卫星导航增强技术与系统

《卫星导航增强技术与系统》的作者团队是北斗增强系统总体设计与研究团队的中坚力量，长期从事卫星导航增强技术研究、北斗增强系统研发建设，以及国际协调和技术合作等工作。他们对卫星导航增强技术的基本原理、关键技术和方法等具有多年研发经验。

《卫星导航增强技术与系统》在全面梳理当前全球增强技术和增强系统发展现状和趋势的基础上，对卫星导航增强体系做了全面阐述，对增强精度与完好性服务性能做了清晰描述。

本书内容丰富，概念清晰，科学性与实用性强，对相关科研人员系统了解卫星导航增强理论体系和开发卫星导航技术具有重要的学术参考价值，也有助于需要导航增强的用户更便捷地享用增强系统所提供的高精度、高完好性的优质服务。

本书围绕卫星导航增强技术体系、系统研制和工程建设，全面梳理了精度增强和完好性增强技术指标体系，从广域精度增强、局域精度增强、广域完好性增强、局域完好性增强四个方面系统阐述了卫星导航增强系统的组成架构、关键技术、播发服务和信息安全等，主要内容涵盖卫星导航服务性能及主要指标、卫星导航观测量及误差、卫星导航增强原理与方法、卫星导航增强系统关键技术、典型卫星导航精度增强和完好性增强系统与服务、卫星导航增强技术与系统的发展等。

高为广，博士，北京跟踪与通信技术研究所研究员，现任北斗系统总师助理、地面试验验证系统总师、应用推广与环境保障专家组副组长、增强系统论证专家组副组长，国家认证认可监督管理委员会北斗基础产品认证技术委员会副主任委员、国家边海防工作专家、中国卫星导航年会科学委员会委员等职务。主要从事北斗系统设计、建设和应用等工作。北斗三号全球卫星导航系统建设先进个人，全国百篇优秀博士学位论文奖获得者，国防科技卓越青年科学基金获得者，获省部级科技进步奖10余项，发明专利20余项，起草国家标准10项，出版著作5部，发表论文100余篇。

刘成，博士，中国科学院微电子研究所副研究员，中国科协青年托举人才。参与北斗星基增强系统、北斗精密单点定位服务建设，承担国家自然科学基金、中国二代卫星导航重大专项等项目多项。发表论文60余篇，申请国家发明专利40余项，起草国家标准3项，获省部级科技进步奖6项。

楼益栋，博士，教授，博士生导师，武汉大学卫星导航定位技术研究中心北斗导航所所长，2020年入选国家高层次人才。研究方向为北斗实时高精度定位数据理论方法、软件研制及应用。主持重点研发计划项目、中国第二代卫星导航系统重大专项课题、国家自然基金、湖北省杰出青年基金、教育*联合基金重点项目等。在本领域国际权威期刊发表SCI论文60余篇，获国家科技进步一等奖1项，获国家科技进步二等奖2项。

