当前,全球卫星导航应用产业正经历三大转变: 从单一的 GPS 系统时代转变为多星座并存兼容的GNSS 时代; 从以车辆应用为主体的市场格局,转变为与通信相融合的以个人消费为主流市场的新格局; 从经销应用产品为主,转变为位置服务为主的服务产业化新时期。

    何为“导航”，不仅仅是定位

　　全球导航卫星系统(GNSS)是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。利用该系统,用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;另外,利用该系统,用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

　　卫星导航定位技术目前已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术,并推动了大地测量与导航定位领域的全新发展。

　　GNSS 以其覆盖的广泛性(全球 4 重以上覆盖)、信息的全面性(PVTA十参数)、应用的通用性(陆海空天、军民政科)、服务的全天候(昼夜晨昏、风霜雨雪)、性能的卓越性(PNT 高性能)、成本低廉(信号免费公开,机体嵌入集成)等 6 大优点得到各界青睐。

　　导航增强系统

　　美国主要的增强系统

　　GPS 提供的民用定位服务比现有任何类型的陆基导航系统精度都要高。但是卫星导航系统还存在着一些固有的缺点。

　　导航星座不能完全覆盖地球。卫星导航系统属于无线电导航系统的一种,系统定位时需要在卫星可视情况下才能发挥其正常功能,但是建筑物、高山、森林等都有可能导致卫星的不可观测,或者是墙、水面、山的侧面等所造成的多路径干扰也能导致接收机对观测卫星无法正确识别,这些因素都会导致用户定位性能的下降。

　　随着导航应用领域的日趋广泛,各种特殊的导航应用需求被提出,导航应用环境也日趋复杂。在地下室、地铁、室内、隧道、森林、矿区等等各种复杂环境中,导航信号会受到严重的衰减甚至不可用。例如, 存在着“城市峡谷”效应的高楼林立的城市之中,导航信号被遮挡造成可见卫星不足,从而无法定位;在车载导航中,由于交叉道路多、路边的建筑物比较密集,信号会产生明显的多径效应;而在磁悬浮列车、高速运动的飞行器等情况下导航信号的信噪比就更差。因此,用户对导航接收机的要求也就越来越高了。

　　GPS 卫星更新的基本策略是某一颗卫星出现故障就发射新的卫星代替, 因此在导航星座中当某颗导航星座发生了故障而代替卫星还没有发射的时间段里,用户定位的性能就很容易下降。在某些特定用户中,用户接收到的导航信息的完好性可能直接关系着用户的生命安全。因此, 当 GPS 系统的服务性能下降时,尤其是当系统的某个模块出现故障时,发播出的导航信息往往就是不可靠的信息,那么导航系统把自身系统运行情况及时通知到用户就十分关键。单纯依靠卫星导航系统,哪怕是目前定位精度最高的 GPS 系统,也无法满足一些对定位精度要求比较高的应用需求,比如航空领域的飞机精密进近等。因此,针对这一需求,尤其是来自航空业的迫切需要,许多国家都发展了自己的卫星导航增强系统。

　　90 年代开始,美国、欧洲、日本等国家分别建立了GPS的GBAS(地基增强系统)和SBAS(星基增强系统),这些增强系统的目的就是利用外部独立的监测手段实现导航系统的完好性保证。具体的方法就是在地面设置监测站,监测 GPS 卫星的状况,当然也包括监测系统本身的故障因素, 然后把综合的系统信息发播给用户。该方法最早称为 GPS 完好性通道(GIC),并且基本实现了 GPS 系统的完好性监测。

　　目前美国设计和建造的 WAAS(广域增强系统)系统不仅能为美国本土用户提供可视区内GPS卫星和导航系统的完好性状况,而且能为用户提供卫星钟差、电离层改正数和卫星星历改正数,这些改正数提高了用户的定位精度。

