书接上回。
上一篇我们讲了什么是GNSS以及GNSS的定位原理 I 。我们说到，GNSS需要用至少四颗卫星来提供定位，但这样的定位精度仍然不可避免地收到各种误差的干扰。如下图所示，GNSS的定位精度在30m以内。
各种定位方式的精度对比图 来源：https://www.google.com/url?sa=i&url=https://www.researchgate.net/figure/Comparison-of-positioning-accuracies-provided-by-RTK-PPP-SBAS-DGNSS-and-Standard-GNSS_fig1_345719792&psig=AOvVaw1_VGGgvKEJ1y9WkmnYapyk&ust=1687667793681000&source=images&cd=vfe&ved=0CBIQjhxqFwoTCMDcw8yK2_8CFQAAAAAdAAAAABAJ
30m的误差可真做不了什么事情。
https://youtu.be/npOl38mYfqY
在这里我默默插入Prof. Thomas Herring在UNAVCO的一个workshop的slides，提到了GPS的极致精度最高能达到多少----人类的毛发直径。这和30m的差距有点大吧！
那怎么办呢？肯定要增强一下咯~
GNSS增强系统（GNSS Augmentation Systems）
为了克服GPS和GLONASS的固有系统限制，满足定位和导航应用的性能要求（精度、完整性、连续性和可用性），出现了GNSS增强系统。GNSS增强被分为三大类：基于星载的、基于卫星的和基于地面的。
在解释这三种增强系统之前，我们要先引入一个概念----Integrity：
在全球导航卫星系统（GNSS）和其增强系统（如地面增强系统，GBAS）中，"Integrity"是一个非常重要的概念。它指的是系统能够在规定的时间内检测到自身的错误，并向用户发出警告的能力。
在航空领域，Integrity至关重要。如果GNSS或其增强系统提供了错误的信息，而飞行员或自动飞行系统依赖这些信息进行导航，可能会导致严重的后果。因此，系统必须能够快速准确地检测到任何可能影响其精度、可靠性和稳定性的问题，并立即向用户发出警告。
这个词通常被翻译成完整性。但我感觉这个翻译很容易产生误导，所以我在下文直接使用英文，integrity。
基于卫星的增强系统（SBAS，Satellite-Based Augmentation System）：
这类系统使用额外的地球同步轨道卫星(geostationary satellite)和参考站(CORS)来提供补充的信号，用于改善GNSS信号的精度和integrity。如美国的WAAS、欧洲的EGNOS、日本的MSAS、印度的GAGAN等，见下图。WAAS的精确度在7.6米以内。
https://www.google.com/url?sa=i&url=https://www.euspa.europa.eu/european-space/eu-space-programme/what-sbas&psig=AOvVaw1xuzNe0TAkSd6RsmTSW006&ust=1687676630220000&source=images&cd=vfe&ved=0CBIQjhxqFwoTCLCMicKr2_8CFQAAAAAdAAAAABAb
How does SBAS work?
配合我的文字，看懂下面这张图：
1. 参考站收集数据=》主控中心
区域内持续运行的参考站（Continuously Operating Reference Stations，简称CORS）会收集原始定位数据（蓝色的方块）（GPS数据+收到的时间），并发送到主控中心（Master Control Center）。
2. 主控中心解算出误差校正信号：
我们上一章有结束过GNSS的定位原理，参考站已知自己的位置数据，可以把已知的位置数据和估算出的数据进行对比，这个差值就是我们所谓的“误差”。
主控中心通过这些误差，计算出用于纠正误差的校正信息，生成用于纠正误差的校正信号，包括补偿大气延迟、卫星轨道误差等因素产生的误差。
*在这个过程中，如果误差过大，MCC可以决定不要用这颗卫星。
3. 误差校正信号从主控中心=》SBAS卫星=》GNSS用户
这段修正数据，连同一个“使用/不使用卫星”的标签，被放在一个类似GPS的信号上，上传到地球同步卫星（GEO）；通过GEO立即向GNSS终端用户进行广播。只要终端用户有一个SBAS接收器，他/她就会得到一个更准确的位置估计（水平方向上的误差为+/- 3米，垂直方向上的误差为+/- 5米），并且这个位置估计的integrity为10^（-7）。
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这种性能水平意味着SBAS可以支持飞行的大部分阶段。然而，SBAS服务也有一些限制，因为地球同步轨道卫星（GEOs）是在赤道平面上运行的，而在非常高的纬度和山区的深东西谷地，SBAS信号不太给力；同样，在机动时，信号也可能被遮挡。因此，SBAS在商业航空运输中并未广泛部署。
基于地面的增强系统（GBAS，Ground-Based Augmentation System）：
1. GBAS的全球卫星定位系统的信号由机场附近的一个极其精准定位的接收机接收（不同于SBAS，SBAS的参考站覆盖整个大陆。例如，美国的WAAS（广域增强系统）就能覆盖整个北美洲）。
机场附近的接收机 https://youtu.be/ZPD36cK7BRo
2. GBAS facility shelter （类似主控中心）收到数据，进行解算。和SBAS一样的是，通过已知坐标的接收站来计算误差；当其中一颗卫星的误差太大时，那颗卫星会被标记为“不可用” （=》提高了integrity）。
3. 主控中心把解算出来的误差校准信号和“可用、不可用卫星”的标签一起传给飞机（通过VHF data link），对飞机进行误差校准。GBAS覆盖面积比SBAS小得多，所以准确率也更高。其精度在水平和垂直方向上都达到了米级。
https://youtu.be/ZPD36cK7BRo
GBAS由地面子系统和飞机子系统组成。一个地面子系统可以支持服务范围内无限数量的飞机子系统。地面子系统为服务范围内的飞机提供以下信息：
- 进近路径数据
- 距离修正
- integrity
对比一下SBAS和GBAS：
https://youtu.be/ZPD36cK7BRo
基于飞机的增强系统（ABAS，Aircraft-Based Augmentation System）：
了解ABAS，我们需要了解两种算法：RAIM和AAIM。
接收机自主完整性监测（RAIM，Receiver Autonomous Integrity Monitoring）是接收器中的一种算法。上文我们讲过，要计算出3D位置，至少需要四颗卫星。那如果视野中有第五颗卫星，就可以计算出五个独立的位置。
如果这五个位置的估值不在一定的范围内，那我们可以推断出一颗（或多颗）卫星正在发送错误的信息。这个过程叫故障检测（Fault Detection，简称FD）。
如果视野中有六颗或更多的卫星，可以计算出更多独立的位置。接收器可能能识别出哪颗是故障卫星，并将其排除在位置确定计算之外。这个过程被称为故障检测和排除（Fault Detection and Exclusion，简称FDE）。
飞机自主完整性监测（AAIM，Aircraft Autonomous Integrity Monitoring）
ABAS还包括将接收器更复杂地整合到飞机航电系统中，这个算法称为AAIM.
