北斗背后的高科技之
——軟件背后的巧設計

文/ 遲惑

▲ 北斗三號衛星效果圖

▲ 最后一顆北斗組網衛星等待發射 南勇攝

北斗衛星導航系統除在硬件方面有許多自主創新的成果之外，在軟件設計方面也獨具特色。

衛星軌道設計多樣化

我們知道北斗星座是幾個全球衛星導航系統當中軌道設置最復雜的，包括了3種軌道類型，即地球靜止軌道、地球傾斜同步軌道和中圓軌道。

為什么要采用這樣復雜的衛星軌道設計呢？這和北斗衛星早期的建設方案有關，但是最終的目標是更好地為用戶提供服務。

衛星導航系統的工作主力是運行在中圓軌道上的衛星，它們在這個軌道上不斷向地面發射信號。但是因為種種原因，包括宇宙射線、電離層和大氣層的干擾，中圓軌道衛星所提供的信號，用戶在使用的時候多少會存在一定程度的誤差。為了盡量減小誤差，就需要提供改正信息。

無論在美國GPS、俄羅斯格洛納斯還是歐洲伽利略系統的建設中，出于控制成本的考慮，都沒有設置這樣的軌道，改正信息是由第三方通過其他類型或者地面手段來實現的，而北斗衛星為了從一開始就盡最大努力來提高用戶的信號精度，在系統設計當中就考慮了3種類型的軌道。

在衛星導航技術中有一種叫做位置精度衰減因子的指標，這個指標的計算方法有點復雜，但是它的意義很明確，如果這個數字越大,精度就越差；數字越小，精度就越高。

一般來說，這個數字的大小和天空中可以見到的衛星數量，以及這些衛星的相對位置關系是有直接聯系的。衛星數量越多，衛星分布得越均勻，位置精度衰減因子就越小。

如果僅僅采用中圓軌道衛星，在有些時候、有些地區所能夠見到的衛星數量就不夠多。特別是在所謂的城市峽谷地區和真正的山谷里，能夠見到的衛星數量就很少，很多時候甚至于不能夠保持導航服務。

增加靜止軌道衛星和傾斜同步軌道衛星，就能夠在服務區有效改善這種情況。

作為靜止軌道衛星，它和地面之間是相對固定的。也就是說，在任何時候，我們只要不是處在遮擋的情況下，就一定能見到這顆衛星。

實際上，根據衛星導航的原理，我們只需要3顆衛星就能夠知道自己的位置，只需要4顆衛星就能夠測算出自己的速度。

那么如果有一顆靜止衛星在頭上，對于中圓軌道衛星的需求就大大減少了。傾斜同步軌道衛星的作用更加顯著。

靜止軌道衛星會被建筑物或者大樹、山脈遮擋，傾斜同步軌道衛星就不一樣了，它會在地球的上空畫出八字形的軌跡。

對于覆蓋區的絕大多數用戶來說，傾斜同步軌道衛星在一天當中總會有某個時刻運行到自己的正上方，只要不待在室內就不會被遮擋。

如果部署足夠數量的傾斜同步軌道衛星，那么在任何時刻，對于覆蓋區的任何用戶，都可以保證至少有一顆衛星在自己頭頂上。

這就是中國北斗系統、日本準天頂衛星系統和印度區域導航衛星系統采用傾斜同步軌道衛星的原因。

所以，北斗衛星導航系統同時采用3種軌道，能夠最大限度地給用戶提供良好的服務。

增強服務提升精度

精度是衛星導航服務永恒的一個話題。雖然在前文中提到了諸多改善精度的方法，但是到了實際應用的時候，用戶們還是會覺得精度不夠高。

比如說，如果僅僅依靠衛星發射的導航信號，地面上用戶可以實現6～10米的精度。這個數字聽起來好像還算不錯,但是在很多場景下根本就不夠用。

最簡單的就是公路導航。大家都有經驗，如果關掉手機上的基站導航，僅僅使用衛星信號，我們已經能夠很精確地把自己引導到正確的方向上，甚至于轉彎、路口也沒有問題。

但是，我們能夠知道自己在哪一條車道上嗎？甚至很多時候，僅僅依靠衛星導航信號，我們都不能夠分辨自己是在主路上還是在輔路上。

這個問題在鐵路運輸上就更加突出，要知道鐵路交通不僅僅有我們所熟悉的高鐵，還有大量的貨運列車運行在傳統軌道上。

貨車之間的編組和運行是鐵路部門一項非常復雜的日常工作。用衛星導航技術來服務于調度工作，是衛星導航單位和鐵路部門之間長期合作研究的課題。

或許有人會說，民用衛星導航信號的精度很有限，如果能夠把軍用衛星的信號開放給民間，精度就會得到很大的改善。比如美國GPS衛星的軍用信號可以達到1米左右的精度，能夠解決民用系統的很多問題。

