SBAS

全球衞星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）可為用户提供實時、全天候、高精度的導航定位服務，已廣泛應用於航空、航海、測繪、汽車導航等國民生產生活之中。世界主流強國也紛紛研製自己衞星導航系統如美國 GPS 系統，俄羅斯 GLONASS 系統，中國北斗系統等，以期為本國的軍民用領域更好的服務。但受制於衞星導航誤差以及用户位置等多方面的影響，部分區域如地形複雜的山谷等僅依賴 GNSS 並不能到達理想的導航定位效果，同時一些對導航性能有特殊要求的領域如航空等，單獨使用 GNSS 也不能完成相應要求的導航定位服務。基於以上原因，包涵星基增強系統（Satellite Based Augmentation System， BAS）在內的一系列導航增強系統應運而生，通過增強系統的輔助配合 GNSS 的使用，使 GNSS 的定位精度等導航性能進一步提升，以滿足不同區域不同領域特殊的定位服務需求。SBAS系統能為民用航空提供花費更低、可用性更高的導航功能，並將為航空領域帶來巨大的經濟和社會效益。首先，通過減少通信和雷達導引，降低了空管人員的工作負擔，並且能為帶有衞星導航接收機的軍用飛機提供精密進場與着陸服務；其次，減小飛行時間和距離，可以節省燃料，降低飛行階段的運行成本；最後，可以進一步降低機場噪聲的影響，通過高精度定位，飛機可以按預定的航線重複飛行，這些預定航線可嘗試規避城市和社區的上空，這樣就降低了飛機飛行噪聲對周邊社區居民的影響。

星基增強系統由空間星座部分、地面控制站、運行維護站和用户四個部分組成。空間星座部分主要由地球靜止軌道衞星組成，星座部分通過發送與GNSS導航信息相近的信號實現增強效果，這些信號被 SBAS 地面控制站接受並進行解算處理，消除部分導航誤差生成導航增強信息併發送給用户，用户同時接收GNSS和SBAS信號，通過差分解算消除區域導航誤差，從而獲取更高精度的導航定位服務。由於SBAS具備高精度，高效率，較低成本，以及廣域覆蓋等優點，世界各國均在GNSS系統上研發對本國區域導航進行增強的星基增強系統。美國開發的WAAS是最早的星基廣域增強系統，其覆蓋範圍為美國大陸，可以使數千公里範圍內的定位精度達到2.5m。EGONS是歐洲自主研發的為GPS的定位提供增強的信號的靜止衞星重疊服務，其覆蓋範圍主要是在歐洲，其工作原理是糾正導航信號在電離層上的延遲，並提供出誤差改正數，保證導航信號的完好性 ^[1]  。

首先，由大量分佈極廣的差分站（位置已知）對導航衞星進行監測，獲得原始定位數據（偽距、載波相位觀測值等）並送至中央處理設施（主控站），後者通過計算得到各衞星的各種定位修正信息，通過上行注入站發給GEO衞星，最後將修正信息播發給廣大用户，從而達到提高定位精度的目的。其特點是：

1、通過地球靜止衞星（GEO）發佈包括GPS衞星星曆誤差改正、衞星鐘差改正和電離層改正信息；

2、通過GEO衞星發播GPS和GEO衞星完整的數據；

3、GEO衞星的導航載荷發射GPS L1測距信號。

國外已經公佈的SBAS標準主要包括SC-159（Special Committee159）編制、RTCA批准的全球定位系統/星基增強系統航空設備最簡操作性能標準RTCA DO-229D和國際SBAS互操作工作組IWG（interoperability working group）於2014年發佈的SBAS L5接口控制文件草案（SBAS L5 DFMC ICD）。RTCA 是一個服務於航空航天電子系統的非盈利組織，以聯邦顧問委員的身份出現，而非美國政府官方組織。除非美國政府機構依法授權，其建議並不能作為政府政策聲明。IWG 也是一個不隸屬於任何國家的非政府組織，其建議並沒有法律效力。因此，上述兩份標準均為應用行業針對專業和專業領域自身需求而自行制定的標準。

WAAS 是根據美國聯邦航空局（FAA）導航需求而建設的GPS性能增強系統，由若干個已知點位的參考站、中心站、地球同步衞星和具有差分處理功能的用户接收機組成。美國WAAS 系統由3個主站（兼參考站）、38個參考站、1個上行注入站和3顆地球同步靜止衞星組成，覆蓋北美和墨西哥周邊地區。參考站的佈設密度主要與系統誤差改正精度和實時性有關。

