高轨卫星的导航增强模式一：WAAS系统、定位精度与全球SBAS系统盘点

高轨卫星的导航增强：WAAS系统、定位精度与全球SBAS系统盘点

在上一篇文章中，我们以北斗BDSBAS为例，介绍了广域差分（SBAS）的技术原理、系统组成、数据流程。

很多朋友在后台留言：

• 地面的GNSS终端接入广域差分信息之后，定位精度能够提升多少？
• 世界上最成熟的广域差分系统是哪个？
• 广域差分跟我们平时用的RTK、地基增强系统有啥区别？

今天这篇文章，我们就把这几个问题一次性讲清楚。

1. 加上广域差分，GNSS终端定位到底准多少？

1.1 普通GNSS接收机单点定位精度

不管是什么技术，最终用户只关心结果：到底定位精度能够提高到几米？

我们先看看如果不加SBAS，普通的单点定位是个什么水平。

我们在GNSS接收机定位误差分析中介绍过，GNSS终端的定位误差主要来源于：

• 卫星轨道误差、卫星钟差
• 电离层延时误差，对流层延时误差
• GNSS接收机本身的误差，包括接收机本身的噪声、多路径、环境噪声等

其中第三项GNSS接收机本身的误差没法通过差分的办法消除，差分定位技术能够做的就是消除前面两种误差。我们在前面的文章GNSS接收机定位精度计算中也提到了，平时GNSS接收机的定位精度直播一般是这样提的：

这样的定位精度，只能做普通导航定位使用，比如，车载导航仪并不知道你在左车道还是右车道。

1.2 开启SBAS后的精度

当GNSS接收机开启了SBAS（比如WAAS或BDSBAS）功能，且能够接收到SBAS卫星信号之后，GNSS接收机能够利用GEO卫星广播的轨道修正参数、卫星钟差修正参数和电离层格网修正参数对伪距定位方程进行修正，定位精度可以提高到米级或者亚米级。

这里要重点强调以下：SBAS不可能达到厘米级别的定位精度，原因有两个：

1. SBAS信号是针对GNSS接收机伪距定位的，播发的修正值是带入接收机伪距观测方程中，由于伪距观测量误差本身就不可能达到厘米级，所以经过广域差分之后的定位精度也不可能达到厘米级；
2. SBAS广播的轨道参数、钟差参数的精度大约在0.1-0.3米量级，电离层格网密度一般在$5^{\circ }\times 2.5^{\circ }$ (经度 $\times$ 纬度) 或者$2.5^{\circ }\times 2.5^{\circ }$ (经度 $\times$ 纬度)，此时的格网精度也在这个量级，所以经过广域差分之后的定位精度不可能达到厘米级别。

根据WAAS（美国）、EGNOS（欧洲SBAS）和北斗三号BDSBAS双频增强（DFMC）的官方测试报告或公开数据实际测试报告：

在露天开阔环境，GNSS接收机利用SBAS信息之后，定位结果能够达到如下的精度：

• 水平精度：通常能稳定在0.6米 - 1.2米（95%置信度）。
• 垂直精度：通常在1.0米 - 2.0米（95%置信度）。

1.3 SBAS提升定位精度的三大原因

1. 最核心的原因是消除了大部分的电离层延时

在没有SBAS时，卫星信号从太空穿过大气层，存在被电离层延迟。这个延迟并不是一成不变的。普通接收机只能用一个简单的模型（Klobuchar模型）去估计电离层延时，在某些情况下估计的电离层延时可能高达5米。

而SBAS系统在地球上分布了几百个监测站，实时对各地的电离层延时进行测量，根据测量的结果绘制了一张精细的电离层地图（格网模型）。然后通过GEO卫星把格网模型告诉了GNSS接收机，接收机通过格网参数进行内插，就知道了自己头顶这块区域的电离层延时是多少米。接收机在伪距定位方程中，把这部分电离层延时扣除，通过电离层格网内插，接收机定位中的电离层延时误差瞬间就可以降低到0.2-0.5米。

综合来看，电离层格网修正，在SBAS精度提升中的贡献率最大，占到了绝大部分。

2. 修正了轨道和钟差

卫星广播星历给出的卫星位置和时间其实是有偏差的，轨道误差大约在1米左右。时钟误差也有几纳秒，相当于1~2米。

SBAS主控站利用卫星精密定轨算法，计算出这些卫星轨道误差和卫星钟差，然后发给用户。这能把这两项误差从米级压缩到分米级。

3. 完好性加权

SBAS不仅发改正数，还发完好性信息（UDRE/GIVE），相当于给每个卫星打分。

• 普通定位：GNSS接收机对所有卫星都是一视同仁，在伪距观测方程中，每个卫星的权重相当。
• SBAS定位：系统会告诉GNSS接收机：“5号卫星现在误差有点大（方差大），2号卫星的精度高”。GNSS接收机在计算位置时，就会给2号卫星更高的权重，给5号卫星更低的权重。这种择优录取的算法，能够进一步降低接收机的定位误差。