這種觀點確實是有道理的，然而我們且不說軍方會不會把自己的高精度信號開放，即便我們擁有1米精度的衛星導航信號，也不可能解決所有問題。

上文提到的公路車道判別和鐵路編組都需要分米級乃至厘米級的導航精度，那么1米的精度如何能夠滿足這樣的需求呢？

這一切都需要我們采用新的技術，也就是所謂的差分。

差分基本原理就是在地面上精確測定某一個點的坐標，然后在這個點上放置一臺衛星接收機。那么衛星接收機測量信號和這個點的實際坐標之間肯定是有一些偏差的。

這個偏差的影響因素很多，如太陽活動、大氣運動、周圍其他電子設備的干擾等，但是其中最主要的就是大氣電離層對衛星信號的折射。

電離層信號對導航精度的影響有一個特點，就是在很大范圍之內，比如數百乃至上千公里之內，所引起的誤差，無論是方向還是大小，基本都是一樣的。

比如說我們在某一個點上測得電離層所引起的信號向東偏差了5米、向南偏差了2米、向上偏差了1米，那么這個數字對周圍數百公里之內的接收機都是有參考價值的。

把這個數字送達給所有的接收機，就能非常有效地改善所有人的導航精度。如果能夠實時測量偏差數據，并且不間斷地發射出去，就形成了所謂的連續運行參考站。它所提供的服務就叫做“精度增強”，簡稱“增強”。

早在GPS應用的年代，中國的衛星導航應用部門就非常重視連續運行參考站和差分技術的開發，積累了豐富的經驗和雄厚的技術實力。因此，當北斗系統的建設啟動之后，增強服務也同時提上了議事日程。

從前，由于公眾通信系統的建設還沒有普及開，如何把增強服務提供給每個消費用戶是個很大的問題。然而隨著5G建設的推進，這個問題也迎刃而解。

因此，在不遠的將來，我們即使拿著普通的手機，也能夠享受到非常高精度的增強服務了。

▲ 北斗“汽車行駛記錄儀”

▲ 北斗鐵路行業綜合應用示范工程項目啟動

▲ 同時采用3種軌道的北斗星座

實現“星間鏈路”組網

時間是一個非常復雜的概念,可以說世界上沒有哪一個時鐘是完全準確的，哪怕是高精度的原子鐘。

因為制造工藝之間的差異，不同原子鐘所報出來的時間也會存在著一定的不同。大家普遍采取的方式就是用很多臺原子鐘一起，用彼此的計時結果來相互驗證，相互修正，最后計算出一個大家都能接受的基本時間標準，再用這個時間標準來修正各臺原子鐘。

這個問題對于衛星導航來說也是一樣的。同一顆衛星上的幾臺原子鐘之間要相互修正，而且人們還經常要用地面原子鐘計算出來的結果修正衛星原子鐘的時間。

那么能不能在整個星座的幾十臺上百臺原子鐘之間也進行這樣的修正呢？如果能夠做到，就會有效地提高整個星座的時間精度，進一步提高導航和定位的精度。

要做到這一點，衛星之間必須能夠彼此通信，這就是星間鏈路的用處了。

其實星間鏈路并不是導航衛星所專有的，它最早是為了軍事衛星通信而提出來的。

在冷戰期間，美國和蘇聯都在擔心一個問題：萬一哪天兩國忽然發動核戰爭，那么地面上的所有通信基礎設施都會被摧毀，兩個超級大國就只剩下衛星可以用了。但是一顆衛星并不能夠通聯全球，地球靜止軌道衛星要想通聯全球，必須把信息發到地面上的一個通信站，再由這個通信站通過地面上的線路傳輸到另外一個通信站，再把信號發到另外一顆衛星上，如此往復，才能實現全球覆蓋。

