范本堯　劉天雄　徐　峰　聶　欣　劉安邦　趙小魴（中國空間技術(shù)研究院，北京 00094）（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 00094）

院士特約稿

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)發(fā)展研究

范本堯1劉天雄2徐峰2聶欣2劉安邦2趙小魴2
（1中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）
（2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

具備全球覆蓋能力的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)在未來國家安全、國民經(jīng)濟(jì)和對外合作等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮十分重要的作用。文章通過對歐洲Galileo的搜索與救援（SAR）業(yè)務(wù)、GPS的危險(xiǎn)報(bào)警衛(wèi)星系統(tǒng)（DASS）和北斗區(qū)域短報(bào)文通信業(yè)務(wù)的分析研究，可以看到建設(shè)具有更強(qiáng)通信能力的北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)符合全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）未來發(fā)展趨勢。文章提出了北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的系統(tǒng)方案、業(yè)務(wù)模式和鏈路設(shè)計(jì)，并評估了系統(tǒng)通信能力，可以作為后續(xù)深入論證的依據(jù)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸；搜索與救援；危險(xiǎn)報(bào)警；短報(bào)文

1　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)全球化日益加深，國家利益與安全的內(nèi)涵與外延、時(shí)空界域比歷史上任何時(shí)候都更加寬廣?！耙粠б宦贰钡膰覒?zhàn)略對我國境外飛機(jī)、船舶、陸上運(yùn)輸工具的位置報(bào)告、短報(bào)文通信以及語音、圖像等數(shù)據(jù)傳輸需求迫切，用戶需要及時(shí)掌控能源、礦產(chǎn)、貿(mào)易等陸上和海上通道的狀況。全球位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸能力事關(guān)國家政治安全、經(jīng)濟(jì)安全、生命安全，可以實(shí)現(xiàn)我國艦船、飛機(jī)等裝備的狀態(tài)感知與位置監(jiān)視。因此，在開展北斗全球系統(tǒng)建設(shè)過程中，應(yīng)結(jié)合上述新的需求將北斗區(qū)域系統(tǒng)的報(bào)文通信功能拓展至全球，同時(shí)進(jìn)一步提升報(bào)文通信能力，支持位置報(bào)告與語音、圖像等數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

在全球位置報(bào)告業(yè)務(wù)的發(fā)展路線上，美國和歐洲利用“衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)+通信衛(wèi)星系統(tǒng)”的模式，通過通信衛(wèi)星（海事衛(wèi)星和“銥星”等）和導(dǎo)航衛(wèi)星（GPS衛(wèi)星和Galileo衛(wèi)星）實(shí)現(xiàn)全球位置報(bào)告。然而，一方面，由于我國在2020年之前不具備全球覆蓋能力的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，沿襲西方國家“通信、導(dǎo)航雙系統(tǒng)”的發(fā)展思路，等待全球衛(wèi)星通信條件完全具備后，再著手發(fā)展全球位置報(bào)告和通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)不能滿足國家需求。另一方面，北斗系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就創(chuàng)新性地開展了導(dǎo)航和通信業(yè)務(wù)一體化設(shè)計(jì)，通過衛(wèi)星定位和短報(bào)文業(yè)務(wù)解決了“讓自己知道自己在哪里”和“讓別人知道你在哪里”的難題。在北斗全球系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展的過程中，應(yīng)繼承已有技術(shù)并進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展。未來全球位置報(bào)告和搜索與救援業(yè)務(wù)，既可以繼承北斗區(qū)域系統(tǒng)的衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）有源定位來實(shí)現(xiàn)，也可以利用衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS）無源定位業(yè)務(wù)結(jié)合報(bào)文通信來實(shí)現(xiàn)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照“先試驗(yàn)，后區(qū)域，再全球”的三步走發(fā)展規(guī)劃，2020年左右將實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，具有獨(dú)特的星間鏈路實(shí)現(xiàn)星間互聯(lián)互通，使北斗系統(tǒng)成為全球互聯(lián)互通的星座系統(tǒng)?；诒倍啡蛳到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，一方面擺脫了我國沒有全球衛(wèi)星通信能力的困境，另一方面也提高了北斗全球系統(tǒng)的效能，必將為科考勘探、搜索救援、救災(zāi)減災(zāi)、洲際貨運(yùn)、遠(yuǎn)洋航海等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值，為熱點(diǎn)區(qū)域態(tài)勢感知、情報(bào)搜集、監(jiān)視/控制和前向目標(biāo)指揮等業(yè)務(wù)提供全新的手段。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)立足北斗現(xiàn)有星座資源，在不影響衛(wèi)星主任務(wù)情況下，本文提出了北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的系統(tǒng)方案、業(yè)務(wù)模式和系統(tǒng)鏈路設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)通信能力和采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說明，最后對系統(tǒng)的典型應(yīng)用模式進(jìn)行了探討，可為后續(xù)開展全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)提供參考。