1.4 精度提升总结表

SBAS提高GNSS接收机定位误差可以用下面这个表格表示和说明

误差来源	普通单点定位 (RMS)	开启 SBAS 后 (RMS)	改善幅度	备注
电离层延迟	2.0m - 5.0m	0.2m - 0.5m	巨大	提升精度的核心原因
卫星轨道误差	~1.0m	约0.1-0.3m	显著	长效修正
卫星钟差误差	~1.0m	约0.1-0.3m	显著	快速修正
总定位精度	3m - 5m	0.6m - 1.2m	质变

2. 广域差分的标杆：美国WAAS系统

说起星基增强，美国的WAAS（Wide Area Augmentation System）是绕不过去的一座山。WAAS系统是世界上第一个投入运营的SBAS系统，早在2003年就宣布具备了初始运行能力。

WAAS的核心架构其实跟我们之前讲的广域差分是一脉相承的，也是经典的三段式结构：地面段、空间段、用户段。

2.1 系统组成

WAAS的地面段主要由三类站点组成：

• 广域监测站（WRS）：WAAS在北美（包括美国本土、阿拉斯加、夏威夷、波多黎各，甚至还有加拿大和墨西哥的站点）部署了38个广域参考站。
  • 这些站点的坐标是精确已知的（精确到毫米级）。它们24小时盯着天上的GPS卫星，把收到的数据实时回传。
• 广域主控站（WMS）：这是系统的“大脑”。目前WAAS有3个主控站。
  • 监测站的数据汇集到主控站，主控站经过复杂的解算，把卫星的轨道误差、钟差误差、电离层误差一个个分离出来，生成改正数。同时还要计算完好性信息（就是告诉GNSS哪颗卫星不健康，不要使用；哪个卫星的误差比较大，使用的时候要降低权重）。
• 地面上行注入站（GUS）：目前有6个。
  • 主控站算好的数据，发给注入站，注入站通过C波段的地面天线，把这些数据发送给地球静止轨道（GEO）卫星。
• 空间段就是天上的GEO卫星。目前WAAS使用专用GEO卫星和部分商用卫星转发器，把地面发上来的信号转发给全北美的用户。

2.2 信号体制：普通接收机为啥能收到WAAS信息？

很多做开发的朋友会问：接收WAAS信号，需不需要换专用的天线和射频芯片？

答案是：大部分情况下不需要。

WAAS的设计极其高明，它为了兼容现有的GPS接收机，把信号做得跟GPS几乎一模一样：

• 频率：主信号就在L1频点（1575.42 MHz），跟GPS的L1 C/A码频率完全一致。现在为了双频增强，也在L5频点（1176.45 MHz）播发信号。

• 调制方式：采用BPSK调制，跟GPS一样。

• 扩频码：用的也是Gold码。为了区分它是增强卫星而不是普通GPS卫星，它的PRN号分配在120到151之间。

  

• 数据速率：这里稍微有点区别。它的符号率是500 sps，经过1/2卷积编码后，实际有效的数据速率是250 bps（每秒250比特）。

这就意味着，常规的GNSS接收芯片或模组，只需要在软件层面改改代码，就能解调WAAS信号，硬件成本几乎为零。

这也使得目前常规的GNSS接收机都能够支持接收SBAS信号，SBAS能普及的核心原因。这种向后兼容、最小化用户端成本的设计哲学，是WAAS成功的关键，也被后续所有SBAS系统所采纳。

2.3 WAAS 播发了哪些修正信息？

WAAS播发的电文格式遵循RTCA DO-229标准，主要播发了三类核心信息：

1. 卫星轨道与钟差修正：
   • 快变参数：专门修卫星钟差的，这部分数据更新很快，几秒钟就发一次。
   • 慢变参数：修卫星轨道误差和钟差的长期漂移。轨道跑偏是个慢过程，所以这部分数据一两分钟发一次。
2. 电离层格网修正：
   • WAAS把北美上空划分为一个个虚拟的网格点（IGP）。系统算出每个网格点上的电离层延迟是多少，发给用户。
   • 用户根据自己所在的位置，找周围最近的几个网格点，插值算出自己头顶的电离层延迟。通过这种方法能把电离层误差干掉90%以上。
3. 完好性信息（Integrity）：
   • 包含UDRE（用户差分距离误差）和GIVE（格网电离层垂直误差），在民航等特殊应用场景下，这个是非常关键的。

