衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)是衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設中的一項重要內(nèi)容，堪稱衛(wèi)星導航系統(tǒng)的“能力倍增器”。目前的衛(wèi)星導航系統(tǒng)盡管已經(jīng)在各個民商用領域應用廣泛，并且成為各大強國發(fā)展所*的一環(huán)，但由于技術(shù)和系統(tǒng)的局限性，在某些領域如航空精密進近等仍無法滿足需求，需要增強系統(tǒng)將其能力加以提升。
　　
　　從目前衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢看，從前的美國GPS系統(tǒng)“一家獨大”，已經(jīng)由于俄羅斯GLONASS、中國北斗、歐洲伽利略的崛起，向著“四分天下”發(fā)展。甚至未來可能還會有印度、日本等國家的區(qū)域系統(tǒng)出現(xiàn)，那時GNSS將是“群雄逐鹿”的局面，系統(tǒng)間的競爭將愈加激烈。如何能夠突破重圍，在競爭中立于不敗之地？本文認為系統(tǒng)服務性能將是制勝關(guān)鍵，而作為系統(tǒng)能力倍增器的增強系統(tǒng)將是實現(xiàn)這一能力的重中之重。
　　
　　目前，國外衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)主要分為星基增強系統(tǒng)（SBAS）和地基增強系統(tǒng)（GBAS）兩大類。星基增強系統(tǒng)如美國的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）等，地基增強系統(tǒng)如美國的局域增強系統(tǒng)（LAAS）等。這些系統(tǒng)綜合使用了各種不同增強效果的導航增強技術(shù)，zui終實現(xiàn)了其增強衛(wèi)星導航服務性能的目的。從增強效果上看，這些增強系統(tǒng)所使用的衛(wèi)星導航增強技術(shù)主要包括精度增強技術(shù)、完好性增強技術(shù)、連續(xù)性和可用性增強技術(shù)。其中，精度增強技術(shù)主要運用差分原理，進一步可分為廣域差分技術(shù)、局域差分技術(shù)、廣域精密定位技術(shù)和局域精密定位技術(shù)；完好性增強技術(shù)主要運用完好性監(jiān)測原理，進一步可分為系統(tǒng)完好性監(jiān)測技術(shù)、廣域差分完好性監(jiān)測技術(shù)等等。連續(xù)性和可用性增強技術(shù)主要是增加導航信號源，進一步可分為天基衛(wèi)星增強技術(shù)、地基偽衛(wèi)星增強技術(shù)等。當前衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)所采用的各種增強技術(shù)分類見下表。本文主要從星基增強系統(tǒng)和地基增強系統(tǒng)這一分類角度，對于目前國外衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)的發(fā)展情況進行簡要介紹。
　　
　　表1當前衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)所采用的增強技術(shù)分類
　

	星基增強系統(tǒng)		地基增強系統(tǒng)
精度增強技術(shù)	廣域差分技術(shù)	廣域精密定位技術(shù)	局域差分技術(shù)	局域精密定位技術(shù)
完好性增強技術(shù)	廣域差分完好性監(jiān)測技術(shù)	系統(tǒng)基本完好性監(jiān)測技術(shù)		局域差分完好性監(jiān)測技術(shù)
連續(xù)性和可用性增強技術(shù)	天基衛(wèi)星增強技術(shù)		地基偽衛(wèi)星增強技術(shù)

　　
　　一、星基增強系統(tǒng)及應用發(fā)展
　　
　　星基增強系統(tǒng)（SBAS）通過地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導航增強信號轉(zhuǎn)發(fā)器，可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度的改進，從而成為各航天大國競相發(fā)展的手段。目前，已經(jīng)建立起了多個SBAS系統(tǒng)，如美國的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）、歐洲的歐洲地球靜止導航重疊服務（EGNOS）、日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)（MSAS）以及印度的GPS輔助靜地軌道增強導航系統(tǒng)（GAGAN）。
　　