　　同时,欧洲也建立了自己的增强系统(SBAS),即 EGNOS(欧洲静止地球卫星导航覆盖系统);日本民航局也在开发拥有主权的卫星增强系统(MSAS)。这些系统都利用基准站来监控 GPS 卫星,并计算出差分改正数和给出完好性信息。尽管 FAA(联邦航空局)推动广域地基增强系统向星基增强系统的转变主要着眼于提高导航系统的准确度和可靠性,但并不说明 WAAS 系统在完好性测定中的指标十分完美。

　星基增强系统

　　各SBAS系统(星基增强系统)全球分部图　　

　　世界上正在使用的星基增强系统有:美国的WAAS(广域增强系统),欧洲的 EGNOS(欧洲同步卫星导航覆盖系统),日本的 MSAS(多功能卫星增强系统),印度的 GAGAN(GPS 辅助型静地轨道增强导航系统),俄罗斯的 SDCM(差分校正和监测系统)。

　　在美国,FAA 领导着 WAAS 的开发工作,WAAS 基本上覆盖了美国的大陆部分。在与FAA 的紧密合作中,加拿大正在实施加拿大WAAS(CWASS),以作为它的卫星导航计划的一部分。

　　在欧洲,欧洲三方小组(由欧盟,欧空局和欧委会组成)正在开发EGNOS,它将覆盖欧洲民航会议(ECAC)指定的地区,该机构已经完成了 EGNOS 设计方案和工程可行性的分析论证,对 EGNOS 要实现的功能、将使用的算法和可靠性情况进行了综合研究。美国的星基增强系统,即广域增强系统(WAAS),由地面监测站网络和同步通信卫星构成,用来增强GPS的服务性能,由美国联邦航空管理局 (FAA)建设和管理。

　　WAAS 最初设计目标是利用 GPS/WAAS 来替代 ILS 实现美国本土机场的一类精密进近,WAAS 系统现由 38 个广域监测站、3 个广域主控站、3 颗地球同步卫星、6 个地面上行注入站、2 个操作控制中心以及陆地通信网络组成。

　　广域增强系统利用遍布北美和夏威夷的地面参考站采集 GPS 信号并传送给主控站。主控站经过计算得出差分改正,并将改正信息经地面上行注入站传送给 WAAS 系统的 GEO 卫星。最后由 GEO 卫星将信息播发给地球上的用户,这样用户就能够通过得到的改正信息精确计算自己的位置。

　　广域增强系统的动态定位水平精度达到了 3-5 米,且垂直精度达到了3-7 米,最关键的是用户无需增加任何额外的导航设备。广域增强系统在 20 世纪 90 年代开始被研制开发,而 2003 年 7 月它的信号可覆盖美国 95%的领土。

　　WAAS系统体系构架　

　　WAAS 最大的贡献是对传统卫星导航系统架构的完善,其率先采用的星座增强结构、服务区栅格化监管、完好性概念、完好性监测与处理结构、完好性通道、兼容与互操作设计等很多理念、结构和关键技术。

　　WAAS 可以向大范围内的用户提供精确的定位服务和相应的完好性保障,这就使得服务范围内的所有机场可以实现精密进近,而且允许设计不同的进近方式并降低开发和使用的费用。

　　WAAS 不但可以为飞行提供很多便利,同时还大幅度降低了运行和维护成本。在机场安装一套 ILS(Instrument Landing System)设备价格昂贵。在全美范围内,有600个机场安装了 ILS 设备,其每年的维护费用约8千万美元,而WAAS可以为5400个机场提供服务,每年的维护费用仅5000美元。

　　WAAS地面系统分布

　　虽然天基增强系统不像传统导航设备那样受限于覆盖范围,但是天基增强系统至多只能支持 APV I 精密进近的所需导航性能要求,对于难度更大、导航性能要求严格的 CAT I/II/III 精密进近,则必须采用地基增强系统。

　　在地基增强系统中,用户接收到的增强信息来自地基发射机。增强信息通过通信数据链以数字格式广播给用户。地基增强系统由地面站、监控设备和机载设备组成。

　　地面基准站完成差分定位,并将对应各颗卫星的差分修正量发送给地面主控站,主控站经过相关处理并通过地面布设的甚高频网络广播高精度的差分修正信息和完好性信息,从而为其作用区域内的航空用户提供全天候、满足 I 类精密进近要求的导航服务。近年来地基增强系统一直是卫星导航领域研究热点之一,其主要原因在于,它能够取代传统的微波着陆系统和仪表着陆系统,提供更为经济的导航服务。