2　國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

2.1伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)搜索與救援業(yè)務(wù)

衛(wèi)星搜索與救援（Search and Rescue，SAR）是當(dāng)前復(fù)雜環(huán)境下最有效的、最廣泛使用的遇險(xiǎn)搜救手段，當(dāng)前在全球范圍內(nèi)提供搜救業(yè)務(wù)的唯一系統(tǒng)是國際低軌道搜索救援衛(wèi)星系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT），該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是用戶與衛(wèi)星之間只有前向鏈路，沒有給用戶反饋確認(rèn)信息的返向鏈路。

歐洲伽利略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除具有與GPS全球定位系統(tǒng)完全相同的定位、導(dǎo)航和授時(shí)業(yè)務(wù)外，還支持SAR業(yè)務(wù)，簡稱SAR/Galileo業(yè)務(wù)。較傳統(tǒng)COSPAS-SARSAT搜救業(yè)務(wù)，SAR/Galileo業(yè)務(wù)有兩大技術(shù)突破:①SAR載荷對上行救援信號的監(jiān)測時(shí)間從分鐘級提高到秒級；②增加衛(wèi)星對用戶信標(biāo)的返向鏈路通信功能，從而可以使用戶確認(rèn)系統(tǒng)已經(jīng)收到求救信息。從2015年底開始，Galileo系統(tǒng)將會在10顆衛(wèi)星上搭載一代SAR信標(biāo)載荷［1］。目前Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在開展二代SAR信標(biāo)載荷及其救援任務(wù)返向鏈路的論證工作，SAR/Galileo系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理如圖1所示。

前向鏈路:處于緊急狀態(tài)的用戶向Galileo衛(wèi)星發(fā)出一個(gè)406MHz求救的遇險(xiǎn)信標(biāo)信號，衛(wèi)星接收信號后將遇險(xiǎn)信號放大和變頻，以1544MHz的頻率下行播發(fā)給SARSAT地面終端站，又稱為MEO地面終端站（MEO Local Unit Terminal，MEOLUT）。地面站完成對信標(biāo)信號的檢測、信標(biāo)信息提取并計(jì)算出信標(biāo)位置，將結(jié)果和返向鏈路請求信息發(fā)送給任務(wù)控制中心（Mission Control Center，MCC）。MCC將救援信息發(fā)送給當(dāng)?shù)鼐仍畢f(xié)調(diào)中心（Rescue Coordination Center，RCC），當(dāng)?shù)豏CC組織對遇險(xiǎn)人員的搜救工作。

返向鏈路:任務(wù)控制中心MCC接收到MEOLUT發(fā)來的遇險(xiǎn)信標(biāo)信息后，同時(shí)把經(jīng)過位置確認(rèn)的遇險(xiǎn)信標(biāo)信息發(fā)送給法國任務(wù)控制中心（France MCC，F(xiàn)MCC）。FMCC把當(dāng)?shù)鼐仍畢f(xié)調(diào)中心RCC組織對遇險(xiǎn)人員的搜救信息傳送給返向鏈路業(yè)務(wù)提供商（Return Link Service Provider，RLSP）。RLSP把系統(tǒng)自動產(chǎn)生的返向鏈路信息（第一類確認(rèn)信息）發(fā)送給伽利略地面任務(wù)段（Galileo Mission Segment，GMS），GMS把返向鏈路信息通過C頻段上傳給Galileo衛(wèi)星，然后衛(wèi)星利用1575.42MHz下行鏈路播發(fā)對用戶信標(biāo)確認(rèn)電文信號。Galileo對返向鏈路工作模式定義了兩種類型:Type-1返向通信鏈路的確認(rèn)消息由系統(tǒng)的SAR任務(wù)控制中心自動發(fā)出；Type-2返向通信鏈路的確認(rèn)消息由RCC發(fā)出，從而使報(bào)警信標(biāo)用戶知道求救已經(jīng)被確認(rèn)收到［2］。Galileo在2014年公布的接口控制文件中提出了兩種格式的返向鏈路短消息（80bit和160bit），其中80bit的短報(bào)文格式如表1所示。

