卫星导航增强系统课件.pptx

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1、GPS理论与应用（20.卫星导航增强系统：SBAS）,刘瑞华中国民航大学 电子信息与自动化学院,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,授课内容1.国外卫星导航增强系统发展 2.SBAS系统原理3.卫星导航差分增强技术,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,1、国外卫星导航增强系统发展：星导航增强系统是卫星导航系统建设中的一项重要内容，堪称卫星导航系统的“能力倍增器”。目前的卫星导航系统尽管已经在各个民商用领域应用广泛，并且成为各大强国发展所不可或缺的一环，但由于技术和系统的局限性，在某些领域如航空精密进近等仍无法满足需求，需要增强系统将其能力加以提升。目前，国外卫星导航

2、增强系统主要分为星基增强系统（SBAS）地基增强系统（GBAS）,星基增强系统（SBAS）通过地球静止轨道（GEO）卫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、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进，从而成为各航天大国竞相发展的手段。目前，全球已经建立起了多个SBAS系统，如美国的广域增强系统（WAAS）、俄罗斯的差分校正和监测系统（SDCM）、欧洲的欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）、日本的多功能卫星星基增强系统（MSAS）以及印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统（GAGAN）。,各SBAS系统全球分布图,GPS理论与应用20.卫星导航增强

3、系统：SBAS,这些系统综合使用了各种不同增强效果的导航增强技术，最终实现了其增强卫星导航服务性能的目的。从增强效果上看，这些增强系统所使用的卫星导航增强技术主要包括精度增强技术、完好性增强技术、连续性和可用性增强技术。其中，精度增强技术主要运用差分原理，进一步可分为广域差分技术、局域差分技术、广域精密定位技术和局域精密定位技术；完好性增强技术主要运用完好性监测原理，进一步可分为系统完好性监测技术、广域差分完好性监测技术等等。连续性和可用性增强技术主要是增加导航信号源，进一步可分为天基卫星增强技术、地基伪卫星增强技术等。当前卫星导航增强系统所采用的各种增强技术分类见下表。当前卫星导航增强系统所

4、采用的增强技术分类,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,1.1美国广域增强系统广域增强系统（Wide Area Augmentation System，简称WAAS）是由美国联邦航空局（FAA）开发建立的一个主要用于航空领域的导航增强系统，该系统通过GEO卫星播发GPS广域差分数据，从而提高全球定位系统的精度和可用性。美国WAAS利用遍布北美和夏威夷的地面参考站（Wide-area Reference Station，WRS）采集GPS信号并传送给主控站（Wide-area Master Station，简称WMS）。WMS经过计算得出差分改正（Deviation Correct

5、ion，DC）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。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,第1阶段为初始运行能力阶段（IOC）其研发始于20世纪90年代，2003年7月10日完成，实现WAAS信号对95%的美国领土的覆盖，动态定位水平精度35m，垂直精度37m。,WAAS发展阶段部署与GEO卫星时间表,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,第2阶段（2003年2008年）和第3阶段（2009年2013年）将实现WAAS系统对航空进场着陆能力的改善，通过W

6、AAS实现飞机的LPV（垂直指引功能定位信标）和LPV-200能力，可以使飞机在不具备仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS，又译为仪器降落系统，是目前应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。它是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径，飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位置，使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度，最终实现安全着陆）的飞机场仍可实现类似于仪表着陆的高安全性着陆。而开通LPV-200认证的飞机能够使降落判决最小高度降低至200英尺，从而提高了跑道的可用性。,GPS理论与应用20.卫星导航增

7、强系统：SBAS,第4阶段（20142028年）WAAS系统将增加L5频段信号，并实现L1和L5的双频跟踪能力。按照计划，此项能力将在2019年左右初步实现。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,在WAAS建立之初，其空间段由两颗国际海事卫星Inmarsat-3-F4(西太平洋地区AOR)和Inmarsat-3-F3(太平洋地区，POR)组成，两颗GEO卫星的轨道分别位于西经133和西经107。现在，这两颗卫星已经分别被另外两颗GEO卫星所取代，即国际通信卫星有限公司（Intelsat）的商业卫星Galaxy-15以及加拿大的通信卫星Anik F-1R。此外，2010年末国际海事