WAAS 為單頻偽距差分，採用 GEO 衞星播發修正數據，下行信號採用 L頻段，頻點為 1575.42MHz，與 GPS L1 頻段重合，方便用户終端接收使用，定位精度約為1-2米。WAAS廣播數據內容包括衞星軌道修正數據、鐘差修正數據和電離層格網延遲，基本數據傳輸速率為250bps，採用標準的RTCA DO-229格式進行傳播。此外，WAAS正準備L5頻段信號上播發差分修正和完好性信息，用來支持雙頻接收機用户。

EGNOS系統由歐洲空間局（ESA）、歐盟（EC）及歐洲航行安全局（Eurocontrol）聯合設計建設。1998 年11月EGNOS實施建設，自2002年5月開始了相應的研發與驗證。在系統組成上，空間部分與地面部分、用户部分及支持系統四部分共同組成完整的 EGNOS 系統。其中空間部分為 3 顆地球同步靜止衞星，負責在 L1 頻段播發修正與完好性信息，一般至少有 2顆GEO衞星同時播發操作信號。地面部分包含內容有：主控中心（MCC，4個）、測距與完好性監視站（RIMS，41個）、導航地面站（NLES，7個）及 EGNOS 廣域網（EWAN）；地面部分主要負責向歐洲及周邊地區的用户發送GPS 和GLONASS 系統的廣域差分改正數和完好性信息。對於用户部分，接收機除可接收GPS 信號外，還可接收GLONASS及EGNOS信號。而支持系統則綜合包括了工程詳細技術設計、開發驗收平台、系統性能評價及問題發現等系統。EGNOS 可提供三類提強服務：測距功能、廣域差分（WAD）校正及GPS 完好性通道。這三類信息通過 GEO 衞星播發給用户，以使用户獲得的導航精度、完好性、連續性及可用性得以改善。 ^[2] 

日本基於MTSAT（多功能運輸衞星）的擴增系統（MSAS，Multi-Functional Satellite Augmentation System）是符合民航組織標準和推薦做法的基於衞星的擴增系統之一。基於兩顆GEO衞星MTSAT-1R和 MTSAT-2的服務，MSAS提供的導航服務可覆蓋整個日本空域的所有航空器。MSAS 系統包括2個主控站（MCS）、4 個地面參考站（GMS）、2 顆 GEO衞星、2 個測距監測站（MRS）。2007年9月 27 日MSAS 系統正式投入運營。大部分亞太地區都可被 MTSAT衞星播發的MSAS 信號覆蓋，在此區域內，空中航行可以實現無縫隙，且更安全、更可靠。我國幾乎所有地區都可接收到MSAS 衞星信號。

為了便於示範利用星基增強系統技術，印度開發了GPS輔助型對地靜止軌道增強導航系統，即GAGAN系統。GAGAN是一個致力於在印度區域提供無縫導航的系統，可與其他星基增強系統互通互用。雖然GAGAN的主要目的是用於民航，但也會為其他用户帶來好處。

另外中國的北斗星基增強系統正在測試使用過程中。

SBAS 互操作標準體系研究是系統自身建設和不斷完善發展的必然需要。現有的SBAS是作為獨立的、區域性系統運行的，且其主要針對各自系統覆蓋範圍內的民航提供。但每個 SBAS 的GEO 衞星地理覆蓋範圍遠大於此 SBAS 系統的服務覆蓋範圍，且可能同時對多個系統可視。如何對航空用户實現交叉覆蓋區域SBAS 服務的無縫鏈接，成為 SBAS 服務性能提升必將考慮的問題。各大 SBAS 系統導航電文的設計思想基本一致，主要包含數據內容、差錯控制編碼、編排結構及播發方式等方面，但根據各自系統需求不同，各電文設計也存在一定的差異。

SBAS L1上的電文設計參照 RTCA DO-229D協議標準，通過GEO衞星播發完好性及差分改正信息。SBAS L1電文的每個數據塊（或幀）為250bit，含前8bit為前導碼，6bit電文類型標識、212bit 數據塊及24bit 循環冗餘校驗碼（CRC），以250b/s 的基本數據率進行傳輸。同時，為了保證不同信息類型所播發信息內容的關聯性，採用多類數據版本號信息（Issue Of Data，IOD）對完好性及差分改正信息的可用性進行標識。

