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文章出处:北斗荟 人气:1428 发表时间:2016-03-24
    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。

  一、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。

  二、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。

  三、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,且2007年9月它的 服务区域由美国国内扩展到。

  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

  

  四、地基增强系统

  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。

  五、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

  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。

  六、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。

  (来源:北斗荟)


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