8、卫星Inmarsat-4-F3成为了WAAS系统的第三颗GEO卫星，轨道为西经98。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,1.2俄罗斯差分校正和监测系统自2002年起，俄罗斯联邦就开始着手研发建立GLONASS系统的卫星导航增强系统差分校正和监测系统（SDCM）。SDCM将为GLONASS以及其他全球卫星导航系统提供性能强化，以满足所需的高精确度及可靠性。和其他的卫星导航增强系统类似，SDCM也是利用差分定位的原理，该系统主要由3部分组成：差分校准和监测站中央处理设施用来中继差分校正信息的地球静止轨道卫星。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,1.3欧洲地球静止导航

9、重叠服务 欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）是欧洲自主开发建设的星基导航增强系统，它通过增强GPS和GLONASS卫星导航系统的定位精度，来满足高安全用户的需求。它是欧洲GNSS计划的第一步，是欧洲开发的Galileo卫星导航系统计划的前奏。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,EGNOS系统是欧洲航天局（ESA）、欧盟（EU）和欧洲航空安全组织（Eurocontrol）联合规划的项目，欧空局全面负责EGNOS系统的技术设计和工程建设，欧盟负责国际合作，并且确保把各类用户对系统的要求融入到EGNOS系统的设计和实施中。欧洲航空安全组织设计民用航空需求，并且在系统测试中扮演主要

10、角色。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,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：免费的公开服务，定位精度1m，已于2009年10月开始服务；生命安全服务，定位精度1m，已于2011年3月开始服务；EGNOS数据访问服务，定位精度小于1m，已于2012年7月开始服务。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,EGNOS系统空间段由三颗地球静止轨道通信卫星组成，搭载导航增强转发器，播发导航增强信号。目前该系统所使用的三颗卫星为Inmarsat-3 F2（AOR-E）、Inmarsat-3 F1（IOR

11、）以及ARTEMIS卫星，轨道分别为西经15.5、东经65.5以及东经21.3。Inmarsat-3 F1和Inmarsat-3 F2是国际移动卫星（Inmarsat）的第3代,卫星的主承包商是马丁-玛丽埃塔航天公司（Martin Marietta Astro Space），有效载荷由马特拉-马可尼航天公司提供，采用GE-4000平台。“阿特米斯”（ARTEMIS）卫星是在ESA的支持下发展的试验通信卫星，全称为“先进中继和技术试验任务卫星”，主要目标是验证移动通信和数据中继相关的通信技术。ARTEMIS卫星于2001年7月12日发射。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,EGN

12、OS系统空间段覆盖范围见下图：,EGNOS系统空间段覆盖,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,目前，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。,具备EGNOS系统的机场分布图,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,1.4日本多功能卫星星基增强系统MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)是日本的多功能GPS卫星星基增强系统，主要目的是为日本航空提供通信与导航服务。系统覆盖范

13、围为日本所有飞行服务区，也可以为亚太地区的机动用户播发气象数据信息。该项目由日本气象局和日本交通部于1996年开始实施，合同承包商是阿尔卡特、东芝和三菱公司。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,MSAS的空间段由两颗多功能传输卫星（MTSat）组成，它们是日本发展的地球静止轨道气象和环境观测卫星“向日葵”（Himawari）卫星的第二代。MTSat是日本国土交通省（MLIT）和日本气象厅共同出资发展的气象观测与GPS系统导航增强卫星。除了为日本气象厅提供气象服务外，还为日本民航局（JCAB）执行航空运输管理和导航服务。美国劳拉空间系统公司是MTSat-1/1R卫星的主承包商，日

14、本三菱电机公司是MTSat-2卫星的主承包商。截至目前，在轨运行的卫星包括MTSat-1R和MTSat-2，分别位于东经140和145上，采用Ku波段和L波段两个载波，其中Ku波段主要用于播发气象数据，L波段频率与GPS L1频段相同，主要用于导航服务。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,MSAS系统的地面段包括：2个主控站分别位于神户和常陆太田，4个地面监测站（GMS）分别位于福冈、札幌、东京和那霸，2个监测测距站（MRS）分别位于夏威夷和澳大利亚。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,MSAS系统构成,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,日本的多