圖1　SAR/Galileo搜救系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1　System architecture of Galileo SAR

表1　返向鏈路短報(bào)文消息格式Table1　Ehort message format of return link

SAR/Galileo地面站由3個(gè)MEOLUT和1個(gè)MEOLUT跟蹤協(xié)作中心（MEOLUT Tracking Coordination Facility，MTCF）組成。MEOLUT分別位于挪威的Svalbard、塞浦路斯的Makarios和西班牙的Maspalomas。每個(gè)地面站都同時(shí)與位于法國Toulouse的MTCF相連，MTCF負(fù)責(zé)優(yōu)化三個(gè)地面站的衛(wèi)星跟蹤計(jì)劃［3］。

到2014年底，所有生產(chǎn)SAR/Galileo地面終端信標(biāo)的廠家都已經(jīng)獲取到返向鏈路通信相關(guān)指標(biāo)并開展終端的生產(chǎn)［2］。伽利略搜救系統(tǒng)對用戶的定位精度從以前SARSAT系統(tǒng)的5km提高到100m，定位時(shí)間從以前30min提高到在95%以上的時(shí)間可以達(dá)到在5min內(nèi)收到信標(biāo)確認(rèn)信息，縮短了遇險(xiǎn)信標(biāo)位置檢測時(shí)間，并且實(shí)現(xiàn)了向用戶發(fā)送接收遇險(xiǎn)電文的確認(rèn)信息，未來信標(biāo)的信息格式將與全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)兼容，使得用戶與搜救中心之間具有交換簡短信息的功能。

2.2GPE全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星危險(xiǎn)報(bào)警業(yè)務(wù)

美國是目前SARSAT系統(tǒng)成員國之一，以前基于LEO和GEO的SARSAT系統(tǒng)到2013年已逐漸停止服務(wù)，GPS從BLOCK-ⅡR后續(xù)衛(wèi)星中開展危險(xiǎn)報(bào)警衛(wèi)星系統(tǒng)（Distress Alerting Satellite System，DASS）試驗(yàn)驗(yàn)證工作，簡稱DASS/GPS業(yè)務(wù)。美國境內(nèi)的COSPAS-SARSAT系統(tǒng)業(yè)務(wù)將會由DASS來替代，DASS系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示［4］。

目前美國DASS的空間段建設(shè)分原理驗(yàn)證和正常運(yùn)行兩個(gè)階段實(shí)施，在原理驗(yàn)證階段，NASA已在9顆GPS BLOCK-ⅡR和所有的BLOCK-ⅡF衛(wèi)星上安裝DASS載荷［5］。DASS載荷不對地面信標(biāo)進(jìn)行在軌處理，直接透明轉(zhuǎn)發(fā)到地面站。在正常運(yùn)行階段，NASA計(jì)劃在所有GPS BLOCK-Ⅲ衛(wèi)星上安裝該DASS載荷，并通過L頻段（1544MHz）轉(zhuǎn)發(fā)到地面站。NASA計(jì)劃安裝DASS載荷星座未來將有24～27顆衛(wèi)星，分布在3或6個(gè)軌道面上［6］。雖然通信系統(tǒng)不需要四重覆蓋，但這種配置使在地球任何地點(diǎn)、任何時(shí)間的用戶在30o仰角可以看到4顆以上裝有DASS載荷的GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，極大地提高了用戶體驗(yàn)和搜救的可靠性。

