更新时间：2024-06-17 20:25
SBAS（Satellite-Based Augmentation System），即星基增强系统，通过地球静止轨道（GEO）卫星搭载卫星导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进，从而成为各航天大国竞相发展的手段。全球已经建立起了多个SBAS系统，如美国的WAAS（Wide Area Augmentation System）。
全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）可为用户提供实时、全天候、高精度的导航定位服务，已广泛应用于航空、航海、测绘、汽车导航等国民生产生活之中。世界主流强国也纷纷研制自己卫星导航系统如美国 GPS 系统，俄罗斯 GLONASS 系统，中国北斗系统等，以期为本国的军民用领域更好的服务。但受制于卫星导航误差以及用户位置等多方面的影响，部分区域如地形复杂的山谷等仅依赖 GNSS 并不能到达理想的导航定位效果，同时一些对导航性能有特殊要求的领域如航空等，单独使用 GNSS 也不能完成相应要求的导航定位服务。基于以上原因，包涵星基增强系统（Satellite Based Augmentation System， BAS）在内的一系列导航增强系统应运而生，通过增强系统的辅助配合 GNSS 的使用，使 GNSS 的定位精度等导航性能进一步提升，以满足不同区域不同领域特殊的定位服务需求。SBAS系统能为民用航空提供花费更低、可用性更高的导航功能，并将为航空领域带来巨大的经济和社会效益。首先，通过减少通信和雷达导引，降低了空管人员的工作负担，并且能为带有卫星导航接收机的军用飞机提供精密进场与着陆服务；其次，减小飞行时间和距离，可以节省燃料，降低飞行阶段的运行成本；最后，可以进一步降低机场噪声的影响，通过高精度定位，飞机可以按预定的航线重复飞行，这些预定航线可尝试规避城市和社区的上空，这样就降低了飞机飞行噪声对周边社区居民的影响。
星基增强系统由空间星座部分、地面控制站、运行维护站和用户四个部分组成。空间星座部分主要由地球静止轨道卫星组成，星座部分通过发送与GNSS导航信息相近的信号实现增强效果，这些信号被 SBAS 地面控制站接受并进行解算处理，消除部分导航误差生成导航增强信息并发送给用户，用户同时接收GNSS和SBAS信号，通过差分解算消除区域导航误差，从而获取更高精度的导航定位服务。由于SBAS具备高精度，高效率，较低成本，以及广域覆盖等优点，世界各国均在GNSS系统上研发对本国区域导航进行增强的星基增强系统。美国开发的WAAS是最早的星基广域增强系统，其覆盖范围为美国大陆，可以使数千公里范围内的定位精度达到2.5m。EGONS是欧洲自主研发的为GPS的定位提供增强的信号的静止卫星重叠服务，其覆盖范围主要是在欧洲，其工作原理是纠正导航信号在电离层上的延迟，并提供出误差改正数，保证导航信号的完好性。
首先，由大量分布极广的差分站（位置已知）对导航卫星进行监测，获得原始定位数据（伪距、载波相位观测值等）并送至中央处理设施（主控站），后者通过计算得到各卫星的各种定位修正信息，通过上行注入站发给GEO卫星，最后将修正信息播发给广大用户，从而达到提高定位精度的目的。其特点是：
1、通过地球静止卫星（GEO）发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改正信息；
2、通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据；
3、GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号。
国外已经公布的SBAS标准主要包括SC-159（Special Committee159）编制、RTCA批准的全球定位系统/星基增强系统航空设备最简操作性能标准RTCA DO-229D和国际SBAS互操作工作组IWG（interoperability working group）于2014年发布的SBAS L5接口控制文件草案（SBAS L5 DFMC ICD）。RTCA 是一个服务于航空航天电子系统的非盈利组织，以联邦顾问委员的身份出现，而非美国政府官方组织。除非美国政府机构依法授权，其建议并不能作为政府政策声明。IWG 也是一个不隶属于任何国家的非政府组织，其建议并没有法律效力。因此，上述两份标准均为应用行业针对专业和专业领域自身需求而自行制定的标准。
