更快、更准、更清晰——卫星定位增强系统

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导航卫星长年运行于太空中，其导航定位误差包含卫星端、传输路径及人为蓄意干扰。卫星端部分可通过地面监控站即时校正；传输路径信号因穿过电离层、增温层产生折射、绕射及衰减等多路径误差，属信号物理特性，可以通过卫星定位增强系统（Satellite Positioning Augmentation System，SPAS，简称增强系统）予以修正，提高其导航定位精准度。根据美国鹰眼360商用卫星公司（HawkEye 360）公布信息，俄罗斯在2022年2月特别军事行动前，即对乌克兰和白俄罗斯边境发射GPS干扰信号，阻断乌克兰周边GPS导航定位功能。对于人为蓄意干扰导致系统运作受阻部分，可以通过地面伪卫星系统实时接替，确保系统运作正常。

图1 鹰眼360公司提供的乌克兰领土GPS干扰信号地图

SPAS工作原理是利用地面参考站接收导航卫星信号后，计算参考点与卫星定位信息间误差后，将误差修正信号通过发射站或卫星对所在区域广播，提升用户定位精准度，帮助飞机精准进场、降落，或船舶于狭窄航道的安全航行。SPAS区分为陆基型（Ground-Based Augmentation System，GBAS）及天基型（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）两类。

一、陆基型增强系统（GBAS）

GBAS由地面参考站、主控站及广播站组成。目前GBAS以美国主导的局部区域增强系统（Local Area Augmentation System，LAAS）较为成熟。主要部署于机场附近，服务半径约40-50公里，通过地面站的特高频（Very High Frequency，VHF）无线电发射器，提供GPS差分修正信息，确保飞机进场极高的定位精准度。LAAS其垂直与水平方向的定位误差均低于1米，且信号可覆盖整个跑滑道，并能够减少辅助导航设施架设成本。

图2 GBAS系统架构

美国国防部利用局部区域增强系统（LAAS）设计、部署和认证的经验，发展联合精确进场与着陆系统（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS），是美国海军新一代战机与舰艇配备的精确降落技术。它整合了海、空域气象信息、着舰条件及GPS卫星导航定位信号等，据称其定位精准度可达20厘米以内，使战机安全性、甲板使用率均达到最大保障，充分减轻飞行员操作压力。

图3 联合精确进场与着陆系统（JPALS）

卫星导航定位信号是由卫星向地球表面辐射，若从地面发射与卫星导航定位信号相同信号格式，则称为伪卫星系统（Pseudo Satellite System）。伪卫星系统与增强系统最大的差异是伪卫星不需要地面设施计算导航定位信号校正值，由系统自行产生导航定位信号，当全球卫星导航定位信号消失后，仍可适时提供导航定位服务。由于地面站是固定的，且导航定位信号不会穿过电离层，可大幅减少信号误差，架设及维护成本也较低。其缺点是信号传播易受地形地貌影响，覆盖范围较小；另外用户若要通过伪卫星系统进行定位，必须同时接收3个及以上伪卫星信号。

二、天基型增强系统（SBAS）

SBAS与GBAS工作原理类似，最大差异在于修正后信息传播方式。SBAS由地面参考站接收全球导航卫星信号后，计算出定位信号误差校正值，由卫星传输站将校正值传送至在轨卫星，并对所在区域广播校正信号，服务范围较广，且不受地形影响，精准度可达3米以下。美国、日本、欧洲、印度及韩国均建设了各自的天基增强系统。

（一）美国（WAAS）

由于GPS无法提供足够的精度或完整性，飞机若仅依赖GPS不足以执行精准进场，因此美国联邦航空总署（Federal Aviation Administration，FAA）于上世纪90年代发展了广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS），信号服务覆盖美国境内所有空域、加拿大及南美洲等地。WAAS极为精准，不仅提供飞机航路导航、起飞和降落机场等定位信息，同时可使用此系统执行仪器引导着陆。

图4 广域增强系统（WAAS）

WAAS由地面参考站、在轨卫星、主控站及卫星数据传输站组成。地面站主要接收GPS信号并计算误差；主控站则对误差信息做差分计算生成修正信号；传输站再将修正信号注入在轨卫星广播修正信号。由于WAAS系统信息未与GPS接收机兼容，必须额外采购WAAS接收机，才可获得精准定位信号。

（二）欧洲（EGNOS）

欧洲使用的同步卫星导航迭加系统（European Geostationary Navigation Overlay System，EGNOS）主要增强美国GPS水平及垂直精准度，能够达到1.5米以内，并免费提供给支持EGNOS的GPS接收器，不需要特殊的授权或认证。欧盟及挪威、冰岛等国家民航机场均以该系统执行民航飞机精密进场程序，能够有效改善飞行安全性。

图5 欧洲使用的同步卫星导航迭加系统（EGNOS）

（三）日本（QZSS）

日本多功能卫星增强系统（Multifunctional Satellite Augmentation System，MSAS）是一种类似于美国WAAS的GPS增强系统，不同的是MSAS采用日本自行发射的多功能传输卫星（Multifunctional Transport Satellites，MTSAT），目的是为日本飞行区的飞机提供全程通信和导航服务。MTSAT卫星搭载有导航信号转发器，转发由地面基准站播发的导航定位增强信号。

图6 日本多功能卫星增强系统（MSAS）

MTSAT卫星是一种地球静止卫星，采用Ku波段和L波段两个频点，其中，Ku波段频率主要用来播发高速的通信信息和气象数据，L波段频率与GPS的L1频率相同，用于导航定位服务。2018年，准天顶卫星3（QZS-3）接替MTSAT-2静止轨道卫星功能，同时更名为准天顶卫星系统（Quasi Zenith Satellite System，QZSS）。目前，信号已覆盖亚洲和大洋洲。未来计划再发射3颗静止轨道卫星，届时系统将由7颗卫星组成。完成后在日本地区可同时接收4颗及以上卫星信号；若美军GPS信号中断，可适时接替导航定位功能。

（四）印度（GAGAN）

印度于2012年7月17日完成所属空域的SBAS系统建设（GPS Aided GEO Augmented Navigation，GAGAN），成为继美国、欧盟、日本等国家/地区之后，第四个建成区域SBAS的国家。GAGAN空间段由3颗位于印度洋上空的GEO卫星组成，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，可与GPS兼容和互操作。导航定位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，改善印度机场和航空应用的GPS精准度和可靠性。

图7 印度GAGAN系统架构

（五）韩国（KASS）

韩国于2013年启动KASS计划（Korea Augmentation Satellite System），由法国泰利斯ž阿莱尼亚宇航公司（Thales Alenia Space）担任首席承包商，与韩国航空研究院（KARI）共同开发和部署该系统。2022年12月15日，韩国国土交通部宣布，KASS正式投入运行。该系统能够将卫星定位误差缩小至1-1.6米，以便提供更精确的导航信息服务。

图8 韩国KASS系统架构