北斗导航定位精度与北斗增强系统

王 坦 李 瑜 师宏波 王阅兵

1）中国北京 100048 首都师范大学

2）中国北京 100045 中国地震台网中心

“挑战GPS，北斗导航定位精度已达到厘米级”，此类报道常见诸报端。“人世间最远的距离不是天涯海角，而是我站在你的面前，导航却显示我在马路对面。”这说的也是导航，打车软件定位不准给人们出行带来一些麻烦。北斗导航卫星分布在距地球2 万多千米的太空，穿越茫茫宇宙，如此遥远的距离，定位精度是否已经实现厘米级？如果已经实现，那为什么手机端导航软件仍常常出现定位偏差？

1 卫星导航定位精度

北斗导航定位系统的定位精度已达厘米级，在当今社会中应用广泛。定位精度实现厘米级是事实，但严格而言不够科学严谨。真正意义上的厘米级定位，尚需其他辅助条件。目前，美国GPS、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗BDS 和欧洲伽利略GALILEO，依靠卫星定位系统本身，实时定位精度最高只能达到米级。实现更高精度的定位，需要配合相关技术和相关信息，比如能够实时获取改正数据，或者延长定位时间。

按照定位方式，卫星导航定位可分为单点实时定位、差分实时定位和事后处理定位。单点实时定位即仅靠跟踪卫星观测信号，独立定位。采用该方式进行定位，精度较低，民用北斗定位系统精度可优于10 m。差分实时定位指除自身定位外，实时接收必需的差分改正信息，才能实现高精度定位。采用该方式进行定位，精度较高，使用RTK 技术，北斗导航定位精度可优于5 cm。事后处理的高精度定位，需要专业人士架设专业观测设备进行长时间观测（通常不少于1 h），并利用软件，对观测数据和一定距离的同时段基准站数据共同进行精细处理，北斗导航定位精度可优于5 mm，但限制较多，且无法实时给出定位结果，主要用于科学研究。因此，媒体报道的北斗导航定位系统精度指的是差分实时定位精度。

2 差分定位技术

GPS 设计之初主要面向军事应用，并为国家安全服务。出于安全考虑，在最初设计中，计划提供2 种不同精度的定位服务：①针对美国及其盟友军事部门和其他特许民用部门，提供精密定位服务（PPS），预期定位精度可达10 m；②针对广大民间用户，提供标准定位服务（SPS），预期定位精度仅约100 m。然而，在GPS 建设过程中，卫星上时钟的稳定性和卫星飞行轨道的准确度得到较大程度的提高，标准定位服务从而达到了14 m 的定位精度。事关军事应用和国家安全，美国政府于1991 年7 月在Block Ⅱ卫星上施加SA（Selective Avaibility）政策，人为降低了标准GPS定位服务的精度（刘基余，1993）。SA政策是一个组合，包括δ和ε，其中δ释放噪声，干扰时钟，ε降低卫星飞行轨道精度信息。SA 政策实行后，GPS 民用定位精度降到100 m 左右。

为了消除SA 政策的影响，人们发明了差分技术。假设地面上一个点的精确位置已知，在该点位接收导航信息进行定位（图1），若将定位结果与自身精确位置进行比较，则可获取修正信息。在同一时刻和一定空间范围内，可以大致认为该区域定位受到SA 政策的影响是相同的，若将已知点的修正信息广播出去，附近用户即可利用该信息提高定位精度，这就是差分定位思想的原型。为用户提供差分导航改正的在地面已知点架设的高精度卫星接收机，被称为基准站或参考站；连续运行的基准站，被称为连续运行参考站。

图1 卫星导航定位示意图Fig.1 Schematic diagram of satellite navigation and positioning

人们发现，利用差分方法定位，不但消除了SA 政策带来的定位影响，也消除了卫星轨道误差、大气影响等因素带来的误差，卫星导航定位精度从米级跃升到厘米级。这是因为，在同一时刻、同一空间范围内（通常120 km 以内较优），卫星轨道误差、大气影响等因素具有强相关性。为了有效提高差分导航定位精度，很多国家进行了城市级、省级或全国范围的参考站网的大规模建设，这就是不同服务范围的地基增强系统。差分实时定位示意图见图2。

图2 差分实时定位示意图Fig.2 Differential real-time positioning diagram

美国Trimble 公司在传统差分技术的基础上，研制出虚拟参考站技术（Virtual Reference Station）（王平，2001）。在虚拟参考站技术中，地基增强系统各参考站不直接向用户发送差分改正信息，而是将观测数据通过网络发给控制中心。用户在工作时，会通过移动网络向控制中心发送一个自身位置，控制中心接收位置信息后，由计算机自动选择一组最佳固定基准站，据基准站发送信息，在用户旁边生成一个虚拟参考基站，使用相关模型重构观测值，向用户发送虚拟参考站的改正数据，从而打破了传统差分改正作业距离上的限制，保证了用户定位精度（图3）。类似技术还有徕卡Leica 的主辅站技术（陆金凤等，2007）、Geo++公司的FKP 技术（刘彦芳等，2009）。

