北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用特性分析

唐金元，周洪霞，王思臣

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用特性分析

唐金元，周洪霞，王思臣

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

在簡要介紹北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）發(fā)展狀況基礎上，對北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)的應用特性進行了分析。

北斗系統(tǒng)（BDS）；應用分析；定位；授時；短報文通信

1 緒論

衛(wèi)星導航是利用人造地球衛(wèi)星確定載體（飛機、艦船、車輛等）的位置及航行參數(shù)，從而引導載體沿預定航線航行的技術。衛(wèi)星導航系統(tǒng)是利用人造地球衛(wèi)星（以人造地球衛(wèi)星作為導航臺）對載體進行定位和導航的“星基無線電導航系統(tǒng)”。

從美國對前蘇聯(lián)1957年10月4日發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星進行跟蹤、觀測從而發(fā)明衛(wèi)星導航技術，1958年12月正式提出研制衛(wèi)星導航系統(tǒng)至今，在國外歷經(jīng)了第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)(美國子午儀TRANSIT衛(wèi)星導航系統(tǒng)、前蘇聯(lián)的奇卡達Tsikada衛(wèi)星導航系統(tǒng))和第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)（美國的導航星全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GLONASS）以及伽利略（Galileo）衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程，在國內歷經(jīng)了北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)（北斗雙星導航定位系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)）和北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)（分北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)、北斗二代衛(wèi)星導航全球系統(tǒng)兩個發(fā)展階段）的發(fā)展歷程，目前衛(wèi)星導航系統(tǒng)已在世界范圍內軍、民用應用領域獲得了廣泛應用。

本文在簡要介紹北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）發(fā)展狀況基礎上，對北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)的應用特性進行了分析。

2 北斗系統(tǒng)發(fā)展簡況

20世紀80年代初期以來，我國開始積極探索適合中國國情的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。1983年，我國“兩彈一星”功勛獎章獲得者、衛(wèi)星測控專家陳允芳院士提出了利用2顆地球同步軌道衛(wèi)星實現(xiàn)中國及周邊區(qū)域導航定位和數(shù)據(jù)通信的設想，并指出了建立2顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本技術路線。1994年1月，北斗雙星導航定位系統(tǒng)正式立項、啟動建設。2000年10月31日和12月21日，相繼發(fā)射了第一顆（北斗-1A）、第二顆（北斗-1B）北斗一代衛(wèi)星，2002年北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)開始試運行。2003年5月25日，又發(fā)射了1顆北斗一代系統(tǒng)備用衛(wèi)星（北斗-1C）。 2004年4月，北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式投入運營，全面對民用用戶開放。2007年2月3日，又發(fā)射第四顆北斗一代衛(wèi)星（北斗-1D），用于替換第1顆北斗一代衛(wèi)星。北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用雙星主動式定位體制，將區(qū)域性導航定位、精密授時和簡短雙向報文通信功能有機地結合在一起，成功解決了我國衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的有無問題，并為后續(xù)建設全球性北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)積累經(jīng)驗。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（簡稱北斗系統(tǒng)，英文縮寫為BDS）遵循“先區(qū)域”、“后全球”(先建成覆蓋中國及周邊亞太地區(qū)的區(qū)域性北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，再擴展建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng))和“邊建邊用、以建帶用、以用促建”的發(fā)展思路，按照以下“三步走”的發(fā)展規(guī)劃分步實施。

第一步，如前所述，1994年1月啟動北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)（北斗雙星導航定位系統(tǒng)，北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，簡稱北斗一代系統(tǒng)）建設，形成中國及周邊部分地區(qū)的區(qū)域性導航定位、精密授時和短報文通信服務能力，使我國成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

第二步，2004年8月31日正式立項啟動北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)（北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)一期工程）建設，該北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)和后續(xù)北斗二代衛(wèi)星導航全球系統(tǒng)與GPS、GLONASS類似，均采用4星被動式定位體制，該系統(tǒng)的空間部分采用“5GEO+5IGSO+4MEO”的14顆導航衛(wèi)星混合星座結構。從2007年4月14日發(fā)射北斗二代區(qū)域系統(tǒng)首顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星（北斗-M1），2009年4月15日發(fā)射第二顆靜止地球軌道（GEO）衛(wèi)星（北斗-G2），到2012年10月25日發(fā)射第16顆GEO衛(wèi)星（北斗-G6），歷經(jīng)5年多時間完成了北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)的14顆導航衛(wèi)星的空間布設。2012年12月27日，北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)正式提供區(qū)域性服務，開始向中國及周邊亞太大部分地區(qū)提供連續(xù)定位、導航、授時和短報文通信服務。