圖2　GPS DASS系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2　System architecture of GPS DASS

與SAR/Galileo系統(tǒng)鏈路設(shè)計(jì)一致，DASS的上行鏈路為遇險(xiǎn)信標(biāo)終端通過406MHz對可見衛(wèi)星發(fā)出報(bào)警信號，下行鏈路為收到報(bào)警信號的衛(wèi)星通過下行1554MHz將信號轉(zhuǎn)發(fā)到地面站，地面站任務(wù)控制中心將信號處理后發(fā)送給救援中心進(jìn)行處理開展救援。

DASS地面段主要由MEOLUT和搜索與救援任務(wù)控制中心（SAR MCC）網(wǎng)絡(luò)組成。MEOLUT主要完成接收處理衛(wèi)星下發(fā)的信標(biāo)信號，并計(jì)算出信標(biāo)位置傳送給MCC。MCC把接收到的信息傳送給其他MCC或者發(fā)給RCC開展救援工作。DASS地面站建設(shè)分為:原理驗(yàn)證階段地面站和運(yùn)行階段地面站兩個(gè)階段。2006年，NASA在戈達(dá)德航天飛行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）開展了DASS原理驗(yàn)證，分別利用L和S頻段轉(zhuǎn)發(fā)求救信標(biāo)信號。在DASS正式運(yùn)行階段，地面站計(jì)劃將在夏威夷和美國東部地區(qū)建設(shè)。該地面站將同時(shí)能夠接收處理來自Galileo和俄羅斯GLONASS的SAR信號［7］。

俄羅斯也將在GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的下一代GLONASS-K1和K2衛(wèi)星中搭載SAR功能［1］。當(dāng)前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括GPS、Galileo和GLONASS，均通過搭載搜救載荷為全球搜救系統(tǒng)提供空間段服務(wù)，可以通過中軌道導(dǎo)航衛(wèi)星RNSS業(yè)務(wù)載荷與搜救載荷的系統(tǒng)集成，簡稱MEO SAR，從而大幅提高傳統(tǒng)COSPAS-SARSAT的搜索與救援能力。

2.3北斗區(qū)域短報(bào)文傳輸系統(tǒng)

北斗雙星定位系統(tǒng)是我國20世紀(jì)90年代自主研發(fā)的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，空間段包括3顆部署在我國上空的地球靜止軌道衛(wèi)星，基于衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS），實(shí)現(xiàn)有源定位及短報(bào)文通信業(yè)務(wù)。地面段由一個(gè)中心站和幾十個(gè)分布于全國的參考標(biāo)校站組成，架構(gòu)如圖3所示［8］。短報(bào)文通信是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一大特色，為用戶提供每次120個(gè)漢字的短報(bào)文通信業(yè)務(wù)。短消息通信的傳輸時(shí)延約0.5s，通信的最高頻度為1次/秒。系統(tǒng)入站容量優(yōu)于54萬次/小時(shí)；出站容量優(yōu)于18萬次/小時(shí)。系統(tǒng)下行為S頻段2483.5～2500MHz，上行為L頻段1610～1626.5MHz［9］。

圖3　北斗區(qū)域短報(bào)文傳輸系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3　System architecture of regional Beidou short message transmission system

系統(tǒng)運(yùn)營中心通過一顆地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶群發(fā)出一個(gè)查詢信號，用戶則通過至少2顆空間衛(wèi)星回傳L頻段響應(yīng)信號。導(dǎo)航信號從運(yùn)營中心到衛(wèi)星、再從衛(wèi)星到用戶接收設(shè)備，最后再返回運(yùn)營中心，整個(gè)傳輸時(shí)間被測得后，結(jié)合已知的衛(wèi)星位置信息和用戶海拔高度估值，運(yùn)營中心便可獲得用戶的位置并傳送給用戶。2012年12月建成的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，除了增加與GPS系統(tǒng)一致的無源RNSS定位業(yè)務(wù)外，還保留了雙星定位系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能，已在搜索救援、災(zāi)害監(jiān)測和應(yīng)急通信等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