图3 地基增强系统示意图Fig.3 Schematic diagram of ground-based augmentation systems

差分定位技术也可以通过星基增强系统实现，即通过数据通讯卫星，为通讯服务未开通或较大范围内无参考站的地区（如沙漠、海洋等）提供差分定位服务。通过发射一些地球静止轨道卫星，向用户播发修正信息来实现差分定位，这就是星基增强系统。受限于通信卫星距离较远，星基增强系统每次导航初始化即需要10 min 左右，当跟踪卫星和解算结果等稳定后，才可以实现实时分米级定位。目前星基增强系统较多，如美国的WAAS、俄罗斯的SDCM、欧洲的EGNOS、日本的MSAS 以及印度的GAGAN 等（郑金华，2020）。

3 我国北斗增强系统建设

卫星导航应用的蓬勃发展，在于民用市场的迅速发展；民用市场的发展，又在于导航定位精度能否满足民用市场需求。差分定位技术给卫星导航精度带来质的提升，对于推动卫星导航的民用发展起到了关键性作用。作为提高北斗导航精度的“杀手锏”，北斗增强系统随着北斗系统工程的启动开始同步建设，且在其设计之初即考虑到地基和星基两部分。

（1）北斗地基增强系统。地基增强系统站与站之间的距离在30—300 km。在经济发达、人口稠密的中东部地区，系统站点分布较密，站间距约30—120 km，而西部不发达地区站点分布相对稀疏，站间距约50—300 km。地基系统建设分2 个阶段进行：①一期工程于2014—2016 年完成：框架网基准站、区域加强密度网基准站、国家数据综合处理系统和国土资源、交通运输、中国科学院、地震、气象、测绘地理信息6 个行业数据处理中心建设完成，在全国范围提供基本服务；②二期工程于2017—2018 年完成：区域加密网基准站补充建设。如今共改造建设完成框架网基准站150 个，区域加强密站1 800 余个，利用我国自主研发的北斗GNSS 高精度接收机，通过地面参考站网，结合计算机实时处理整网站点解算，面向用户不同需求，可提供1—2 m、分米级、厘米级和毫米级后处理等不同等级的高精度位置服务。

（2）北斗星基增强系统。北斗星基增强系统同样是北斗增强系统的重要组成部分，按照国际民航标准，我国在建设北斗导航系统之初已同步开展北斗星基增强系统设计、试验与建设工作。随着卫星定位技术的发展，北斗三号不仅考虑了使用差分技术的SBAS 星基增强服务，也设计了支持“卫星精密单点定位（Precision Point Positioning）”的星基增强服务（陈忠贵等，2020）。2019 年12 月27 日上午，北斗三号系统提供全球服务一周年新闻发布会在国务院新闻办公室召开。北斗公开服务信号B2b 和精密单点定位服务信号PPP-B2b接口控制文件（测试版）同步发布。北斗三号3 颗地球同步轨道（GEO）卫星在我国及周边地区播发PPP 服务B2b 信号，可为用户提供公开、免费的高精度服务。这是北斗系统首次对外发布高精度服务信号，先行实现北斗系统定位精度增强服务，用户可获取实时分米级精度定位。后续，随着北斗系统上下行链路资源的提升，星基增强系统将具备为更多系统（北斗、GPS、GLONASS 和Galileo）提供更高定位精度的能力。

4 北斗发展，道阻且长

依靠增强系统，北斗系统可实现厘米级定位精度，在脱离增强系统环境下，北斗可实现优于10 m 的定位精度，与GPS 普遍可以达到3 m 左右的定位精度尚有不小差距。进行卫星高精度定位，需要使用高精度GNSS 芯片。在专业领域，国内GNSS 芯片产业已实现自主研发、规模生产与行业应用，在测量测绘、精准农业、无人机、驾考驾培、智能驾驶等行业，已实现大规模应用。但对于消费类产品，如手机中的GNSS 芯片，与国外相比，国内整体技术仍有相当大的差距。利用手机进行高精度卫星定位，目前的技术难点在于，无手机适用的支持高精度定位的GNSS 天线（Pesyna et al，2014；Humphreys，2016，2017），从而制约了差分定位技术在此类消费产品的大规模使用。

从2012 年14 颗北斗二号卫星完成亚太地区组网，到2020 年北斗三号完成全球组网并提供全球定位服务，短短8 年时间，北斗系统即已发展成为我国自主研发、完全可控、军民两用的国之重器。随着北斗产业应用和相关基础科学研究的进步与发展，对高精度卫星定位的市场需求出现井喷，如无人驾驶、共享出行、人员定位、精准农业和精准投递等，一大批专注于北斗技术、北斗应用、北斗高精度定位技术开发的高新科技公司正在崛起。在国家政策引导下，北斗产业蓬勃发展，北斗应用逐渐深入，将更好地为社会公众提供更加精细的服务。