第三步，2013年開始北斗二代衛(wèi)星導航全球系統(tǒng)（北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)二期工程）建設工作，該全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用“5GEO+3IGSO+27MEO”的 35顆導航衛(wèi)星混合星座結構。從2015年3月3日到2016年6月12日，已先后發(fā)射了7顆北斗二代衛(wèi)星導航全球系統(tǒng)試驗衛(wèi)星（整個北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的第17～23顆導航衛(wèi)星）。計劃到2020年左右，全面建成北斗二代衛(wèi)星導航全球系統(tǒng)，具備全球范圍連續(xù)被動式定位、導航和授時等服務能力。

3 北斗二代區(qū)域系統(tǒng)應用特性分析

北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)（簡稱北斗二代區(qū)域系統(tǒng)）是目前處于廣泛應用中的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)。下面對北斗二代區(qū)域系統(tǒng)的應用特性進行簡要分析。

3.1 北斗二代區(qū)域系統(tǒng)功能和性能指標

北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)的公開服務主要功能和性能指標如下：

（1）主要功能：無源定位，測速，單雙向授時，短報文通信。

（2） 服務區(qū)域：中國及周邊亞太大部分地區(qū)。

（3）定位精度：平面10m，高程10m（2σ）。

（4）測速精度：0.2m/s。

（5）授時精度：單向50ns，雙向20ns。

（6）短報文通信：（40～120）個漢字/次（軍、民用戶不同），70萬次/小時。

北斗二代區(qū)域系統(tǒng)“5GEO+4MEO+5IGSO”星座結構的具體服務區(qū)域為。

可用服務區(qū)：指滿足水平和垂直定位精度優(yōu)于30m（置信度95%）的服務范圍，目前是南緯55°～北緯55°、東經(jīng)40°～東經(jīng)180°的大部分區(qū)域；

公開服務區(qū)：指滿足水平和垂直定位精度優(yōu)于10m（置信度95%）的服務范圍。目前是南緯55°～北緯55°、東經(jīng)70°～東經(jīng)150°的大部分區(qū)域；

重點服務區(qū) ：是北緯10°～北緯55°、東經(jīng)75°～東經(jīng)135°。

目前北斗二代衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)的公開服務區(qū)域示意圖如圖1所示。

3.2 北斗二代區(qū)域系統(tǒng)短報文通信特性

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的短報文通信服務功能是該系統(tǒng)所特有的功能，是北斗系統(tǒng)有別于其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GPS、GLONASS、Galileo等）的一大特色。下面簡要分析北斗二代區(qū)域系統(tǒng)短報文通信的工作方式和主要技術指標。

圖1 北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)公開服務區(qū)域示意圖

（1）短報文通信工作方式。北斗系統(tǒng)具有點對點（也稱端對端）雙向報文信息傳輸工作方式，它是數(shù)據(jù)報告方式，以數(shù)據(jù)包的形式傳輸。北斗用戶發(fā)送終端采用碼分多址（CDMA）直接序列（DS）擴頻調制方式，擴頻偽碼采用周期性偽隨機碼（PN）序列,發(fā)送頻率為L波段，通過北斗衛(wèi)星轉換為C波段由北斗地面站接收,經(jīng)北斗地面站處理后發(fā)給北斗衛(wèi)星,再經(jīng)衛(wèi)星轉換為S波段發(fā)送給北斗用戶接收終端,完成一次點對點的通信。反向發(fā)送過程亦然，通信流程為：短報文用戶發(fā)送端首先將包含接收方ID號和通信內容的通信申請信號加密后通過北斗衛(wèi)星轉發(fā)至北斗地面中心站（入站信號）；地面中心站處理接收到的信號，并將其發(fā)送到地面網(wǎng)管中心；地面網(wǎng)管中心接收到通信申請信號后，經(jīng)解密和再加密后發(fā)送至地面中心站；地面中心站將其加入持續(xù)廣播的出站信號電文中，經(jīng)北斗衛(wèi)星廣播給用戶接收端。用戶接收端的控制信息以相同的方式送發(fā)送端。

