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卫星导航增强技术

2019-07-24 15:45 编辑:采集侠

精度、连续性、可用性、完好性,是评价全球卫星导航系统(GNSS)及用户接收机设备性能的四项基本指标。其中,精度是指GNSS的定位和授时精确度,完好性是指GNSS定位和授时输出结果的可信度。没有完好性保证的GNSS定位和授时技术无法成为众多应用领域的主导航手段,尤其是那些与经济、财产、生命相关的应用领域(比如航空导航、航海导航、武器制导、交通执法、不停车收费、气象探空、电力授时等),对GNSS的精度和完好性提出了较高要求,这些要求超出了GNSS基本系统的服务能力,因此需要在GNSS基本系统的基础上,建设专门的增强系统,以提高用户设备的精度和完好性,从而满足特定用户的使用需求。欧美等国针对GPS在航空、航海领域的应用,建设了多套GPS增强系统,中国针对BDS基本系统,建设了北斗地基增强系统。本文在分析GNSS精度和完好性指标的基础上,介绍GNSS增强系统和技术。

关键词:

定位精度,差分技术,完好性增强。

GNSSAugmentation System and Technology

Abstract:

Accuracy, Continuity, Availabilityand Integrityare major technical specifications used to evaluate theability of GNSS system services and the performance of user equipments.Accuracy describes the precision of positionand time. Integrity is the measure of trust that can be placed on thecorrectness of the navigation system output. Basic GNSS systems such as GPS,GLONASS and BDS are not adequate to meet the accuracy and integrityrequirements for some special applications as aircraft navigation, marinenavigation, law enforcement in transportation, etc. Therefore, augmentationsystems were designed for enhancement of the accuracy and integrity. Typicalaugmentation systems to support GPS are SBAS, GBAS and RBN-DGPS system.Chinais alsodesigning its Ground-Based Augmentation System for BDS.

Based onthe analysis of GNSS accuracy and integrity, the factors which affects theaccuracy and integrity was identified. And GNSS augmentation systems andtechnologies were introduced.

Key words:

Positioning accuracy, Differential technology, IntegrityAugmentation.

1引言

当今已建成的全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System)包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的BDS。GNSS技术是无线电导航技术的一种应用,用户接收机收到卫星发出的导航信号后,通过无线电单向测距手段,获得卫星信号发射天线与用户接收机之间的距离,即“伪距”,当用户接收机同时收到四颗或以上的卫星信号并实现伪距测量后,即可建立并求解导航方程,计算出用户接收机的三维位置和精确时间。

由于GNSS民用信号可供任何用户免费使用,且没有用户数量限制,因此,该技术被广泛应用于与位置、速度和时间有关的各个领域,典型的应用领域包括航空导航、航海导航、航天器测控、武器制导、气象探空、大地测量、位移监测、车辆导航、手持导航、物流跟踪、通信和电力授时等。

评价一个GNSS系统及其用户设备的性能,通常使用四个关键指标,即精度、连续性、可用性、完好性。不同的应用领域,对这四项指标的要求也不同。GPS系统正式启用以来,人们在提高其精度方面花了大量精力,并已证明了GNSS的精度可以满足众多应用领域的需求。但是,目前市场上使用的GNSS接收机,除个别航空型和航海型专用接收机外,其他领域的接收机基本没有完好性指标,然而事实上,在许多应用领域使用GNSS,不但对其精度指标有明确要求,同时还要求满足完好性指标。没有完好性保障的GNSS技术,只能起辅助作用,无法成为那些涉及到法律、财产、生命安全相关领域的主导航手段。因此,随着应用的深入,如何增强GNSS的精度和完好性问题,将成为卫星导航应用领域的主要矛盾。

基于作者曾经从事过的航空导航专用LAAS基站设计经验和增强型WAAS接收机开发经验,并搜集整理了世界各地过去30多年来在GNSS精度和完好性增强方面所采用的技术和所达到的效果,本文综述GNSS精度和完好性增强系统和技术,以期对GNSS增强系统设计人员有所帮助。

1.1利用增强系统,提高GNSS基本系统的精度

以上四个指标中,人们首先关心的是精度,即定位和授时结果的精确度。例如,GPS基本系统的定位精度为10m,授时精度为100ns,GLONASS和BDS系统的精度与GPS相当。该10m定位精度可以满足大部分用户的使用要求,但是,对于飞机进场、飞机着陆、船舶进港、船舶靠岸、气象探空、大地测量、位移监测、交通执法等领域,该定位精度则不能完全满足应用要求,需要进一步提高;在航天测控、通信授时、相对定位等领域,有些应用场合要求授时精度达到10ns,GNSS基本系统提供的100ns授时精度也不能完全满足用户的需求。因此,需要在现有GNSS基本系统基础上,建设增强系统,辅助提高GNSS基本系统的精度,以满足特定用户的需求。

1.2利用增强系统,提高GNSS系统基本的完好性

GNSS完好性是GNSS定位和授时可信度的度量。不同应用领域对GNSS完好性要求也不同,例如船舶在远洋航路上航行时,对完好性要求相对较低,依靠GNSS基本系统提供的完好性保障能力,以及用户接收机内部提供的自主完好性监视能力,即可满足使用要求。但是,当船舶进港和靠岸时,基本系统提供的完好性指标则无法满足导航需求,需要建设专门系统,在提高精度的同时,提高GNSS的完好性,保证船舶进港和靠岸的安全。航空导航对完好性的要求高于航海导航,因此,针对航空飞行的全部五个阶段,即航路飞行、终端区飞行、进近(指飞机下降时机头对准跑道飞行的过程)、着陆、地面滑行,都需要在GNSS基本系统的基础上,建设专门的增强系统,在提高精度的同时,提高其完好性,保证飞行安全。在智能交通领域,当基于GNSS定位结果进行违章罚款时,由于涉及到执法问题,也对GNSS的完好性提出了要求。GNSS授时用于发电、输电、变电环节的时间同步,为确保电力安全,要求GNSS系统和用户设备具有较高的完好性。

1.3GNSS增强系统

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