第1章 绪论 1
1.1 卫星导航系统新进展 1
1.1.1 中国BDS 1
1.1.2 美国GPS 3
1.1.3 俄罗斯GLONASS 5
1.1.4 欧盟GALILEO 7
1.1.5 日本QZSS 9
1.1.6 印度NavIC 10
1.1.7 韩国KPS 11
1.1.8 卫星导航系统发展趋势和特点 12
1.2 卫星导航增强技术演进 13
1.2.1 SA政策与DGPS技术 13
1.2.2 基于载波相位的高精度定位技术 14
1.2.3 完好性增强技术 15
1.3 北斗增强系统的建设和发展 16
本章参考文献 19
第2章 卫星导航服务性能及主要指标 23
2.1 卫星导航系统性能及主要指标 23
2.1.1 精度 24
2.1.2 完好性 29
2.1.3 可用性 31
2.1.4 连续性 34
2.2 精度增强系统性能及主要指标 37
2.2.1 精度 37
2.2.2 初始化时间 37
2.3 完好性增强系统性能及主要指标 39
2.3.1 精度 40
2.3.2 完好性 40
2.3.3 可用性 41
2.3.4 连续性 41
本章参考文献 42
第3章 卫星导航观测量及误差 43
3.1 下行导航信号 43
3.1.1 BDS信号 43
3.1.2 GPS信号 45
3.1.3 GLONASS信号 46
3.1.4 GALILEO信号 46
3.2 基本观测量 47
3.2.1 伪距观测量 47
3.2.2 载波相位观测量 48
3.2.3 多普勒观测量 51
3.3 主要误差源及其影响 52
3.3.1 与卫星相关的误差 52
3.3.2 与信号传播相关的误差 57
3.3.3 与接收机相关的误差 64
3.3.4 与监测站相关的误差 65
3.3.5 误差源的影响分析 67
本章参考文献 68
第4章 卫星导航增强原理与方法 71
4.1 基本概念与分类 71
4.2 局域精度增强原理与方法 73
4.2.1 局域差分增强 73
4.2.2 局域精密定位 76
4.3 广域精度增强原理与方法 83
4.3.1 广域差分增强 83
4.3.2 广域精密定位 96
4.4 局域完好性增强原理与方法 104
4.4.1 完好性监测方法 105
4.4.2 完好性信息处理方法 111
4.5 广域完好性增强原理与方法 114
4.5.1 改正数计算方法 116
4.5.2 卫星自主完好性计算方法 118
本章参考文献 122
第5章 卫星导航增强系统关键技术 126
5.1 需求分析与指标体系 126
5.1.1 增强系统需求分析 128
5.1.2 精度指标分解 129
5.1.3 完好性指标分解 131
5.1.4 连续性、可用性指标分解 137
5.2 增强系统的组成与功能 143
5.2.1 监测站 143
5.2.2 数据处理中心 143
5.2.3 注入站 144
5.2.4 通信网络 145
5.3 监测站 145
5.3.1 监测站分布与覆盖 145
5.3.2 监测站建设与维护 149
5.3.3 监测站数据预处理 152
5.4 增强系统信息处理 153
5.4.1 广域差分增强信息处理 154
5.4.2 广域精密定位信息处理 157
5.4.3 局域精密定位信息处理 162
5.4.4 局域差分定位信息处理 164
5.5 播发链路 166
5.5.1 卫星链路 166
5.5.2 地面通信网络 169
5.6 电文格式与协议 171
5.6.1 RTCA协议 172
5.6.2 RTCM协议 176
5.6.3 自定义协议设计 180
5.7 信号与电文认证 184
5.7.1 信号认证技术发展 184
5.7.2 主流认证技术 185
5.7.3 SBAS认证案例 187
5.7.4 认证性能仿真分析 191
本章参考文献 193
第6章 典型卫星导航精度增强系统与服务 197
6.1 广域精度增强系统与服务 197
6.1.1 商业服务系统 198
6.1.2 基本系统内嵌式广域精密增强服务 216
6.2 局域精度增强系统 227
6.2.1 美国连续运行参考站（CORS） 227
6.2.2 加拿大主动控制网系统（CACS） 228
6.2.3 日本GNSS地球监测网络系统（GEONET） 229
6.2.4 德国卫星定位与导航增强服务系统（SAPOS） 229
6.2.5 中国连续运行参考站系统 230
本章参考文献 232
第7章 典型卫星导航完好性增强系统与服务 234
7.1 广域完好性增强系统 234
7.1.1 美国WAAS 235
7.1.2 欧洲EGNOS 237
7.1.3 日本MSAS 238
7.1.4 印度GAGAN 240
7.1.5 俄罗斯SDCM 242
7.1.6 中国BDSBAS 243
7.1.7 几个系统的比较 251
7.2 局域完好性增强系统 252
7.2.1 美国LAAS 252
7.2.2 中国GBAS 255
本章参考文献 258
第8章 卫星导航增强技术与系统的发展 262
8.1 精度增强 262
8.1.1 存在问题与发展方向 263
8.1.2 低轨导航增强技术 267
8.1.3 精密单点实时动态测量（PPP-RTK） 275
8.1.4 多手段融合增强技术 280
8.2 完好性增强 281
8.2.1 存在问题与发展方向 282
8.2.2 双频多星座星基增强技术 284
8.2.3 高级接收机自主完好性监测技术 286
8.2.4 GNSS完好性技术 287
本章参考文献 291
附录A 缩略语表 294

序

卫星导航系统是为用户提供定位导航授时服务的重要空间基础设施。得益于当前社会经济持续稳定发展和科技创新能力大幅提升，世界各主要航天大国均在加快建设和部署卫星导航系统，以为用户提供连续、可靠、高性能的信息服务。

卫星导航技术日新月异，卫星导航应用更加普及。随着卫星导航应用不断拓展，用户对导航定位性能的要求也在不断提高。卫星导航系统提供的基本导航定位服务已难以满足用户对高精度、高完好性服务的需求。发展多样化的卫星导航增强技术，建设新型的导航增强系统和基础设施，已成为国际卫星导航领域关注和研究的热点。