WAAS系统
WAAS 是根据美国联邦航空局（FAA）导航需求而建设的GPS性能增强系统，由若干个已知点位的参考站、中心站、地球同步卫星和具有差分处理功能的用户接收机组成。美国WAAS 系统由3个主站（兼参考站）、38个参考站、1个上行注入站和3颗地球同步静止卫星组成，覆盖北美和墨西哥周边地区。参考站的布设密度主要与系统误差改正精度和实时性有关。
WAAS 为单频伪距差分，采用 GEO 卫星播发修正数据，下行信号采用 L频段，频点为 1575.42MHz，与 GPS L1 频段重合，方便用户终端接收使用，定位精度约为1-2米。WAAS广播数据内容包括卫星轨道修正数据、钟差修正数据和电离层格网延迟，基本数据传输速率为250bps，采用标准的RTCA DO-229格式进行传播。此外，WAAS正准备L5频段信号上播发差分修正和完好性信息，用来支持双频接收机用户。
EGNOS系统
EGNOS系统由欧洲空间局（ESA）、欧盟（EC）及欧洲航行安全局（Eurocontrol）联合设计建设。1998 年11月EGNOS实施建设，自2002年5月开始了相应的研发与验证。在系统组成上，空间部分与地面部分、用户部分及支持系统四部分共同组成完整的 EGNOS 系统。其中空间部分为 3 颗地球同步静止卫星，负责在 L1 频段播发修正与完好性信息，一般至少有 2颗GEO卫星同时播发操作信号。地面部分包含内容有：主控中心（MCC，4个）、测距与完好性监视站（RIMS，41个）、导航地面站（NLES，7个）及 EGNOS 广域网（EWAN）；地面部分主要负责向欧洲及周边地区的用户发送GPS 和GLONASS 系统的广域差分改正数和完好性信息。对于用户部分，接收机除可接收GPS 信号外，还可接收GLONASS及EGNOS信号。而支持系统则综合包括了工程详细技术设计、开发验收平台、系统性能评价及问题发现等系统。EGNOS 可提供三类提强服务：测距功能、广域差分（WAD）校正及GPS 完好性通道。这三类信息通过 GEO 卫星播发给用户，以使用户获得的导航精度、完好性、连续性及可用性得以改善。
MSAS 系统
日本基于MTSAT（多功能运输卫星）的扩增系统（MSAS，Multi-Functional Satellite Augmentation System）是符合民航组织标准和推荐做法的基于卫星的扩增系统之一。基于两颗GEO卫星MTSAT-1R和 MTSAT-2的服务，MSAS提供的导航服务可覆盖整个日本空域的所有航空器。MSAS 系统包括2个主控站（MCS）、4 个地面参考站（GMS）、2 颗 GEO卫星、2 个测距监测站（MRS）。2007年9月 27 日MSAS 系统正式投入运营。大部分亚太地区都可被 MTSAT卫星播发的MSAS 信号覆盖，在此区域内，空中航行可以实现无缝隙，且更安全、更可靠。我国几乎所有地区都可接收到MSAS 卫星信号。
GAGAN 系统
为了便于示范利用星基增强系统技术，印度开发了GPS辅助型对地静止轨道增强导航系统，即GAGAN系统。GAGAN是一个致力于在印度区域提供无缝导航的系统，可与其他星基增强系统互通互用。虽然GAGAN的主要目的是用于民航，但也会为其他用户带来好处。
另外中国的北斗星基增强系统正在测试使用过程中。
星基增强电文格式及内容分析
SBAS 互操作标准体系研究是系统自身建设和不断完善发展的必然需要。现有的SBAS是作为独立的、区域性系统运行的，且其主要针对各自系统覆盖范围内的民航提供。但每个 SBAS 的GEO 卫星地理覆盖范围远大于此 SBAS 系统的服务覆盖范围，且可能同时对多个系统可视。如何对航空用户实现交叉覆盖区域SBAS 服务的无缝链接，成为 SBAS 服务性能提升必将考虑的问题。各大 SBAS 系统导航电文的设计思想基本一致，主要包含数据内容、差错控制编码、编排结构及播发方式等方面，但根据各自系统需求不同，各电文设计也存在一定的差异。