3. 广域差分 vs 地基增强 vs 普通差分

很多朋友容易把广域差分（SBAS）和我们常说的RTK、地基增强搞混。确实，它们都叫差分，都有增强，但应用场景完全不同。

咱们用一个表格来对比一下：

特性	广域差分 (SBAS)	地基增强 (RTK/N-RTK)	区域差分 (如RTK)
覆盖范围	极大（整个洲/国家）	大（需地面通信网络覆盖）	小（如机场周边30公里）
播发方式	卫星广播（GEO卫星）	移动通信网络（4G/5G）	地面VHF/UHF数据链
典型精度	亚米级 (0.6-1.5米)	厘米级 (2-5厘米)	分米级/厘米级
用户成本	低/免费 (普通芯片支持)	高 (需付费账号+专业设备)	专用接收机，配置通信电台
核心优势	覆盖广、免费、无死角	精度极高	完好性极高，用于精密进近
典型应用	航路导航、农业、车道级导航	测绘、自动驾驶、无人机	民航精密进近与着陆

简单总结一下差异：

1. 跟RTK比：SBAS精度不如RTK。RTK能到厘米级；SBAS只能到亚米级。但SBAS不需要联网，不需要买账号，甚至不需要双向通信，只要能看见天上的卫星就能用。
2. 跟普通DGPS比：传统的DGPS是“单站差分”，离基准站越远精度越差。SBAS是“广域网差分”，它通过建立模型，解决了距离限制问题，让你在服务区内任何地方（哪怕离监测站几百公里）都能获得一致的精度。
3. 跟地基增强相比：SBAS本质上是伪距定位的修正，精度到亚米级；地基增强系统（如网络RTK）本质上是载波相位差分，精度能到厘米级。GNSS接收机接收SBAS信号是免费的，接入地基增强网络通常需要购买服务。

4. 全球都有哪些广域差分系统？

广域差分系统因为涉及到航空安全和国家战略，世界上主要的大国都在自己搞。目前全球主要有以下几家：

4.1 已运行系统

• 美国 WAAS：覆盖北美（美国、加拿大、墨西哥）。老大哥，最成熟，支持LPV精密进近。
• 欧洲 EGNOS：覆盖欧洲全境及北非部分地区。由欧空局搞的，性能跟WAAS相当。
• 日本 MSAS：覆盖日本及周边海域。主要利用MTSAT卫星，服务于亚太航路。
• 印度 GAGAN：覆盖印度、孟加拉湾。这个系统也已经运营了。

4.2 正在建设或试运行的系统

• 中国 BDSBAS（北斗星基增强）：
  • 覆盖范围：中国及周边亚太地区。
  • 现状：通过北斗三号的GEO卫星（PRN 130, 143, 144）播发信号。
  • 亮点：不仅支持传统的单频增强，还在B2a频点上探索双频多星座增强（DFMC）。
• 俄罗斯 SDCM：覆盖俄罗斯境内，它同时支持GPS和GLONASS。
• 韩国 KASS：基于EGNOS技术引进开发的，已于2023年启动试运行，2024年正式提供服务。
• 澳洲/新西兰 SouthPAN：覆盖澳洲和新西兰。

4.3 全球覆盖示意图

下图是全球主要SBAS系统的覆盖示意图，基本上把地球上经济发达和人口密集的区域都盖住了。

5. 最后

我们在选型GNSS模组、GNSS接收机的时候，一定要注意技术说明书里面有没有支持SBAS/WAAS/EGNOS/BDSBAS/GAGAN/MSAS这段话，如果有的话，在不花一分钱的情况下，就可以把定位精度提升到亚米级，定位结果的轨迹也能从锯齿形状变成平滑的曲线。

下期文章，我们再来聊聊高轨卫星导航增强的模式二：高轨卫星如何实现厘米级的高精度PPP定位。敬请期待！

总结

本文详细介绍了广域差分（SBAS）系统的工作原理及其在提升GNSS接收机定位精度方面的应用。通过比较不同类型的差分系统，文章阐明了SBAS系统的主要优势和典型应用场景。此外，文章还列举了全球主要的SBAS系统及其覆盖范围。无论是对于行业从业者还是普通用户，了解SBAS系统都将有助于选择合适的GNSS设备，从而在各种应用场景中实现更精确的定位。

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