后來這個設計被著名的銥星系統所借鑒，形成了人類歷史上第一個不需要地面網站支持的低軌道通信系統。

在衛星導航技術的發展早期，由于成本和技術成熟度的問題，并沒有引入星間鏈路。但是在第一代GPS運行期間，美國人就認識到星間鏈路是很有必要的。

▲ 星間鏈路示意圖

于是在上世紀90年代末期，美國提出要在第二代GPS上逐步引入星間鏈路。引入星間鏈路之后一旦發生戰爭，GPS系統可以在長達180天的時間內，自己保持原子鐘的相互校正，實現足夠的導航精度。

北斗系統則采用了Ka頻段的星間鏈路。

所謂Ka頻段，就是26.5～40G赫茲之間的那一段無線電頻率。地球靜止軌道衛星向地面提供衛星電視和寬帶上網服務也會使用這個頻段。

Ka頻段的帶寬大、通信速度高，但是在為地面服務的時候，存在一種叫做“雨衰”的問題。就是在夏天下暴雨的時候，因為雨點的尺寸和Ka頻段的波長基本一樣，所以會嚴重干擾通信服務。

不過作為導航衛星的星間鏈路，Ka頻段是非常合適的，因為宇宙里不會下雨。

星間鏈路的關鍵技術就是衛星之間的通信波束信號要能夠彼此對準。北斗衛星的軌道位置是嚴格精確控制的，因此波束對準聽起來很容易，但實際上這也不是一件很容易實現的事情。

北斗衛星團隊能夠在整個星座之間實現星間鏈路的組網，是一個非常了不起的成就。

▲ 北斗地基增強系統地面基準站

先進的導航電文設計

導航衛星向地面發射的信號是通過無線電波的形式來實現的。如果用導航接收機把它接收處理出來，顯示在屏幕上，能看到一長串復雜的字符。

這些字符已包含了豐富的信息，總體來說有這么幾個部分：衛星的空間位置，衛星的工作狀態，還有衛星上原子鐘的改正信息，以及大氣電離層帶來的信號延遲如何改正等重要信息。

當然，怎么把這些信息從2萬多公里之外送到地球上，是一件很復雜的事情。

導航衛星雖然聽起來和通信衛星是兩類不同的航天器，但是如果從某些學科的角度來觀察，它們都可以歸類為通信廣播服務衛星。

實際上，導航衛星向地面播發導航電文的方式就是廣播，用戶接收機只有接收的功能，沒有反向發送信息的功能。

因此，導航電文的設計完全可以用無線通信領域的很多概念來實現。

導航電文的設計要素主要包括電文結構、電文內容、信息速率、電文校驗和糾錯等方面。

一般來說，導航電文采用固定幀和數據塊相結合的模式。所謂固定幀，就好像我們買到的圖書和雜志一樣，每頁紙張的大小都是固定的，那么在這一張紙上印刷文字還是圖片，完全根據內容來決定。而數據塊用于靈活擴展導航電文的功能，就好比雜志中的插頁一樣，需要多少就增加多少。

當然這也要付出相應的代價，需要用戶設備拿出更多的處理器資源來處理。

導航電文的具體結構涉及到專業領域的知識，這里就不做過多的闡述了，現在討論一下導航電文的內容。

導航電文可以分為基本信息、擴展信息和增強信息三大類型。

所謂基本信息包括了衛星的位置信息、原子鐘偏差的改正信息和衛星的完好性信息等。有了這些信息，才能夠實現最基本的導航服務。其中衛星位置信息又分為精密星歷和歷書兩部分。

精密星歷指的是發射電文的這一顆衛星的精確軌道位置，只有知道了這個數字，接收機才能計算出電文從天上跑到自己這里用了多長的時間。

所謂的歷書就是一個相對粗略的、整個星座所有衛星大概位置的信息。有了這個信息，可以加快精密星歷的計算過程，這對于高速運動體的速度和位置確定是非常有價值的。

所謂的完好性，一般指衛星的工作狀況是不是良好。要知道，導航衛星并不是只有工作和不工作兩種狀態。有些時候由于一些技術問題，衛星會出現姿態控制精度下降，或者信號發射功率受影響的不利局面。

這種情況下的衛星雖然不是最佳狀態，但信號依然有參考價值，可以提供一些不是那么精確的導航信息。在某些極端情況下，這些不算太精確的信息也是有重要價值的。

北斗衛星導航電文設計經過了幾代發展，技術水平越來越高，目前已經達到世界先進水平，得到了國內外用戶的肯定與稱贊。