各大SBAS系統都在開展由單頻單系統向雙頻多系統的過渡，併成立了相應的工作組來論證SBAS L5互操作電文。SBAS L5同樣採用數據塊的電文播發模式，但前導碼僅為4bit，而數據為增加為216bit。

早在1997年，斯坦福大學 Parkinson 就提出了將通過5個或5個以上基準站採集原始數據，並將星曆、星鍾和站鍾在大的估計器裏進行聯合解算。隨後，Enge P採用共視時間傳遞法將站鍾偏差分離出來，進而將解算減少至四維（星曆和星鍾）。1999年，斯坦福大學和JPL研究小組共同對上述算法進一步改進，採用站間單差消去殘餘的電離層和對流層等共同誤差，再利用星際雙差消除基準站間的誤差，先求解星曆，再利用修正的星曆解算星鍾，SBAS系統普遍採用這種算法。德國的 GFZ 地學中心通過對幾種算法的綜合分析於2004年指出，以上幾種算法實質上還是星曆和星鐘的統一解算，適用於中軌衞星星座，不大適用於中高軌結合的混合星座。蔡成林等人結合 BDS 混合星座特點，提出了一種將星鍾和星曆誤差解算過程分離的新方法，從而將四維時空解算變為三維空間解算，有效提高了定位精度。

電離層延遲是影響衞星導航測距和定位精度最重要誤差源之一。SBAS 可通過多個連續運行的參考站觀測數據對衞星導航信號的電離層延遲進行實時監測，並生成電離層差分修正數，從而修正用户的電離層延遲。SBAS 通常採用格網修正法來修正電離層延遲，其提供的電離層差分修正數是電離層格網點處的垂直電離層延遲估計。傳統的電離層修正的格網修正方法，更多地藉助電離層的經驗模型（如 Klobuchar 模型、Bent 模型、IRI 模型），其計算精度不可避免地受到這一類模型本身精度的影響和制約。運行的SBAS系統主要採用三種方式針對每個電離層格網點進行垂直電離層延遲評估：一種是三角格網插入的卡爾曼濾波方法（Solar-TRIN）。假設電子容量是固定的，通過電離層穿刺點測量的傾斜總電子容量（TEC）值，計算球型網格點上的TEC 值 ；第二種是廣泛應用於地質統計學的基於 Kriging 插入方法，該方法利用已知的樣本值和設定的協方差函數（變差函數）來確定不同時間點和位置的未知值，充分利用TEC的空間相關性，並進行不確定性評估測量 ；第三種方法則考慮綜合了以上兩種方法的優勢，使用變差函數考慮空間相關性。

完好性監測是實現系統故障監測和排除的有效手段，能夠檢驗衞星導航定位服務品質。當衞星導航系統三大完好性監測方法為：一是外部增強方法，如廣域增強系統、局域增強系統等在向用户播發誤差改正數的同時也給出改正數的完好性信息；二是接收機自主完好性監測 RAIM 方法，利用導航衞星的冗餘信息，實現多個導航解的一致性檢驗，以達到完好性監測的目的；三是衞星導航系統自身基本完好性監測和衞星自主完好性監測。衞星鐘是實現衞星導航定位系統精確定位的基礎，其完好性監測主要是監測衞星鐘差異常。因此，SBAS 需對衞星鐘的狀態進行密切監測，適時作出故障鍾排除、星載鍾切換等操作。通常，衞星鐘差異常可以通過星載原子鐘的高精度頻率或相位比對測量、動態 Allan方差和基於滑動窗口的最小二乘擬合算法，並結合來二階多項式模型、灰色模型、Kalman濾波器模型等多種衞星鐘差模型實現，但實時性上大多難以滿足系統需求。SBAS 完好性監測以 EGNOS 和基於GPS 的SBAS的完好性概念最具有代表性。EGNOS 結合自身系統完好性，可提供空間信號和完好性標誌等完好性信息 ；基於 GPS 的 SBAS 結果廣域增強技術和地面完好性監測技術，提出 UDRE、GIVE 等完好性概念。雖然二者概念不同，但均以觀測方程的形式將誤差通過空間幾何關係到定位域的誤差之上，使多星座間完好性信息等效利用成為可能。對於 DFMC SBAS 系統完好性來説，因其包含綜合信息完好性和用户端完好性監測兩部分，故可考慮將上述三種方法相結合，在系統內部進行信息的完好性參數計算，同時在用户接收端輔助以接收機完好性監測算法。SBAS 互操作的實現將能更好的支持民用航空各個飛行階段的精度和完好性性能需求 ^[3]  。