北斗系統(tǒng)短報文通信的流程示意圖如圖2所示。

圖2 北斗系統(tǒng)點對點雙向報文數(shù)據(jù)傳輸示意圖

在北斗系統(tǒng)衛(wèi)星通信點對點雙向報文信息傳輸工作方式中，還有一種點對多點的“通播”（廣播）工作方式,即在一個北斗用戶群（用戶系統(tǒng)）中，將其中的一個測站作為主站（中心站），將其終端設備號碼寫入本群中其它測站（從站）的終端設備的映像地址中，當此主站作通播方式發(fā)送信息時，則用戶群中所有使用同一衛(wèi)星波束的其他測站都能同時收到此信息。主站既可以接收數(shù)據(jù)信息也可以發(fā)送控制信息,其他測站只能接收數(shù)據(jù)信息而不能發(fā)送控制信息。這樣,通過通播功能可以構成點對多點通信。此功能也可以用作系統(tǒng)的廣播回執(zhí)，即在系統(tǒng)的一次定時自報后一定時間內，將系統(tǒng)中收到的測站和未收到的測站信息廣播出去，未收到自報信息的測站則再次發(fā)送信息,從而提高了系統(tǒng)的暢通率，同時也減少了系統(tǒng)中心站的發(fā)送次數(shù)。從站終端每次發(fā)送數(shù)據(jù)后等待接收主站的回執(zhí)，如果在規(guī)定時間內沒有接收到回執(zhí)，則延時一段時間再發(fā)送一次，以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ绻脩粝到y(tǒng)的主站采用北斗指揮型終端，則回執(zhí)可一次在全部衛(wèi)星波束上發(fā)送，用戶系統(tǒng)的所有其他從站都可以同時收到主站的回執(zhí)。

（2）短報文通信技術指標。北斗二代區(qū)域系統(tǒng)的短報文通信主要技術指標數(shù)據(jù)如下。

①服務區(qū)域。北斗二代區(qū)域系統(tǒng)的公開服務區(qū)為S55°～N55°，E70°～E150°的中國及周邊亞太大部分地區(qū)。②工作頻段。北斗系統(tǒng)地面站至北斗空間衛(wèi)星為C波段，其中上行頻率為6GHz，下行頻率為4GHz；北斗用戶終端至北斗空間衛(wèi)星，上行為L波段，頻率為（1615.68±4.08）MHz，下行為S波段，頻率為（2491.75±4.08）MHz。③雙向數(shù)據(jù)通信信息長度。北斗系統(tǒng)的短報文通信功能允許用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，雙向數(shù)據(jù)通信的信息長度為：一般用戶一次可傳輸40個漢字（80個字節(jié)）,經(jīng)核準的用戶可利用連續(xù)傳送方式,最多一次可傳送120個漢字（240個字節(jié)，480個BCD碼）。④數(shù)據(jù)傳輸速率。北斗系統(tǒng)上行(入站)信道數(shù)據(jù)傳輸速率為16.625kbps，下行（出站）信道數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25kbps。⑤信號調制方式。北斗系統(tǒng)信號采用碼分多址（CDMA）直接序列（DS）偽隨機碼（PN）擴頻調制方式。⑥用戶終端類型和服務頻度。北斗用戶終端類型和服務頻度由授權決定，北斗用戶類型按等級分為一、二、三3類，其中一類同戶機（5～10）min服務1次，二類同戶機（10～6）0s服務1次，三類同戶機（1～5）s服務1次。

[1]唐金元.北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展應用綜述[J].全球定位系統(tǒng),2013(5):47-52.

[2]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告[J].國際太空, 2012(4):6-11.

[3]邰敏.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務[J].衛(wèi)星應用,2013(1):5-8.

[4]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告(2.1版)[J].衛(wèi)星應用,2013(1):9-12.

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