　　上述SBAS系統(tǒng)的工作原理大致相同。首先，由大量分布極廣的差分站（位置已知）對導航衛(wèi)星進行監(jiān)測，獲得原始定位數(shù)據(jù)（偽距、衛(wèi)星播發(fā)的相位等）并送至*處理設施（主控站），后者通過計算得到各衛(wèi)星的各種定位修正信息，通過上行注入站發(fā)給GEO衛(wèi)星，zui后將修正信息播發(fā)給廣大用戶，從而達到提高定位精度的目的。
　　
　　1、美國廣域增強系統(tǒng)
　　
　　廣域增強系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，簡稱WAAS）是由美國聯(lián)邦*（FAA）開發(fā)建立的一個主要用于航空領域的導航增強系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過GEO衛(wèi)星播發(fā)GPS廣域差分數(shù)據(jù)，從而提高定位系統(tǒng)的精度和可用性。
　　
　　美國WAAS利用遍布北美和夏威夷的地面參考站（Wide-area Reference Station，WRS）采集GPS信號并傳送給主控站（Wide-area Master Station，簡稱WMS）。WMS經(jīng)過計算得出差分改正（Deviation Correction，DC）并將改正信息經(jīng)地面上行注入站傳送給WAAS系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星。zui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計算自己的位置。
　　　　
　　WAAS系統(tǒng)的發(fā)展可分為4個階段（圖1）：第1階段為初始運行能力階段（IOC），其研發(fā)始于20世紀90年代，2003年7月10日完成，實現(xiàn)WAAS信號對95%的美國領土的覆蓋，動態(tài)定位水平精度3~5m，垂直精度3~7m。第2階段（2003年—2008年）和第3階段（2009年—2013年）將實現(xiàn)WAAS系統(tǒng)對航空進場著陸能力的改善，通過WAAS實現(xiàn)飛機的LPV（垂直指引功能定位信標）和LPV-200能力，可以使飛機在不具備儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS，又譯為儀器降落系統(tǒng)，是目前應用的飛機精密進近和著陸引導系統(tǒng)。它是由地面發(fā)射的兩束無線電信號實現(xiàn)航向道和下滑道指引，建立一條由跑道指向空中的虛擬路徑，飛機通過機載接收設備，確定自身與該路徑的相對位置，使飛機沿正確方向飛向跑道并且平穩(wěn)下降高度，zui終實現(xiàn)安全著陸）的飛機場仍可實現(xiàn)類似于儀表著陸的高安全性著陸。而開通LPV-200認證的飛機能夠使降落判決zui小高度降低至200英尺，從而提高了跑道的可用性。第4階段（2014—2028年），WAAS系統(tǒng)將增加L5頻段信號，并實現(xiàn)L1和L5的雙頻跟蹤能力。按照計劃，此項能力將在2019年左右初步實現(xiàn)。
　　
　　在WAAS建立之初，其空間段由兩顆海事衛(wèi)星Inmarsat-3-F4(西太平洋地區(qū)AOR)和Inmarsat-3-F3(太平洋地區(qū)，POR)組成，兩顆GEO衛(wèi)星的軌道分別位于西經(jīng)133°和西經(jīng)107°。現(xiàn)在，這兩顆衛(wèi)星已經(jīng)分別被另外兩顆GEO衛(wèi)星所取代，即通信衛(wèi)星有限公司（Insat）的商業(yè)衛(wèi)星Galaxy-15以及加拿大的通信衛(wèi)星Anik–F-1R。此外，2010年末海事衛(wèi)星Inmarsat-4-F3成為了WAAS系統(tǒng)的第三顆GEO衛(wèi)星，軌道為西經(jīng)98°。
　　
　　2、俄羅斯差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)
　　
　　自2002年起，俄羅斯聯(lián)邦就開始著手研發(fā)建立GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)——差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）。SDCM將為GLONASS以及其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供性能強化，以滿足所需的高度及可靠性。和其他的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)類似，SDCM也是利用差分定位的原理，該系統(tǒng)主要由3部分組成：差分校準和監(jiān)測站、*處理設施以及用來中繼差分校正信息的地球靜止軌道衛(wèi)星。
　　
　　3、歐洲地球靜止導航重疊服務
　　
　　歐洲地球靜止導航重疊服務（EGNOS）是歐洲自主開發(fā)建設的星基導航增強系統(tǒng)，它通過增強GPS和GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度，來滿足高安全用戶的需求。它是歐洲GNSS計劃的*步，是歐洲開發(fā)的Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃的前奏。