3　北斗全球數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)想

3.1系統(tǒng)方案

在不影響北斗系統(tǒng)導(dǎo)航、定位和授時(shí)主任務(wù)，充分考慮衛(wèi)星、用戶機(jī)等資源約束的情況下，本文開展北斗全球數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)北斗全球經(jīng)濟(jì)效益的最大化。北斗全球位置報(bào)告和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由用戶段、空間段、地面段組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。北斗MEO導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度21528km，分布于A/B/C三個(gè)軌道面，軌道傾角55o［10］；北斗星座數(shù)據(jù)通信鏈路頻譜繼承自北斗區(qū)域報(bào)文通信系統(tǒng)。

圖4　北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4　System architecture of global Beidou navigation and data transmission service

空間段MEO衛(wèi)星較現(xiàn)有北斗全球衛(wèi)星系統(tǒng)的配置僅增加一臺基于處理轉(zhuǎn)發(fā)體制的全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)，主要用于實(shí)現(xiàn)地面用戶的接入、上行鏈路信息接收及與星上綜合電子系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。地面段主要包括地面控制中心，以完成全球短報(bào)文系統(tǒng)衛(wèi)星載荷資源管理、系統(tǒng)維護(hù)、用戶業(yè)務(wù)控制、境內(nèi)段公網(wǎng)/專網(wǎng)信息分發(fā)及安全保障。用戶段主要為雙模用戶終端機(jī)，內(nèi)置RNSS定位模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，采用一戶一卡方式進(jìn)行管理，由地面控制中心進(jìn)行用戶權(quán)限及業(yè)務(wù)管理。

空間段星載全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)，可同時(shí)服務(wù)12個(gè)用戶。除全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)為新增載荷外，其他載荷均可繼承以前設(shè)備。由于衛(wèi)星在地面主控站不具備連續(xù)觀測條件，需要利用星間鏈路進(jìn)行信息中繼，通過星間鏈路收發(fā)信機(jī)將用戶信息發(fā)送，信息通過星間鏈路一跳或者多跳后傳遞到境內(nèi)中心站可視衛(wèi)星。

3.2業(yè)務(wù)模式

北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)包含快速位置報(bào)告（短報(bào)文）、語音和圖像兩種業(yè)務(wù)模式。位置報(bào)告幀長度為300bit；語音為WMA文件格式，采樣頻率11.025kHz×采樣位數(shù)8bit×聲道數(shù)1×?xí)r間60s×壓縮率1∶18=294kbit；圖像為PNG文件格式，圖像寬度640×圖像高度480×每像素位數(shù)8= 2457.6kbit。

接入方式分為兩種:一種是隨機(jī)接入方式，用于位置報(bào)告（短報(bào)文）業(yè)務(wù)；另一種是預(yù)約通信方式，用于語音和圖像文件傳輸業(yè)務(wù)。

快速位置（短報(bào)文）報(bào)告業(yè)務(wù)采用隨機(jī)接入方式進(jìn)行，用戶終端隨機(jī)選擇快速位置報(bào)告信道向地面控制中心發(fā)送一幀快速位置報(bào)告幀，地面控制中心在接收到用戶幀并確認(rèn)其完整性與用戶識別ID的合法性后，按原路徑向用戶終端發(fā)送位置報(bào)告應(yīng)答幀。

語音和圖像傳輸業(yè)務(wù)采用預(yù)約通信方式進(jìn)行。用戶終端向地面控制中心發(fā)起接入請求，地面控制中心為用戶分配信道和時(shí)長并將其返回給用戶，用戶按照分配信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

每顆衛(wèi)星的上行鏈路共有12路碼分通道，每個(gè)通道的傳輸速率為250bit/s。其中，快速位置報(bào)告通道和預(yù)約接入通道可動態(tài)分配。

3.3系統(tǒng)鏈路

北斗全球位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)整個(gè)鏈路由用戶機(jī)與MEO衛(wèi)星之間的鏈路、星間鏈路、衛(wèi)星和中心站之間的鏈路組成。其中用戶到衛(wèi)星的上行鏈路為L頻段，衛(wèi)星到用戶的下行鏈路為S頻段，采用組播方式，每顆衛(wèi)星的下行鏈路信息速率為2kbit/s，用于控制中心對用戶上行信息的確認(rèn)、通信和指揮。衛(wèi)星至地面控制中心的上行、下行通信體制，采用當(dāng)前現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)控、測控地面站上下行通信體制。

