1.2　卫星导航增强技术演进

1.2.1　SA政策与DGPS技术

GPS在设计之初，计划向社会提供精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS） ^[46] 。其中，PPS服务的主要对象是政府部门及其他特许民用部门，使用双频P码，预期定位精度为10 m；SPS服务的主要对象是普通民用用户，使用C/A码单频接收机，无法利用双频观测值组合消除电离层延迟的影响，预期定位精度约为100 m。然而，在研制试验阶段，GPS卫星钟的稳定性得到了大幅改善，轨道的测定和预测精度显著提升，使得C/A码定位精度达到14 m，P码定位精度达到3 m，远远超出了美国政府的预期，引发了政府对高精度位置信息相关的安全问题的担忧。出于对国家安全的考虑，美国政府于1991年开始在GPS Block II卫星上实施选择可用性（SA）政策，以达到人为降低普通用户定位精度的目的。

SA政策包括两项技术：一是在GPS卫星基准频率中施加高频抖动的随机噪声，以增加用户伪距测量误差；二是将卫星广播星历精度降低到200 m左右。对于普通用户，受SA政策影响，定位精度降低到原先预计的误差水平（约100 m）；而对于军用或授权用户，可通过使用更为精确的P码，并装备特殊硬件设备减小SA政策的影响 ^[47] 。

卫星导航增强技术最早由应对SA政策而推出。美国实行SA政策后不久，学者们便根据SA信号的慢变特征，提出了差分GPS（DGPS）技术，通过消除监测站间（指基准站与用户站间）伪距测量值的公共误差，将GPS C/A码水平定位精度提升至15 m。然而，DGPS技术受基准站与用户站之间距离的限制，定位精度随着站间距离的增加而下降。传统DGPS基准站的作用范围为100 km左右，要在广域范围内实现增强服务，就需要布设大量基准站，这需要投入大量的人力和资金。因此，学者们进一步提出，在广域范围内布设多个基准站进行连续观测，将卫星轨道、钟差、电离层延迟等各项系统性误差模型化处理后发送至用户，由此消除监测站间的距离限制，这一技术被称为广域差分GPS（WADGPS） ^[48] 。也正是由于增强技术的发展，卫星导航定位精度得到大幅提升，使SA政策的作用效能逐渐失去意义。2000年，美国政府取消了SA政策。

WADGPS逐渐应用到民用航空领域，并使用GEO卫星来播发GPS等导航卫星的改正数产品。20世纪90年代初，有学者提出在美国建立15个地面站，包括主控站和监测站。其中，主控站负责计算差分改正数，包含卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和电离层延迟改正数，利用专用卫星将差分改正数发送给用户；监测站负责对GNSS卫星进行连续观测。用户利用这些改正数对观测量进行修正，最后计算出点位坐标，精度可达到1～2m。根据这一原理，美国联邦航空管理局（FAA）主持设计和建设了早期的广域增强系统（WAAS） ^[49] 。随后，欧盟、日本等国家和地区也开始研制建设面向民航提供增强服务的WADGPS，如欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS） ^[50] 、日本的多功能卫星增强系统（MSAS） ^[51] 等。为了更好地指导系统建设和规范民用航空服务，国际民航组织（ICAO）开始组织各国联合制定相关技术标准，并将此类系统命名为星基增强系统（SBAS） ^[52] 。

1.2.2　基于载波相位的高精度定位技术

DGPS和WADGPS均以伪距为主要观测量，只能实现米级至亚米级的增强定位精度，难以满足测绘等高精度领域厘米甚至毫米级定位精度的要求。为了解决这一问题，出现了基于载波相位的相对定位技术，其中最具代表性的是实时动态测量（RTK）技术。RTK技术突破了载波相位静态定位需要长时间后处理的限制，能够在野外实时获得厘米级定位精度，是卫星导航高精度应用的重要进展。在RTK技术的基础上，发展了基准站组网的网络RTK技术，在全球范围内建设了众多连续运行参考站系统，为特定行业或地区提供标准化高精度服务，在经济建设中发挥了重要作用。

