當前,全球衛(wèi)星導航應用產業(yè)正經歷三大轉變:從單一的 GPS 系統(tǒng)時代轉變?yōu)槎嘈亲⒋婕嫒莸腉NSS 時代;從以車輛應用為主體的市場格局,轉變?yōu)榕c通信相融合的以個人消費為主流市場的新格局;從經銷應用產品為主,轉變?yōu)槲恢梅諡橹鞯姆债a業(yè)化新時期。
何為“導航”，不僅僅是定位
全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統(tǒng)。利用該系統(tǒng),用戶可以在全球范圍內實現(xiàn)全天候、連續(xù)、實時的三維導航定位和測速;另外,利用該系統(tǒng),用戶還能夠進行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。
衛(wèi)星導航定位技術目前已基本取代了地基無線電導航、傳統(tǒng)大地測量和天文測量導航定位技術,并推動了大地測量與導航定位領域的全新發(fā)展。
GNSS 以其覆蓋的廣泛性(全球 4 重以上覆蓋)、信息的全面性(PVTA十參數)、應用的通用性(陸?？仗?、軍民政科)、服務的全天候(晝夜晨昏、風霜雨雪)、性能的卓越性(PNT 高性能)、成本低廉(信號免費公開,機體嵌入集成)等 6 大優(yōu)點得到各界青睞。
導航增強系統(tǒng)
美國主要的增強系統(tǒng)
GPS 提供的民用定位服務比現(xiàn)有任何類型的陸基導航系統(tǒng)精度都要高。但是衛(wèi)星導航系統(tǒng)還存在著一些固有的缺點。
導航星座不能完全覆蓋地球。衛(wèi)星導航系統(tǒng)屬于無線電導航系統(tǒng)的一種,系統(tǒng)定位時需要在衛(wèi)星可視情況下才能發(fā)揮其正常功能,但是建筑物、高山、森林等都有可能導致衛(wèi)星的不可觀測,或者是墻、水面、山的側面等所造成的多路徑干擾也能導致接收機對觀測衛(wèi)星無法正確識別,這些因素都會導致用戶定位性能的下降。
隨著導航應用領域的日趨廣泛,各種特殊的導航應用需求被提出,導航應用環(huán)境也日趨復雜。在地下室、地鐵、室內、隧道、森林、礦區(qū)等等各種復雜環(huán)境中,導航信號會受到嚴重的衰減甚至不可用。例如, 存在著“城市峽谷”效應的高樓林立的城市之中,導航信號被遮擋造成可見衛(wèi)星不足,從而無法定位;在車載導航中,由于交叉道路多、路邊的建筑物比較密集,信號會產生明顯的多徑效應;而在磁懸浮列車、高速運動的飛行器等情況下導航信號的信噪比就更差。因此,用戶對導航接收機的要求也就越來越高了。
GPS 衛(wèi)星更新的基本策略是某一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障就發(fā)射新的衛(wèi)星代替, 因此在導航星座中當某顆導航星座發(fā)生了故障而代替衛(wèi)星還沒有發(fā)射的時間段里,用戶定位的性能就很容易下降。在某些特定用戶中,用戶接收到的導航信息的完好性可能直接關系著用戶的生命安全。因此, 當 GPS 系統(tǒng)的服務性能下降時,尤其是當系統(tǒng)的某個模塊出現(xiàn)故障時,發(fā)播出的導航信息往往就是不可靠的信息,那么導航系統(tǒng)把自身系統(tǒng)運行情況及時通知到用戶就十分關鍵。單純依靠衛(wèi)星導航系統(tǒng),哪怕是目前定位精度最高的 GPS 系統(tǒng),也無法滿足一些對定位精度要求比較高的應用需求,比如航空領域的飛機精密進近等。因此,針對這一需求,尤其是來自航空業(yè)的迫切需要,許多國家都發(fā)展了自己的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)。
90 年代開始,美國、歐洲、日本等國家分別建立了GPS的GBAS(地基增強系統(tǒng))和SBAS(星基增強系統(tǒng)),這些增強系統(tǒng)的目的就是利用外部獨立的監(jiān)測手段實現(xiàn)導航系統(tǒng)的完好性保證。具體的方法就是在地面設置監(jiān)測站,監(jiān)測 GPS 衛(wèi)星的狀況,當然也包括監(jiān)測系統(tǒng)本身的故障因素, 然后把綜合的系統(tǒng)信息發(fā)播給用戶。該方法最早稱為 GPS 完好性通道(GIC),并且基本實現(xiàn)了 GPS 系統(tǒng)的完好性監(jiān)測。
目前美國設計和建造的 WAAS(廣域增強系統(tǒng))系統(tǒng)不僅能為美國本土用戶提供可視區(qū)內GPS衛(wèi)星和導航系統(tǒng)的完好性狀況,而且能為用戶提供衛(wèi)星鐘差、電離層改正數和衛(wèi)星星歷改正數,這些改正數提高了用戶的定位精度。