星間鏈路的前向鏈路為衛(wèi)星接收到用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)后，按照星間鏈路中傳輸?shù)膸袷綄?shù)據(jù)打包為星間鏈路的傳輸幀，前向鏈路的信息速率100kbit/s。星間鏈路的返向鏈路為衛(wèi)星接收到地面控制中心返回應(yīng)答數(shù)據(jù)后，按照星間鏈路中傳輸?shù)膸袷綄?shù)據(jù)打包為星間鏈路的傳輸幀，向MEO衛(wèi)星進(jìn)行傳輸。返向星間鏈路的信息速率為100kbit/s。

3.4系統(tǒng)通信能力

全球位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的約束條件為:星座采用北斗全球系統(tǒng)MEO星座的子星座；上行速率為250bit/s，報(bào)文通信接收機(jī)通道數(shù)為12個(gè)；星間鏈路速率小于100kbit/s，上行信號捕獲時(shí)間約100ms。在用戶仰角為15o情況下，仿真分析表明15顆衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全球雙重覆蓋。

在以上約束條件下，對北斗全球位置報(bào)告與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算。系統(tǒng)通信容量（呼損率5%）在連續(xù)體制下位372 240次/小時(shí)，時(shí)分體制為99795次/小時(shí)。系統(tǒng)通信能力的瓶頸在星間鏈路，星間鏈路分為連續(xù)和時(shí)分體制兩種。在連續(xù)體制（星間速率50 kbit/s）下，位置系統(tǒng)時(shí)延為1.35s，語音為2 552.28s，圖像為21314.15s；在時(shí)分體制（星間速率50kbit/s）下，位置系統(tǒng)時(shí)延為16.78s，語音為2598.59s，圖像為21360.45s。系統(tǒng)抗干擾能力為單音干擾可以抗50dB，窄帶抗40dB，寬帶可以抗30dB，脈沖可以抗35dB。

由于目前數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)只能占用系統(tǒng)部分資源，因此，在不同通信體制下的語音和圖像傳輸時(shí)延較大，后續(xù)可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求對系統(tǒng)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，進(jìn)而提高系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)傳輸性能。

3.5關(guān)鍵技術(shù)研究

1）數(shù)據(jù)傳輸子星座選擇

北斗MEO衛(wèi)星天線覆蓋區(qū)等效為半錐角13.2o的圓錐，為確保系統(tǒng)可靠性，考慮到不同仰角時(shí)通信性能受到雨衰、遮擋影響不同，對系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)傳輸載荷的衛(wèi)星數(shù)量不同，對地覆蓋的能力也不同，不僅影響用戶體驗(yàn)，也涉及系統(tǒng)建設(shè)成本與系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力，所以需要深入論證。

2）星間鏈路路由策略

實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)的位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸，需要解決衛(wèi)星間互聯(lián)互通和信息路由問題。星間鏈路的雙向通信特性，以及衛(wèi)星與用戶、衛(wèi)星與地面站間的雙向通信鏈路，使得傳輸鏈路具備前向和返向雙向信息傳輸能力。

連續(xù)體制建立全雙工連續(xù)體制緩變波束星間鏈路，星間鏈路的物理連接關(guān)系固定不變，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定。緩變波束星間鏈路分為衛(wèi)星同軌鏈路、衛(wèi)星異軌鏈路，每顆衛(wèi)星有若干同軌鏈路和異軌鏈路。為了不影響北斗系統(tǒng)星間測控等主業(yè)務(wù)星間鏈路信息傳輸，星間鏈路容量只能分配部分容量用于短報(bào)文的星間中繼回傳。