15、功能卫星星基增强系统（MSAS）已于2007年9月实现初始运行，完成了地面系统以及两颗MTSAT卫星的集成、卫星覆盖区域测试以及MTSAT卫星位置的安全评估和运行评估测试（包括卫星信号功率测试、动静态定位测试和主控站备份切换测试等）。测试表明，MSAS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）对非精密近进阶段（NPA）等方面的要求。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,MTSat-1R卫星,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,1.5印度GPS辅助静地轨道增强导航系统印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统（GAGAN）是由印度空间组织（I

16、SRO）和印度航空管理局（AAI）联合组织开发。GAGAN系统的空间段由3颗位于印度洋上空的GEO卫星构成，采用C频段和L频段，其中C频段主要用于测控，L频段与GPS的L1（1575.42MHz）和L5（1176.45MHz）频率完全相同，用于播发导航信息，并可与GPS兼容和互操作。空间信号覆盖整个印度大陆，能为用户提供GPS信号和差分修正信息，用于改善印度机场和航空应用的GPS定位精度和可靠性。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,2、SBAS系统原理 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

17、进近等。因此，针对这种需求，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。,各类SBAS系统的工作原理大致相同。首先，由大量分布极广的差分站（位置已知）对导航卫星进行监测，获得原始定位数据（伪距、卫星播发的相位等）并送至中央处理设施（主控站），后者通过计算得到各卫星的各种定位修正信息，通过上行注入站发给GEO卫星，最后将修正信息播发给广大用户，从而达到提高定位精度的目的。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,SBAS系统原理示意图,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,3、卫星导航差分增强技术卫星导航的差分技术是显著改善卫星导航精度和完善性的一种

18、技术，工作原理：利用卫星导航系统的误差随时间变化缓慢，而且与距离和路径强相关的特性，通过求差的方法，消除或大大减少公共误差，从而提高定位精度。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,差分技术的工作过程是:在用户接收机附近设置一个已知精度坐标的差分基准站，基准站的接收机连续接收卫星导航信号，将测得的位置或距离数据与已知的位置、距离数据进行比较，确定误差，得出准确改正值，然后将这些改正数据通过数据链发播给覆盖区域内的用户，用以改正用户的定位结果。用户接收机通过测量从接收机天线到卫星的伪距，来确定接收机的三维位置和时钟误差。,差分定位系统结构,差分定位,GPS理论与应用20.卫星导航增强

19、系统：SBAS,伪距的测量精度受到众多误差因素影响，可以分为三部分误差:一是各用户接收机所公有的误差，如卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，如电离层误差、对流层误差;三是各用户接收机所固有的误差，如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术，无法消除第三部分误差，但可以完全消除第一部分误差，大部分消除第二部分误差(主要取决于基准站和流动站之间的距离)。因此，在基准站周围一定范围内的用户，通过接收差分改正量用以改正自己的误差，可以提高定位精度。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,差分技术按照工作方式不同可分为:单站差分具有多个基准站的局域差分广域差分三种类型。单站差分系统结

20、构和算法简单，技术上较为成熟，主要用于小范围的差分定位工作。对于较大范围的区域，则应用局域差分技术，对一个国家或几个国家的广大区域应用广域差分技术。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,按基准站发送的信息方式不同，差分技术又可分为:位置差分伪距差分相位平滑伪距差分载波相位差分。它们的工作原理是相同的，都是基准站发送改正数，用户站接收并对其测量结果进行改正，用以获得精确的定位结果。不同的是，所发送改正数的具体内容不一样，其差分方式的技术难度、定位精度和作用范围也各不相同。下面将简单介绍各种差分的基本原理和特点。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,3.1位置差分位置差

21、分是最简单的差分方法，任何一种卫星接收机都可以改装或组成这种差分系统。安装在基准站上的接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,3.2 伪距差分伪距差分是目前用途最为广泛的一种差分技术。几乎所有的商用差分接收机都采用这种技术。在基准站上的接收机需要计算它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。

22、利用滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，伪距差分定位精度通常为5 m。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,伪距差分不用担心所选用的卫星是否为同一组，而且伪距差分要广播的数据要更多，也更准确。伪距差分特点：优点：可以达到较高的精度；可以采用外推的方法继续进行高精度定位；允许用户接收任意4颗星的信号进