同時,歐洲也建立了自己的增強系統(tǒng)(SBAS),即 EGNOS(歐洲靜止地球衛(wèi)星導航覆蓋系統(tǒng));日本民航局也在開發(fā)擁有主權的衛(wèi)星增強系統(tǒng)(MSAS)。這些系統(tǒng)都利用基準站來監(jiān)控 GPS 衛(wèi)星,并計算出差分改正數和給出完好性信息。盡管 FAA(聯(lián)邦航空局)推動廣域地基增強系統(tǒng)向星基增強系統(tǒng)的轉變主要著眼于提高導航系統(tǒng)的準確度和可靠性,但并不說明 WAAS 系統(tǒng)在完好性測定中的指標十分完美。
星基增強系統(tǒng)
各SBAS系統(tǒng)(星基增強系統(tǒng))全球分部圖
世界上正在使用的星基增強系統(tǒng)有:美國的WAAS(廣域增強系統(tǒng)),歐洲的 EGNOS(歐洲同步衛(wèi)星導航覆蓋系統(tǒng)),日本的 MSAS(多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)),印度的 GAGAN(GPS 輔助型靜地軌道增強導航系統(tǒng)),俄羅斯的 SDCM(差分校正和監(jiān)測系統(tǒng))。
在美國,FAA 領導著 WAAS 的開發(fā)工作,WAAS 基本上覆蓋了美國的大陸部分。在與FAA 的緊密合作中,加拿大正在實施加拿大WAAS(CWASS),以作為它的衛(wèi)星導航計劃的一部分。
在歐洲,歐洲三方小組(由歐盟,歐空局和歐委會組成)正在開發(fā)EGNOS,它將覆蓋歐洲民航會議(ECAC)指定的地區(qū),該機構已經完成了 EGNOS 設計方案和工程可行性的分析論證,對 EGNOS 要實現(xiàn)的功能、將使用的算法和可靠性情況進行了綜合研究。美國的星基增強系統(tǒng),即廣域增強系統(tǒng)(WAAS),由地面監(jiān)測站網絡和同步通信衛(wèi)星構成,用來增強GPS的服務性能,由美國聯(lián)邦航空管理局 (FAA)建設和管理。
WAAS 最初設計目標是利用 GPS/WAAS 來替代 ILS 實現(xiàn)美國本土機場的一類精密進近,WAAS 系統(tǒng)現(xiàn)由 38 個廣域監(jiān)測站、3 個廣域主控站、3 顆地球同步衛(wèi)星、6 個地面上行注入站、2 個操作控制中心以及陸地通信網絡組成。
廣域增強系統(tǒng)利用遍布北美和夏威夷的地面參考站采集 GPS 信號并傳送給主控站。主控站經過計算得出差分改正,并將改正信息經地面上行注入站傳送給 WAAS 系統(tǒng)的 GEO 衛(wèi)星。最后由 GEO 衛(wèi)星將信息播發(fā)給地球上的用戶,這樣用戶就能夠通過得到的改正信息精確計算自己的位置。
廣域增強系統(tǒng)的動態(tài)定位水平精度達到了 3-5 米,且垂直精度達到了3-7 米,最關鍵的是用戶無需增加任何額外的導航設備。廣域增強系統(tǒng)在 20 世紀 90 年代開始被研制開發(fā),而 2003 年 7 月它的信號可覆蓋美國 95%的領土。
WAAS系統(tǒng)體系構架
WAAS 最大的貢獻是對傳統(tǒng)衛(wèi)星導航系統(tǒng)架構的完善,其率先采用的星座增強結構、服務區(qū)柵格化監(jiān)管、完好性概念、完好性監(jiān)測與處理結構、完好性通道、兼容與互操作設計等很多理念、結構和關鍵技術。
WAAS 可以向大范圍內的用戶提供精確的定位服務和相應的完好性保障,這就使得服務范圍內的所有機場可以實現(xiàn)精密進近,而且允許設計不同的進近方式并降低開發(fā)和使用的費用。
WAAS 不但可以為飛行提供很多便利,同時還大幅度降低了運行和維護成本。在機場安裝一套 ILS(Instrument Landing System)設備價格昂貴。在全美范圍內,有600個機場安裝了 ILS 設備,其每年的維護費用約8千萬美元,而WAAS可以為5400個機場提供服務,每年的維護費用僅5000美元。
WAAS地面系統(tǒng)分布
地基增強系統(tǒng)
雖然天基增強系統(tǒng)不像傳統(tǒng)導航設備那樣受限于覆蓋范圍,但是天基增強系統(tǒng)至多只能支持 APV I 精密進近的所需導航性能要求,對于難度更大、導航性能要求嚴格的 CAT I/II/III 精密進近,則必須采用地基增強系統(tǒng)。
在地基增強系統(tǒng)中,用戶接收到的增強信息來自地基發(fā)射機。增強信息通過通信數據鏈以數字格式廣播給用戶。地基增強系統(tǒng)由地面站、監(jiān)控設備和機載設備組成。