　　基准站在整个广义完好性保障体系中占有重要的地位,是广义完好性保障体系的重要组成部分。

　　基准站在接收和跟踪导航系统电文的同时要能够有效修正对流层延迟、电离层延迟偏差,保证基准站输出数据成为中心站计算改正数的基础。而且基准站的硬件和软件设计必须能发现导航星座伪距的变化率、其它故障或超差现象,能具备隔离故障和判断具体超差设备的能力,并对不同的故障和超差现象具有不同的反映,然后回溯到故障点或超差点 。

行业新应用

　　导航通信融合

　　GPS 系统在设计之初就没有考虑通信功能,为了满足日益兴起与迅速发展的基于位置服务的通信需求,人们不得不在 GPS 系统之外解决将 GPS 定位接收机得到的位置信息进行回传或者广播的问题。

        基于位置服务

　　位置服务是通过移动获取的方式确定实际目标的地理位置,从而提供给用户基于这样位置的服务信息,实际上人类活动的信息80%是与空间信息有关的。

　　精准定位作为一种全天候实时性定位手段,其优势在于安全和精准，但不能单独存在,必须依托企业的 GIS 平台而存在,简单地说,就是必须和地图结合起来,才能发挥最大的优势。

　　北斗精准定位服务的系统结构图

　　系统层由 CORS 系统(连续运行参考站)和用户数据组成。

　　服务层主要解决的是用户取得精准位置的问题,重点在于用户所用终端及对用户取得定位精度的分级管理,另外各个行业、公司的基础GIS业务平台也属于服务层,涉及到大量精准定位终端和 GIS 平台软件。

　　应用层则是一个根据行业细分的软件开发领域,精准位置除了与地图数据结合可以达到监控、定位、导航、调度等的应用外,还要和各行各业的实际业务需求相结合,实现室外工作流程的电子化、规范化，这便需要在定位终端和后台 GIS 平台两个层面进行软件的二次开发，如燃气的管线定位终端便要和管线探测仪等专业设备连接,并在定位终端和后台 GIS 平台实现对管线探测仪数据的识别、传输和分析,还要结合巡检、焊接人员的作业标准流程开发终端软件。

　　智慧导航

　　精准农业首先由美国农业工作者于 20 世纪 90 年代初倡导并实施的。精准农业,通俗地讲就是综合应用现代高新科技,以获得农田高产、优质、高效的现代化农业生产模式和技术体系。

　　具体说精准农业就是利用遥感、卫星定位系统等技术实时获取农田每一平方米或几平方米为一个小区的作物生产环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息,及时对农业进行管理,并对作物苗情、病虫害、墒情的发生趋势,进行分析、模拟,为资源有效利用提供必要的空间信息。在获取上述信息的基础上,利用智能化专家系统、决策支持系统,按每一地块的具体情况做出决策,准确地进行精准播种!精准施肥、精准喷洒农药、精准灌溉、精准收获等精准作物生产管理。

　　由地学空间信息技术与现代农业技术相结合组成的精准农业技术,其实施过程可描述为:用带 GPS 的联合收割机自动生成的作物产量分布图(典型空间分辨率为 15m)和田块的地形、地貌、土壤参数空间分布数据图,分析各地块产量差异形成的原因,从而为同一地块下一年或下一季作物精准农作决策的制定提供依据。

　未来

　　在北斗导航产业链的空间段、地面段和用户段三部分中,中国卫星将重点发展“地面应用”和“系统服务”两部分,特别是北斗地基、天基增强系统建设和北斗数据中心运营,这是具有高度垄断性和持续现金回报的大产业。卫星就是数据,谁掌握数据,谁就能永立不败之地。简单的导航和定位一定是免费的,但基于位置信息衍生出来的服务(特别是和大数据、云计算相结合)空间是相当可观的,这将是中国北斗导航产业的希望所在。

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