23、行定位；缺点：用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。随着用户到基准站距离的增加又出现了新的系统误差，且无法用差分方法消除。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,3.3 相位平滑伪距差分现在很多接收机都能够提供原始观测量，即除了位置信息外，还有伪距值和载波相位值。载波相位值的测量精度比码相位值的测量精度高出2个数量级。如果能知道载波频率的整周数，那么就获得了近乎无噪声的伪距值。一般情况下，无法获得载波相位整周数，但能获得载波多普勒频率计数。实际上，载波多普勒计数测量反映了载波相位变化信息，即反映了伪距变化率。在接收机中，一般利用这一信息作为用户的速度估计。考虑到载波相位测量的高

24、精度，并且精确反映了伪距的变化，利用这一信息来辅助码伪距测量，就可以获得比单独采用码伪距测量更高的精度。这一思想称为相位平滑伪距测量，又可将其分为载频多普勒计数平滑伪距和载波相位平滑伪距。这是由观测量的量纲不同而分类的。前者是以频率周数为单位，后者是以载波波长为单位。两者利用平滑技术进行伪距差分的方法是相同的。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,GPS理论与应用20.卫星导航增强系

25、统：SBAS,3.4 载波相位差分测地型接收机利用卫星载波相位进行静态基线测量可获得很高的基线精度，但要通过长时间测量才能求解出可靠的相位模糊度，这样就限制了在工程作业中的应用。采用整周模糊度快速逼近技术，可使基线观测时间缩短到5min，采用准动态、往返重复设站和动态作业方式来提高卫星导航系统作业效率，并达到较高的测量精度。为能实现实时提交成果和实时评定成果质量，需要利用载波相位差分技术。载波相位差分技术又称为RTK技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户

26、站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出高精度的定位结果，精度达到厘米级。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,实现方法：修正法：基准站向用户站发送载波相位修正量（准RTK技术）差分法：基准站将采集的载波相位发送给用户进行求差解算（真正的RTK技术）,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,载波相位差分,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,定位原理推导：任一时刻载波相位观测值为该时刻接收机产生的参考频率信号的相位与接收到的来自卫星的载波信号的相位之差。假设安置在基线端点的接收机，在时刻 和 对卫

27、星 和 进行了同步观测，则可得到8个独立的载波相位观测量。假设这8个观测量分别为:。设、和 分别代表不同接收机之间、不同卫星之间和不同观测历元之间的观测量之差。由载波相位观测方程的一般形式为:其中：表示在观测历元 t，卫星 j 和 i接收机的几何距离；表示在观测历元 t，卫星 j 的钟差；,表示在观测历元，接收机的钟差；表示在观测历元，电离层折射对伪距观测量的影响；表示在观测历元，对流层折射对伪距观测量的影响；整周模糊度，表示历元载波信号相位差的整数部分；表示载波标准频率。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,1单差观测方程单差：即不同接收机(也称不同测站)同步观测相同卫星所得观

28、测量之差，单差又称一次差，是相对定位中观测量的最基本线形组合形式。当测站在短距离内求差后，星历误差对测距的影响只有原来的千分之一。测站间求单差的模拟观测模型具有以下优势：（1）消除了卫星钟误差的影响；（2）大大削弱了卫星星历误差的影响；（3）大大削弱了对流层和电离层折射的影响，短距离内几乎可以完全消除其影响。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,2双差分观测方程双差：即不同接收机同步观测一组卫星所得单差之差又称二次差。若在求单差分的基础上，再对不同卫星和求差，便可得到双差观测方程。其优点是：除消除了星钟误差和星历误差以外，还消除了两台信号接收机的收钟误差。因此，双差法能够显著的提高卫星定位精度，被广泛的应用。,GPS理论与应用20.卫星导航增强系统：SBAS,3三差观测值三差：即在不同时刻同步观测同一组卫星所得观测量的双差之差又称求三次差。因此，将双差观测方程用于观测历元 和，并相减，便可求得三差观测方程。其优点是不仅消除了卫星钟差、星历误差和信号接收机钟差，还消除了整周模糊度。载波相位差分可以获得很高的测量精度。但单差和双差时仍需要求解整周模糊度，而整周模糊度的求解是很困难的，所以这种方法一般只能用于相对定位，同时需要较为复杂的算法和计算时间，不适合日常导航应用，多用于高精度非实时的应用场合。,