低轨卫星导航增强，能不能像地基增强那样采用虚拟参考站技术？

低轨卫星导航增强，能不能像地基增强那样采用虚拟参考站技术？

上一篇文章低轨卫星导航增强技术：改正数播发模式的原理、信号流程和关键指标我们介绍了低轨卫星导航增强的一种模式——用低轨卫星播发改正数的原理、实现方案、数据传输流程和主要技术指标。

我们在CORS网络位置服务中曾经介绍过采用多基站差分的地基增强系统，并给出了利用QX_NTRIPClient客户端软件接入千寻位置服务器，给终端提供实时GNSS观测量数据，从而把定位精度提升到分米、厘米级的案例。系统的连接关系如下：

系统的工作流程是：

1. 1. GNSS接收机输出NMEA0183协议的$GGA语句至计算机；
2. 2. 计算机上运行Ntrip客户端软件，NTRIP客户端将GGA语句转换为NTRIP网络协议；
3. 3. NTRIP客户端软件从千寻位置服务器下载虚拟参考站观测数据，观测数据采用RTCM协议。
4. 4. NTRIP客户端解析NTRIP协议并得到RTCM协议的数据；
5. 5. NTRIP客户端通过串口将RTCM数据回传GNSS接收机；
6. 6. GNSS接收机利用虚拟参考站的观测量数据完成差分定位计算，从而获得高精度位置。

这里采用的就是地基增强系统。

1. 什么是地基增强系统？

普通的GNSS接收机，单机定位精度大约是5~10米。为了提升定位精度，就需要采用差分定位技术。通过实时差分RTK和事后差分，能够把GNSS定位精度提升到厘米级别。

常规的RTK定位，采用的是基准站—移动站的模式，这种模式：

• • 需要自己建设基准站；
• • 需要自己建立数据通信链路，传递差分改正数信息；
• • 要达到厘米级的定位精度，基准站和移动站之间的距离是有限制的，一般不应超过50公里。对于在一定区域内作业的系统来说，自建差分定位系统是可行的。

但是，如果把作业范围扩大到几百公里甚至几千公里呢？使用单位不可能在如此大范围内部署大量的基准站并构建无线通信链路，这就引出了地基增强系统。

地基增强系统通常由国家或大型企业投资建设。对于终端用户而言，无需自建基准站和数据链路，只需使用支持差分定位的GNSS终端并接入移动网络（4G/5G），即可实现高精度定位。

GNSS地基增强系统（Ground-Based Augmentation System，简称GBAS）是一类布设在地面的参考站网络，通过实时计算卫星定位误差并向附近用户播发差分校正值，将原有卫星导航的米级精度提升至厘米甚至毫米级，同时增强信号的完好性与可用性。

地基增强系统主要由四个部分组成：基准站网络、数据处理中心、无线数据链路、用户终端。

目前常规的地基增强系统采用虚拟参考站技术（Virtual Reference Station, VRS），其数据流程可分为以下五个步骤：

1. 1. 布网观测（Input）
• • 在全国范围内，每隔30～50公里部署一个CORS基准站（连续运行参考站），这些站点坐标经过精确测定。
• • 基准站7×24小时持续跟踪卫星，采集所有可见卫星的原始观测数据，并通过光纤实时传回中央数据处理中心。
2. 2. 云端解算（Processing）
• • 用户终端（如手机或车载设备）通过4G/5G网络，上传自身的概略位置（通常为NMEA0183协议中的GGA语句，精度约为5～10米）至云端服务器。
• • 服务器根据用户的当前位置，选取周围多个真实基准站的数据，联合解算出该区域内的电离层延迟、对流层折射以及卫星轨道和钟差误差模型。
3. 3. 生成虚拟站（Generation）
• • 系统基于上述误差模型，在用户附近（通常相距仅几米）虚拟构造一个参考站，并模拟生成该位置应有的虚拟观测量，包括各频点伪距、载波相位等。
4. 4. 数据下发（Transmission）
• • 服务器通过移动通信网络（4G/5G）将虚拟观测量以RTCM格式实时下发达用户终端。
• • 由于此过程高度依赖蜂窝网络，在无地面信号覆盖区域无法使用。
5. 5. 终端定位（Output）
• • 用户终端接收到虚拟观测量后，将其作为本地参考站数据，与自身观测值进行双差或单差处理，抵消公共误差，最终实现厘米级高精度定位。

2. 低轨卫星导航增强能否采用VRS技术？

2.1 VRS技术需要多少数据率？

我们在RTK差分需要传输哪些数据？需要多大速率的通信数据链路？中介绍过，采用RTCM协议传输观测量所需的信息包括：参考站坐标、各卫星系统及频率下的伪距、载波相位、信噪比等。

在典型的多频多系统场景下，若以1Hz频率发送RTCM格式的观测数据，所需带宽约为 10~20 Kbps。

低轨卫星（如Starlink）具备强大的通信能力，可提供数十Mbps以上的下行吞吐量，远高于导航增强所需的数据速率。那么，一个自然的问题浮现出来：既然带宽充足，是否可以用低轨卫星播发类似于地基VRS的虚拟观测量，让用户在全球任何地方都能获得高精度定位？