　　
　　EGNOS系統(tǒng)是歐洲*（ESA）、歐盟（EU）和歐洲航空安全組織（Eurocontrol）聯(lián)合規(guī)劃的項目，歐空局全面負責EGNOS系統(tǒng)的技術(shù)設計和工程建設，歐盟負責合作，并且確保把各類用戶對系統(tǒng)的要求融入到EGNOS系統(tǒng)的設計和實施中。歐洲航空安全組織設計民用航空需求，并且在系統(tǒng)測試中扮演主要角色。
　　
　　EGNOS系統(tǒng)已經(jīng)于2009年開始正式運行使用，并將至少工作20年以上。目前，EGNOS系統(tǒng)可以提供三種服務：②①免費的公開服務，定位精度1m，已于2009年10月開始服務；②生命安全服務，定位精度1m，已于2011年3月開始服務；③EGNOS數(shù)據(jù)訪問服務，定位精度小于1m，已于2012年7月開始服務。EGNOS系統(tǒng)空間段覆蓋范圍見圖2。
　　　　
　　4、日本多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)
　　
　　日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)（MSAS），是基于2顆多功能衛(wèi)星的GPS星基增強系統(tǒng)，主要目的是為日本航空提供通信與導航服務。系統(tǒng)覆蓋范圍為日本所有飛行服務區(qū)，也可以為亞太地區(qū)的機動用戶播發(fā)氣象數(shù)據(jù)信息。該項目由日本*和日本*于1996年開始實施。
　　
　　MSAS的空間段由兩顆多功能傳輸衛(wèi)星（MTSat）組成，他們是日本發(fā)展的地球靜止軌道氣象和環(huán)境觀測衛(wèi)星——“向日葵”（Himawari）衛(wèi)星的第二代。MTSat是日本國土交通省（MLIT）和日本氣象廳共同出資發(fā)展的氣象觀測與GPS系統(tǒng)導航增強衛(wèi)星。除了為日本氣象廳提供氣象服務外，還為日本*（JCAB）執(zhí)行航空運輸管理和導航服務。美國勞拉空間系統(tǒng)公司是MTSat-1/1R衛(wèi)星的主承包商，日本三菱電機公司是MTSat-2衛(wèi)星的主承包商。截至目前，在軌運行的衛(wèi)星包括MTSat-1R和MTSat-2，分別位于東經(jīng)140°和145°上，采用Ku頻段和L頻段兩個載波，其中Ku頻段主要用于播發(fā)氣象數(shù)據(jù)，L頻段頻率與GPSL1頻段相同，主要用于導航服務。
　　
　　MSAS系統(tǒng)的地面段包括：2個主控站分別位于神戶和常陸太田，4個地面監(jiān)測站（GMS）分別位于福岡、札幌、東京和那霸，2個監(jiān)測測距站（MRS）分別位于夏威夷和澳大利亞。
　　
　　5、印度GPS輔助靜地軌道增強導航系統(tǒng)
　　
　　印度的GPS輔助靜地軌道增強導航系統(tǒng)（GAGAN）是由印度空間組織（ISRO）和印度航空管理局（AAI）聯(lián)合組織開發(fā)。
　　
　　GAGAN系統(tǒng)的空間段由3顆位于印度洋上空的GEO衛(wèi)星構(gòu)成，采用C頻段和L頻段，其中C頻段主要用于測控，L頻段與GPS的L1（1575.42MHz）和L5（1176.45MHz）頻率*相同，用于播發(fā)導航信息，并可與GPS兼容和互操作。空間信號覆蓋整個印度大陸，能為用戶提供GPS信號和差分修正信息，用于改善印度機場和航空應用的GPS定位精度和可靠性。
　　
　　按計劃，GAGAN空間段的3顆GEO衛(wèi)星分別為“地球靜止衛(wèi)星”（Geosynchronous Salite，GSAT）系列的GSAT-8、GSAT-10以及GSAT-15。“地球靜止衛(wèi)星”是印度自主發(fā)展的靜止軌道通信衛(wèi)星系列，是印度國家衛(wèi)星系統(tǒng)兩大系列之一，由印度空間研究組織研制，并計劃采用印度自己的“地球同步衛(wèi)星運載火箭”（GSLV）發(fā)射。目前，GAGAN系統(tǒng)空間段計劃使用的三顆GEO衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射了兩顆：*顆搭載GAGAN載荷的衛(wèi)星GSAT-8于2011年5月發(fā)射，目前正工作在東經(jīng)55？的軌道上；第二顆搭載GAGAN載荷的衛(wèi)星GSAT-10于2012年9月28日發(fā)射，目前正工作在東經(jīng)83度的軌道上；zui后一顆GSAT-15計劃于2015年發(fā)射。
　　
　　二、地面增強系統(tǒng)及應用發(fā)展
　　
　　1、局域增強系統(tǒng)發(fā)展分兩步走，提供精密進場能力
　　