与DGPS技术体制类似，RTK同样受监测站间距离的限制，只适用于局部区域，并且需要布设密集的地面基准站。因此，利用与WADGPS误差分离和模型化处理方法类似的原理，美国喷气动力实验室（JPL）的Zumberge等人于20世纪90年代末提出，在利用精密定轨、精密钟差测定等技术基础上，研发基于载波相位的观测量，但不依赖监测站间距离，能够在广域范围内提供分米至厘米级高精度服务的非差精密定位技术，即精密单点定位（PPP）技术 ^[53] 。PPP技术利用双频载波相位观测值构建非差无电离层延迟组合观测量来消除电离层延迟的影响；同时，向用户播发卫星的精密轨道改正数、精密钟差改正数等，以达到高精度定位的目的，不再受用户与地面基准站之间距离的限制。经过二十余年的发展，PPP技术已被广泛应用于大地测量、高精度导航与位置服务、GPS地震学、低轨卫星精密定轨及航空摄影测量等领域 ^[53-55] 。

基于PPP技术的广域实时精密定位系统，因其服务覆盖范围广、精度分布均匀、所需地面监测站数量少等优点，成为高精度定位服务系统的重要发展方向之一。然而，传统PPP技术采用双频无电离层组合观测量，载波相位模糊度不再具有整周特性，只能依靠连续观测数据处理收敛得到高精度浮点解，因此PPP用户在每次定位时都需要等待一定的初始化时间（目前一般为数分钟至几十分钟）才能获得实时高精度定位结果，这显然会影响实时性要求高的用户的使用体验。

针对PPP技术的局限性，有学者提出一种将PPP技术与RTK技术相结合的新一代高精度定位技术，即PPP-RTK技术。PPP-RTK技术通过服务端提供非差改正数的方式恢复用户端非差观测值模糊度的整数特性，用户无须参考站观测数据即可获得单点模糊度固定解。PPP-RTK技术主要分为两大类：①在浮点PPP基础上，将影响PPP模糊度固定的非差相位非整数部分作为改正数，提供给用户实现PPP模糊度固定 ^[56-60] ；②改进双差网络RTK方式，在基准一致的条件下，将双差改正数映射到非差改正数，使用户进行非差定位，也称非差网络RTK方法 ^[61] 。目前，美国Trimble、荷兰辉固等公司均已实现和提供商业付费的PPP-RTK服务，日本QZSS已于2018年年底开始提供日本本土的公开、免费的PPP-RTK服务。

1.2.3　完好性增强技术

进入21世纪，随着SA政策的取消，GPS自身定位精度显著提高，已基本能满足民用航空多个飞行阶段对定位精度的要求。对WAAS的精度增强需求逐渐减弱，民航对卫星导航技术的首要诉求开始从精度转向对可靠性、完好性的需求。通过完好性增强，SBAS能够及时监测GNSS卫星和系统的异常或故障，并向用户告警，从而保障航空等领域用户的生命和财产安全。

早期SBAS只有单频（SF）服务一种模式，且由于只有美国GPS和俄罗斯GLONASS前期将其写入了ICAO标准与建议措施文件（SARPs），民航用户只能选择对GPS或GLONASS卫星进行增强。目前，各SBAS服务供应商正在ICAO导航系统专家组及国际SBAS兼容互操作工作组（IWG）等框架下联合开展下一代双频多星座（DFMC）SBAS标准的研究与制定工作。届时，DFMC SBAS将能够利用双频伪距观测量消除电离层延迟，并通过多GNSS星座获得更多的可用导航卫星，以及更优的DOP值，进一步提高SBAS的精度和可用性，并有达到Ⅰ类精密进近（CAT-Ⅰ）能力水平（ICAO，2018b）。此外，为实现更高的Ⅱ类及Ⅲ类精密进近（CAT-Ⅱ/CAT-Ⅲ）能力，针对机场局域范围的局域增强系统（LAAS）也在世界多国得到关注和进行建设 ^[62-63] 。

至此，以测绘为代表的高精度需求和以航空为代表的高完好性需求，成为卫星导航增强技术与系统建设和发展的两大主要方向，如图1-3所示。其中，精度增强的主要目的是在米级导航、定位和授时服务的基础上，进一步满足分米、厘米，甚至毫米级高精度用户的需求；完好性增强的目的则主要是在系统出现故障或异常时及时向用户告警。