举一个例子，当卫星导航天线在飞机飞行过程中收到干扰或视野中的卫星数量不足时，惯性导航系统（inertial navigation system）可以在短时间内辅助GNSS定位。通过比较惯性位置与衍生的GPS位置，可以监测位置估值的准确性。此外，增强技术可以通过提供高度测量辅助、更精确的时间源或通过卡尔曼滤波技术结合一些传感器输入，来提高导航功能的可用性。
RAIM是最常见的完整性监测形式。大多数导航规范都会特别 要求飞行员检查之后的飞行过程中是否有足够的卫星进行完整性监测，这个过程被称为RAIM预测。
https://www.google.com/url?sa=i&url=https://slideplayer.com/slide/8928701/&psig=AOvVaw1jP6FC24MIEQBEBzTfz_Z9&ust=1687687239744000&source=images&cd=vfe&ved=0CBIQjhxqFwoTCIjinoXT2_8CFQAAAAAdAAAAABAJ
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小结一下：
在第一篇文章中，我们详细介绍了全球导航卫星系统（GNSS）的运作原理。然而，由于GNSS的误差，其精度通常在30米以内。为了提高定位的精度和integrity，人们开发了三种GNSS增强方法：卫星增强系统（SBAS）、地面增强系统（GBAS）和飞机增强系统（ABAS）。
国际民航组织（ICAO）选择使用哪种增强系统通常取决于多种因素，包括飞行阶段、所需的精度和integrity、地理位置、设备的可用性和成本等。
卫星增强系统（SBAS）：SBAS的精度和完整性使其适合用于大多数飞行阶段，包括进近阶段。然而，SBAS的覆盖范围受到地球同步轨道卫星（GEOs）位置的限制，因此在高纬度地区和山区可能无法接收到SBAS信号。
地面增强系统（GBAS）：GBAS提供的精度和完整性使其适合用于需要高精度导航的应用，如机场的精确进近和着陆。然而，GBAS是一种局部区域系统，其服务范围有限。
飞机增强系统（ABAS）：ABAS的精度和完整性使其适合用于需要高精度和高可靠性的飞行阶段，如进近和着陆。然而，ABAS需要飞机上安装特殊设备，这可能会增加成本。
卫星增强系统（SBAS）：SBAS的精度和完整性使其适合用于大多数飞行阶段，包括进近阶段。然而，SBAS的覆盖范围受到地球同步轨道卫星（GEOs）位置的限制，因此在高纬度地区和山区可能无法接收到SBAS信号。
地面增强系统（GBAS）：GBAS提供的精度和完整性使其适合用于需要高精度导航的应用，如机场的精确进近和着陆。然而，GBAS是一种局部区域系统，其服务范围有限。
飞机增强系统（ABAS）：ABAS的精度和完整性使其适合用于需要高精度和高可靠性的飞行阶段，如进近和着陆。然而，ABAS需要飞机上安装特殊设备，这可能会增加成本。
因此，ICAO鼓励各国根据自己的具体情况和需求选择最适合的GNSS增强系统。
下一篇文章，我们讲RTK。
如果你对我的科普文感兴趣，也欢迎看看最近出的ChatGPT系列、以及之前写的自然系列：
Reference:
European PBN Consultancy. (n.d.). GNSS Elements. Retrieved from https://pbnportal.eu/epbn/main/Overview-of-PBN/PBN-Concept---Unpacked/PBN-Infrastructure/Space-based/GNSS-Elements.html
ResearchGate. (n.d.). Comparison of positioning accuracies provided by RTK, PPP, SBAS, DGNSS, and Standard GNSS. Retrieved from https://www.researchgate.net/figure/Comparison-of-positioning-accuracies-provided-by-RTK-PPP-SBAS-DGNSS-and-Standard-GNSS_fig1_345719792
European Union Agency for the Space Programme. (n.d.). What is SBAS? Retrieved from https://www.euspa.europa.eu/european-space/eu-space-programme/what-sbas
Understanding GBAS. (n.d.). Retrieved from https://youtu.be/ZPD36cK7BRo
SlidePlayer. (n.d.). [Slide Presentation]. Retrieved from https://slideplayer.com/slide/8928701/
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