地面基準站完成差分定位,并將對應各顆衛(wèi)星的差分修正量發(fā)送給地面主控站,主控站經過相關處理并通過地面布設的甚高頻網絡廣播高精度的差分修正信息和完好性信息,從而為其作用區(qū)域內的航空用戶提供全天候、滿足 I 類精密進近要求的導航服務。近年來地基增強系統(tǒng)一直是衛(wèi)星導航領域研究熱點之一,其主要原因在于,它能夠取代傳統(tǒng)的微波著陸系統(tǒng)和儀表著陸系統(tǒng),提供更為經濟的導航服務。
基準站在整個廣義完好性保障體系中占有重要的地位,是廣義完好性保障體系的重要組成部分。
基準站在接收和跟蹤導航系統(tǒng)電文的同時要能夠有效修正對流層延遲、電離層延遲偏差,保證基準站輸出數據成為中心站計算改正數的基礎。而且基準站的硬件和軟件設計必須能發(fā)現(xiàn)導航星座偽距的變化率、其它故障或超差現(xiàn)象,能具備隔離故障和判斷具體超差設備的能力,并對不同的故障和超差現(xiàn)象具有不同的反映,然后回溯到故障點或超差點 。
行業(yè)新應用
導航通信融合
GPS 系統(tǒng)在設計之初就沒有考慮通信功能,為了滿足日益興起與迅速發(fā)展的基于位置服務的通信需求,人們不得不在 GPS 系統(tǒng)之外解決將 GPS 定位接收機得到的位置信息進行回傳或者廣播的問題。
基于位置服務
位置服務是通過移動獲取的方式確定實際目標的地理位置,從而提供給用戶基于這樣位置的服務信息,實際上人類活動的信息80%是與空間信息有關的。
精準定位作為一種全天候實時性定位手段,其優(yōu)勢在于安全和精準，但不能單獨存在,必須依托企業(yè)的 GIS 平臺而存在,簡單地說,就是必須和地圖結合起來,才能發(fā)揮最大的優(yōu)勢。
北斗精準定位服務的系統(tǒng)結構圖
系統(tǒng)層由 CORS 系統(tǒng)(連續(xù)運行參考站)和用戶數據組成。
服務層主要解決的是用戶取得精準位置的問題,重點在于用戶所用終端及對用戶取得定位精度的分級管理,另外各個行業(yè)、公司的基礎GIS業(yè)務平臺也屬于服務層,涉及到大量精準定位終端和 GIS 平臺軟件。
應用層則是一個根據行業(yè)細分的軟件開發(fā)領域,精準位置除了與地圖數據結合可以達到監(jiān)控、定位、導航、調度等的應用外,還要和各行各業(yè)的實際業(yè)務需求相結合,實現(xiàn)室外工作流程的電子化、規(guī)范化，這便需要在定位終端和后臺 GIS 平臺兩個層面進行軟件的二次開發(fā)，如燃氣的管線定位終端便要和管線探測儀等專業(yè)設備連接,并在定位終端和后臺 GIS 平臺實現(xiàn)對管線探測儀數據的識別、傳輸和分析,還要結合巡檢、焊接人員的作業(yè)標準流程開發(fā)終端軟件。
智慧導航
精準農業(yè)首先由美國農業(yè)工作者于 20 世紀 90 年代初倡導并實施的。精準農業(yè),通俗地講就是綜合應用現(xiàn)代高新科技,以獲得農田高產、優(yōu)質、高效的現(xiàn)代化農業(yè)生產模式和技術體系。
具體說精準農業(yè)就是利用遙感、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等技術實時獲取農田每一平方米或幾平方米為一個小區(qū)的作物生產環(huán)境、生長狀況和空間變異的大量時空變化信息,及時對農業(yè)進行管理,并對作物苗情、病蟲害、墑情的發(fā)生趨勢,進行分析、模擬,為資源有效利用提供必要的空間信息。在獲取上述信息的基礎上,利用智能化專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng),按每一地塊的具體情況做出決策,準確地進行精準播種!精準施肥、精準噴灑農藥、精準灌溉、精準收獲等精準作物生產管理。
由地學空間信息技術與現(xiàn)代農業(yè)技術相結合組成的精準農業(yè)技術,其實施過程可描述為:用帶 GPS 的聯(lián)合收割機自動生成的作物產量分布圖(典型空間分辨率為 15m)和田塊的地形、地貌、土壤參數空間分布數據圖,分析各地塊產量差異形成的原因,從而為同一地塊下一年或下一季作物精準農作決策的制定提供依據。
未來
在北斗導航產業(yè)鏈的空間段、地面段和用戶段三部分中,中國衛(wèi)星將重點發(fā)展“地面應用”和“系統(tǒng)服務”兩部分,特別是北斗地基、天基增強系統(tǒng)建設和北斗數據中心運營,這是具有高度壟斷性和持續(xù)現(xiàn)金回報的大產業(yè)。衛(wèi)星就是數據,誰掌握數據,誰就能永立不敗之地。簡單的導航和定位一定是免費的,但基于位置信息衍生出來的服務(特別是和大數據、云計算相結合)空間是相當可觀的,這將是中國北斗導航產業(yè)的希望所在。（來源|北斗薈）
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