直接回答：在技术原理上完全可行，但在工程实践和系统效率层面并不适用。

如果采用VRS机制，完整的流程大致如下：

1. 1. 上行：用户终端通过卫星通信链路，将当前概略位置（GGA语句）上传至星载或地面处理节点；
2. 2. 转发：卫星将该请求转发至地面数据中心；
3. 3. 计算：地面中心为该用户单独生成与其位置匹配的虚拟参考站观测量；
4. 4. 下行：经由卫星链路，以单播方式将这份专属数据返回用户终端。

从流程上看，低轨卫星相当于一个“空中通信桥梁”，替代了原本的地基站站+蜂窝网络组合，因此信号通路本身并无障碍。

然而，在实际系统设计中，主流方案普遍弃用VRS模式，转而采用状态空间表示（State-Space Representation, SSR）的广播式改正机制。

2.2 为什么工程上不采用VRS技术？

2.2.1 通信效率低下，难以大规模扩展

• • VRS采用单播机制：每个用户需独立的数据通道，形成一对一服务架构。假设有100万用户同时在线，即便每位用户仅消耗10–20 Kbps带宽，总需求也将达到10–20 Gbps，这对稀缺且昂贵的卫星通信资源构成巨大压力。
• • SSR采用广播机制：系统只需播发一组包含轨道、钟差、电离层模型等误差参数的公共数据流（约5–10 Kbps）。无论用户数量是多少，卫星下行负载保持恒定。
• • 卫星通信的核心优势在于广域广播，而不是点对点交互。将其用于个性化虚拟站服务，违背了卫星系统的设计初衷与经济逻辑。

2.2.2 终端硬件要求高，限制应用场景

• • VRS必须支持双向通信：终端不仅需要接收数据，还得具备上行发射能力，导致模组体积增大、成本上升、功耗提高。
• • 这严重制约了在智能手机、物联网设备、车载OBU等对功耗和集成度敏感的应用中推广。
• • 相比之下，SSR仅需接收功能，任何配备低轨卫星接收芯片的终端均可接入，大大降低了部署门槛和技术复杂度。

2.2.3 终端算力显著提升，边缘计算成为可能

• • 在早期RTK发展时期，用户端处理器性能有限，难以承担复杂的大气建模与精密解算任务，因此必须依赖云端“打包好”的虚拟观测量。
• • 当前高端GNSS芯片（如u-blox F9、Qualcomm SSM系列）已具备强大的浮点运算能力，能够在本地高效执行PPP-RTK算法。
• • 采用SSR模式时，云端只需分发原始误差参数，终端通过边缘计算自主完成定位解算，既节省了上行链路资源，也提升了响应速度和用户隐私保护水平。

2.2.4 技术体制存在本质差异

• • VRS属于“观测空间”增强方法：直接播发虚拟观测值，适用于基准站密集、地理相邻性强的局部区域。
• • SSR属于“状态空间”增强方法：播发的是误差源的状态参数（如卫星钟差、轨道偏移、格网点电离层延迟），更适合大范围甚至全球覆盖场景。
• • 用户可根据自身位置插值使用相关参数，实现灵活、去中心化的高精度定位服务。

3. 低轨卫星导航增强能达到地基增强的精度吗？

低轨卫星导航增强主要采用PPP-RTK（精密单点实时动态定位）技术，通过低轨卫星广播高频更新、高时空分辨率的SSR改正数，可在收敛后达到与地基增强系统相当的精度水平。

根据已有测试结果与公开文献资料，典型性能指标如下：

3.1 动态定位精度

• • 水平精度：2 – 5 厘米
  精度接近一块火柴盒或鸡蛋的直径，足以满足车道级定位、无人机精准降落、自动驾驶路径规划等应用需求。
• • 高程精度：5 – 10 厘米
  可有效区分车辆位于桥面还是桥下，支持三维空间精细建模。

3.2 收敛时间

这是低轨增强相比传统高轨星基增强（如SBAS+PPP）的最大优势之一：

• • 收敛时间：< 1 分钟（典型值30–45秒）
  传统SBAS或IGS PPP服务因改正数更新慢（几分钟一次）、大气变化未充分建模，通常需要15–30分钟才能稳定收敛。
  而低轨卫星凭借其快速变轨特性（轨道周期约90分钟）和高密度测站支撑，可实现每分钟甚至每10秒更新一次大气延迟格网，从而显著加速收敛过程。

3.3 测速与授时精度

• • 测速精度：优于 0.05 米/秒
• • 授时精度：优于 1 纳秒

这些性能得益于PPR-RTK对卫星轨道与钟差的精密修正，使得终端在消除空间段主要误差来源后，能够实现更高阶的时间同步与运动感知能力。

4. 地基增强与低轨卫星增强对比

5. 未来展望：融合增强与发展趋势

随着导航、通信与人工智能技术的深度融合，“地基增强 + 低轨星基增强”的协同融合模式正逐步成为下一代高精度定位体系建设的重要方向：

• • 在城市、交通干线等人流密集且通信条件良好的区域，优先启用地基增强系统，充分发挥其超高精度与亚秒级收敛的优势；
• • 在海上航线、高山戈壁、极地飞行等无蜂窝网络覆盖区域，自动切换为低轨卫星增强服务，确保高精度定位不间断；
• • 构建天地一体化定位服务体系，实现“无论你在哪，精度始终在线”。

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