级的定位増强服务［13～14］，信号覆盖范围见图6。作为首个由中国企业完全建设和完全控制的全球高精度增强系统，“中国精度”具有全部自主知识产权和全部控制权，打破国际企业的技术垄断和封锁，保障国家地理空间信息的安全性和自主权，弥补了我国卫星导航产业在精度、可用性和完好性方面的不足，从提高北斗服务精度入手提升了北斗的全球竞争力。“中国精度”自2018 年5 月31 日起将启用新的播发频率进行播发信号［15］（见表2），服务类型及定位精度见表3。且对2018年6月30日之前购买服务的用户，终身享受免费的亚米级增强服务［16］。

表2 中国精度信号播发新频率更改

表3 服务类型及定位精度

4 发展北斗星站差分定位系统的必要性分析

1）是北斗卫星导航系统的重要组成部分

持续提升北斗卫星导航系统的服务能力是北斗系统建设与发展的重要使命之一。目前北斗系统已经完成区域组网，空间星座、地面控制和用户终端三部分组成了北斗的基本系统，提供10m左右的定位精度，可初步满足各行业对卫星导航定位服务的基本需求。北斗星站差分定位系统将作为北斗基本系统的重要组成部分，通过地面参考站的修正，将定位精度提高至米级、分米级甚至厘米级，以及事后毫米级，系统的完好性和辅助定位能力，全面提升北斗系统服务性能，改善北斗服务质量，实现北斗高精度导航定位服务能力。

2）是解决我国关键行业及领域高精度位置安全的重要手段

长期以来，我国测绘、交通、电力、国土资源调查、城建等行业应用领域严重依赖基于国外GNSS的高精度定位服务，特别是在高速公路、高铁、桥梁、水电站等大型国家重要基础设施的建设过程中基本上都是基于GPS 的实时动态差分或事后精密定位技术，相关的标准、地图、以及地理信息产品都是基于国外GNSS 差分高精度服务获得，并且工程实施基本上采用了国外测量系统与软硬件设备，客观上存在严重的位置安全隐患。

北斗星站差分定位系统的建设将为上述行业应用领域提供同等精度的差分动态定位服务以及事后精密定位服务，并且通过可靠稳定的国产北斗星站差分定位系统与软硬件设备，确保关键行业和应用领域高精度位置数据的安全可控，从根本上解决我国关键行业及领域高精度位置应用安全。

3）是加快北斗应用推广与产业化的关键基础设施

经过几年的努力，北斗应用已经初步解决了芯片、模块等基础产品核心技术的突破，相关产品已经可以满足行业和大众基本需要［17］，但北斗应用推广与产业化工作仍面临多重阻碍和不足，发展起步艰难。一方面，长期以来，基于GPS技术的导航、定位与授时产品以其稳定可靠的产品与服务质量赢得了市场的绝大部分份额，占据绝对的竞争优势；另一方面，高可靠稳定、低功耗、低成本、高性能的北斗基础产品的研发仍需市场需求的牵引和验证，而市场选择主要依据综合竞争力。尤其在北斗ICD 已经公布后，国外高性能、低功耗、低成本的产品即将大肆冲击民族北斗产业，且形势非常迫切。

为此，尽快建设高可靠、全国无缝覆盖的北斗星站差分定位系统，打造米级、分米级差异化服务优势，提供优于现有GPS 的定位服务，弥补北斗基础产品其他方面不足，提升本土北斗的综合竞争力，才能为北斗开展规模应用推广与产业化打开突破口，加速北斗应用推广与产业化步伐。

5 结语

目前，卫星导航星站差分系统己经成为卫星导航系统必备的配套设施，是保障与提高定位精度的基础设备。继美国、欧盟之后，许多国家都在致力于星站差分技术的开发和研究。发展北斗星站差分定位系统，既是维护国家国土安全的重要国家基础设施，又是市场潜力巨大、发展迅速的高新技术产业。从当前国际形势来看，我国必须发展自己的星站差分定位系统，其系统建设和完善是一项复杂工程，同时也是一项重大科研课题。发展我国星站差分定位系统，可以增强北斗系统的导航和定位能力，更好地为我国北斗用户提供全方位导航定位服务。尤其在地基增强网络无法覆盖的区域，如海洋、沙漠等，通过星站差分定位系统也能达到较高的定位精度。用户可以接收来自北斗GEO 卫星的广域差分信号，来提高定位精度与可靠性。同时星站差分定位系统的完善还有利于对北斗二代导航卫星系统的的定位精度进行评价，对北斗二代导航系统的发展起着积极的作用。