SBAS L1上的电文设计参照 RTCA DO-229D协议标准，通过GEO卫星播发完好性及差分改正信息。SBAS L1电文的每个数据块（或帧）为250bit，含前8bit为前导码，6bit电文类型标识、212bit 数据块及24bit 循环冗余校验码（CRC），以250b/s 的基本数据率进行传输。同时，为了保证不同信息类型所播发信息内容的关联性，采用多类数据版本号信息（Issue Of Data，IOD）对完好性及差分改正信息的可用性进行标识。
各大SBAS系统都在开展由单频单系统向双频多系统的过渡，并成立了相应的工作组来论证SBAS L5互操作电文。SBAS L5同样采用数据块的电文播发模式，但前导码仅为4bit，而数据为增加为216bit。
星基增强电文处理方法分析
早在1997年，斯坦福大学 Parkinson 就提出了将通过5个或5个以上基准站采集原始数据，并将星历、星钟和站钟在大的估计器里进行联合解算。随后，Enge P采用共视时间传递法将站钟偏差分离出来，进而将解算减少至四维（星历和星钟）。1999年，斯坦福大学和JPL研究小组共同对上述算法进一步改进，采用站间单差消去残余的电离层和对流层等共同误差，再利用星际双差消除基准站间的误差，先求解星历，再利用修正的星历解算星钟，SBAS系统普遍采用这种算法。德国的 GFZ 地学中心通过对几种算法的综合分析于2004年指出，以上几种算法实质上还是星历和星钟的统一解算，适用于中轨卫星星座，不大适用于中高轨结合的混合星座。蔡成林等人结合 BDS 混合星座特点，提出了一种将星钟和星历误差解算过程分离的新方法，从而将四维时空解算变为三维空间解算，有效提高了定位精度。
电离层延迟是影响卫星导航测距和定位精度最重要误差源之一。SBAS 可通过多个连续运行的参考站观测数据对卫星导航信号的电离层延迟进行实时监测，并生成电离层差分修正数，从而修正用户的电离层延迟。SBAS 通常采用格网修正法来修正电离层延迟，其提供的电离层差分修正数是电离层格网点处的垂直电离层延迟估计。传统的电离层修正的格网修正方法，更多地借助电离层的经验模型（如 Klobuchar 模型、Bent 模型、IRI 模型），其计算精度不可避免地受到这一类模型本身精度的影响和制约。运行的SBAS系统主要采用三种方式针对每个电离层格网点进行垂直电离层延迟评估：一种是三角格网插入的卡尔曼滤波方法（Solar-TRIN）。假设电子容量是固定的，通过电离层穿刺点测量的倾斜总电子容量（TEC）值，计算球型网格点上的TEC 值 ；第二种是广泛应用于地质统计学的基于 Kriging 插入方法，该方法利用已知的样本值和设定的协方差函数（变差函数）来确定不同时间点和位置的未知值，充分利用TEC的空间相关性，并进行不确定性评估测量 ；第三种方法则考虑综合了以上两种方法的优势，使用变差函数考虑空间相关性。
完好性监测是实现系统故障监测和排除的有效手段，能够检验卫星导航定位服务品质。当卫星导航系统三大完好性监测方法为：一是外部增强方法，如广域增强系统、局域增强系统等在向用户播发误差改正数的同时也给出改正数的完好性信息；二是接收机自主完好性监测 RAIM 方法，利用导航卫星的冗余信息，实现多个导航解的一致性检验，以达到完好性监测的目的；三是卫星导航系统自身基本完好性监测和卫星自主完好性监测。卫星钟是实现卫星导航定位系统精确定位的基础，其完好性监测主要是监测卫星钟差异常。因此，SBAS 需对卫星钟的状态进行密切监测，适时作出故障钟排除、星载钟切换等操作。通常，卫星钟差异常可以通过星载原子钟的高精度频率或相位比对测量、动态 Allan方差和基于滑动窗口的最小二乘拟合算法，并结合来二阶多项式模型、灰色模型、Kalman滤波器模型等多种卫星钟差模型实现，但实时性上大多难以满足系统需求。SBAS 完好性监测以 EGNOS 和基于GPS 的SBAS的完好性概念最具有代表性。EGNOS 结合自身系统完好性，可提供空间信号和完好性标志等完好性信息 ；基于 GPS 的 SBAS 结果广域增强技术和地面完好性监测技术，提出 UDRE、GIVE 等完好性概念。虽然二者概念不同，但均以观测方程的形式将误差通过空间几何关系到定位域的误差之上，使多星座间完好性信息等效利用成为可能。对于 DFMC SBAS 系统完好性来说，因其包含综合信息完好性和用户端完好性监测两部分，故可考虑将上述三种方法相结合，在系统内部进行信息的完好性参数计算，同时在用户接收端辅助以接收机完好性监测算法。SBAS 互操作的实现将能更好的支持民用航空各个飞行阶段的精度和完好性性能需求。