　　局域增強系統(tǒng)（Local Area Augmentation System，LAAS）是一種能夠在局部區(qū)域內(nèi)提供高精度GPS定位的導航增強系統(tǒng)。其原理與廣域增強系統(tǒng)（WAAS）類似，只是用地面的基準站代替了WAAS中的GEO衛(wèi)星，通過這些基準站向用戶發(fā)送測距信號和差分改正信息，從而實現(xiàn)飛機的精密進場。如圖3。
　　　　
　　精密進場是飛機飛行過程中zui為關(guān)鍵的階段，根據(jù)要求的不同，精密進場可分為三個級別：CATI、CATII和CATIII。表2總結(jié)了這三個級別對導航性能的需求。
　　
　　WAAS只能滿足CATI類精密進場的性能要求，對于難度更大、性能要求更加嚴格的CATII和CATIII類精密進場，必須采用LAAS方式。盡管和WAAS相比，LAAS服務區(qū)域有限（約為30～50km），但是卻更夠提供比WAAS更高的定位精度，它利用地面信號發(fā)射器廣播差分修正信息，具有為飛機提供全天候、滿足各類精密進場與著陸要求的導航服務的潛力。
　　
　　美國聯(lián)邦航空委員會（FAA）計劃采用兩階段來開發(fā)LAAS系統(tǒng)：在*階段，研制可提供CATI精密進場服務的LAAS地面站和機載航空電子設備。到第二階段，開發(fā)具有II、III類能力的LAAS。目前，*階段的研制發(fā)展已經(jīng)比較成熟，并于2011年和2012年在紐瓦克和休斯頓兩市開展LAAS站的CATI設施建設和運行認證。針對第二階段，F(xiàn)AA首先基于現(xiàn)有成熟技術(shù)研發(fā)LAAS單頻CATIII，然后根據(jù)雙導航頻率的GPS星座進展情況，適時開展LAAS雙頻CATIII研究，以提高可用性。CATIII的LAAS地面和機載系統(tǒng)的開發(fā)都已經(jīng)進入原型樣機階段。
　　
　　2、NDGPS正在開發(fā)更高的局域高精度定位
　　
　　NDGPS是由聯(lián)邦鐵路管理局、美國海岸警衛(wèi)隊和聯(lián)邦公路管理局經(jīng)營和維護的地面增強系統(tǒng)，它為地面和水面的用戶提供更和*的GPS。現(xiàn)代化的工作包括正在開發(fā)的高精度NDGPS系統(tǒng)（HA-NDGPS），用來加強性能使整個覆蓋范圍內(nèi)的度達到10～15cm。NDGPS是按照標準建造，世界上五十多個國家已經(jīng)采用了類似的標準。
　　
　　3、IGS覆蓋為科學研究提供支持
　　
　　GNSS服務組織（The International GNSS Service），簡稱IGS，前身為GPS服務組織。IGS提供的高質(zhì)量數(shù)據(jù)和產(chǎn)品被用于地球科學研究等多個領域。
　　
　　IGS組織由衛(wèi)星跟蹤站、數(shù)據(jù)中心、分析處理中心等組成，它能夠在網(wǎng)上幾乎實時地提供高精度的GPS數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以滿足廣泛的科學研究及工程領域的需要。
　　
　　IGS的主要任務是：為衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）提供高精度的標準數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，以支持地球科學研究、多學科應用和教育。這些活動的目的是為了提高對地球構(gòu)造及其相互關(guān)系的科學認知水平，同時也是為了方便其他有利于社會的相關(guān)應用。為完成使命，IGS下設有若干機構(gòu)：一個由超過350個連續(xù)運行雙頻GPS觀測站構(gòu)成的網(wǎng)絡；超過12個的區(qū)域性數(shù)據(jù)中心；3個數(shù)據(jù)中心；7個分析中心和數(shù)個相互的活動區(qū)域性的分析中心。該組織的總部位于噴氣推進實驗室，它包括*局信息系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能夠獲取IGS產(chǎn)品和信息。
　　
　　4、連續(xù)運行參考站大范圍推廣
　　
　　連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)是一種廣泛使用的地基增強手段。其原理是在同一批測量的GPS點中選出一些點位可靠，對整個測區(qū)具有控制意義的測量站，采取較長時間的連續(xù)跟蹤觀測，通過這些站點組成的網(wǎng)絡解算，獲取覆蓋該地區(qū)和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，用于測區(qū)內(nèi)其他基線觀測值的精密解算。
　　
　　CORS站很好地解決了長距離、大規(guī)模的厘米級高精度實時定位的問題，CORS在測量中擴大了覆蓋范圍、降低了作業(yè)成本、提高了定位精度和減少了用戶定位的初始化時間。
　　
　　CORS是目前國內(nèi)乃至*GPS的技術(shù)和發(fā)展趨勢，發(fā)達國家基本上每幾十公里就有一個站，圖4。發(fā)展中國家也在陸續(xù)地建立起CORS。截至2014年，CORS地面站數(shù)量超過了1900個，服務于超過200家組織與機構(gòu)。