从增强目标上看，精度增强和完好性增强是卫星导航增强的两大主要方向。在精度增强方面，最具代表性、应用最广的是实时动态测量（RTK）和精密单点定位（PPP）技术，随着近年来高精度定位技术的持续发展，又出现了网络RTK、PPP-AR及PPP-RTK等技术。我国的北斗卫星导航系统（BDS）、日本的准天顶卫星系统（QZSS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）已提供PPP服务。在完好性增强方面，以地球静止轨道卫星为通信媒介，播发卫星导航差分改正数和完好性数据的星基增强系统（SBAS）是建设和发展的主流。美国、俄罗斯、欧盟、日本、印度等国家和地区均独立建成了各自的SBAS。我国采取一体化的设计与建设思路，建成了嵌入BDS的星基增强系统（BDSBAS）。完好性增强技术正在由单频双系统增强向双频多系统增强，由单星单故障的接收机自主完好性监测（RAIM）向高级接收机自主完好性监测（ARAIM）演变。

2020年7月，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，在继承和发展基本导航定位授时服务和短报文通信服务的基础上，提供PPP、SBAS、GAS等多样化的特色服务。BDS在精度和完好性增强技术及工程建设上的开创性探索和成功实践，丰富了国际卫星导航增强的方法体系和技术路线。

本书作者团队是北斗增强系统总体设计与研究团队的中坚力量，长期从事卫星导航增强技术研究、北斗增强系统研发建设，以及国际协调和技术合作等工作。他们对卫星导航增强技术的基本原理、关键技术和方法等具有多年研发经验。本书在全面梳理当前全球增强技术和增强系统发展现状和趋势的基础上，对卫星导航增强体系做了全面阐述，对增强精度与完好性服务性能做了清晰描述。本书内容丰富，概念清晰，科学性与实用性强，对相关科研人员系统了解卫星导航增强理论体系和开发卫星导航技术具有重要的学术参考价值，也有助于需要导航增强的用户更便捷地享用增强系统所提供的高精度、高完好性的优质服务。

中国科学院院士

杨元喜

前     言

作为当今最重要的定位导航授时手段，卫星导航凭借其高精度、低成本，可全天候、全天时提供连续导航定位服务等独特优势，已成为全球重要的时空信息基础设施，对社会经济发展和国防安全具有重要意义。当前，中国、美国、俄罗斯、欧盟等国家和地区，十分重视卫星导航系统的建设和发展，在完成系统建设并开通服务的同时，发布系统升级换代计划，持续提升系统服务性能。卫星导航不断发展和完善，在定位导航授时领域发挥着越来越重要的作用。

随着社会的进步和发展，人们对导航与位置服务的需求呈现爆发式增长，卫星导航系统本身已难以满足用户对实时、精确、泛在、可靠等服务性能的要求。卫星导航增强在卫星导航系统服务的基础上，通过卫星导航信号实时监测、误差源修正等技术，实现对卫星导航系统性能的增强和提升，提高其定位性能。卫星导航增强是一个宽泛的概念，可从差分增强改正对象、服务适用范围、信号播发手段等角度进行分类，因此出现了多种类型的增强技术和增强系统。虽然这些技术和系统得到了广泛的研究和发展，但尚未有系统研究卫星导航增强技术和系统的著作面世。本书可以使用户和科研人员详细了解卫星导航增强技术和系统。

本书基于卫星导航增强技术演进，以及北斗增强系统的建设和发展概况，对卫星导航增强技术和系统研究工作进行梳理、总结，从卫星导航增强技术的基本原理、关键技术和方法等出发，对卫星导航增强技术和系统进行了全面介绍，并结合典型增强系统，给出了增强系统建设过程中所面临的主要问题及其解决途径。全书共8章，第1章主要介绍卫星导航系统新进展、卫星导航增强技术演进，以及北斗增强系统的建设和发展概况；第2章介绍卫星导航服务性能及主要指标；第3章介绍卫星导航观测量及误差；第4章和第5章主要介绍卫星导航增强原理、方法、系统组成和关键技术；第6章和第7章主要介绍典型卫星导航精度增强和完好性增强的系统与服务；第8章阐述对卫星导航增强技术与系统发展趋势的思考。

本书在编写过程中，参考了大量国内外文献，也参考了相关的互联网资料，在此向相关作者表示感谢。由于参考文献较多，书中所列如有遗漏，敬请原谅。

本书由高为广、刘成、楼益栋、卢鋆、王振岭、陈亮编著。魏娜、郑福、朱新慧、耿永超、邵搏、李子申、王尔申、宿晨庚、张弓、耿长江、杜娟等人对本书的编写和审校提供了支持和帮助，在此对他们的辛勤付出表示感谢。

鉴于编著者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请读者批评指正。

编著者  

2023年8月