時(shí)分體制進(jìn)行星間鏈路建立時(shí)，在某個(gè)時(shí)隙，每顆衛(wèi)星只能與一顆衛(wèi)星建立鏈路連接，且在不同時(shí)隙，每顆衛(wèi)星必須與不同的衛(wèi)星建立鏈路以實(shí)現(xiàn)信息回傳。因此，時(shí)分體制下，星間鏈路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系動態(tài)可變，即在不同的時(shí)隙內(nèi)，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的物理連接關(guān)系是基于業(yè)務(wù)需求在實(shí)時(shí)變化。因此，考慮根據(jù)衛(wèi)星的物理可連接性，以若干個(gè)時(shí)隙為顆粒度，對星間鏈路時(shí)分體制的連接關(guān)系進(jìn)行分配，從而獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，并計(jì)算出所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的路由信息［11］。

3）高靈敏度星載數(shù)據(jù)通信接收機(jī)

北斗全球系統(tǒng)位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)方案，難點(diǎn)在于星載L頻段數(shù)據(jù)通信接收機(jī)低信噪比、大動態(tài)、低資源消耗的短突發(fā)信號的快速捕獲、自適應(yīng)強(qiáng)抗干擾數(shù)字信號處理算法和多用戶并發(fā)接入算法設(shè)計(jì)［12-13］。高靈敏度星載數(shù)據(jù)通信接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5　高靈敏度星載數(shù)據(jù)通信接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5　System architecture of spaceborne data communication receiver with high sensibility

針對系統(tǒng)抗干擾性能應(yīng)考慮兩類干擾對捕獲性能的影響:一類是全球數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)多用戶之間的相互干擾，另一類是來自于系統(tǒng)之外的單音、窄帶、脈沖或?qū)拵褐聘蓴_［14-15］。由于應(yīng)用環(huán)境特殊、設(shè)計(jì)約束苛刻，全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)的研制未來將是一個(gè)挑戰(zhàn)。

4）信道編碼

卷積碼是一種常用的線性分組碼，性能與幀長無關(guān)，編碼增益較高。低密度校驗(yàn)碼（LDPC）是一種能逼近Shannon容量限的漸進(jìn)好碼。其在長碼時(shí)的性能甚至超過了Turbo碼，且其譯碼采用具有線性復(fù)雜度的和積算法。但LDPC碼的性能與幀長息息相關(guān)，幀長越長，其性能越好。由于受到報(bào)文實(shí)際應(yīng)用的限制，幀長不可能很長。因此，在什么樣的幀長條件下選擇LDPC碼或卷積碼更合適，這就涉及到不同幀長條件下LDPC碼和卷積碼的性能比較，以及在性能與復(fù)雜性之間進(jìn)行折中的問題。因此，在短數(shù)據(jù)幀長約束下的編碼方案也是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

5）星載收發(fā)天線技術(shù)

全球數(shù)據(jù)通信與位置報(bào)告的用戶使用模式要求天線波束實(shí)現(xiàn)覆球覆蓋，同時(shí)由于用戶一般采用增益小于3dB的天線，需要衛(wèi)星提供較高增益以保證鏈路余量。在衛(wèi)星平臺布局約束下，需要天線實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用，且滿足一定的收發(fā)隔離度要求；頻點(diǎn)覆蓋L、S頻點(diǎn)；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對地覆球波束和所需的覆蓋增益，因此星載收發(fā)天線是需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)應(yīng)用

4.1“一帶一路”和經(jīng)濟(jì)全球化應(yīng)用

2013年9月，中國國家主席習(xí)近平先后提出共建“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“2l世紀(jì)海上絲綢之路”的重大倡議。“一帶一路”倡議對于化解國內(nèi)過剩產(chǎn)能、促使中國企業(yè)“走出去”，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，拓展中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間、保障國內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、解決中國區(qū)域發(fā)展不平衡問題具有重要意義。

“一帶一路”貫穿亞歐非大陸，連接?xùn)|亞經(jīng)濟(jì)圈和歐洲經(jīng)濟(jì)圈?！耙粠б宦贰毖鼐€相關(guān)區(qū)域，特別是中間廣大腹地的民用用戶對飛機(jī)、船舶、陸上運(yùn)輸工具的數(shù)據(jù)通信和安全監(jiān)視需求迫切，需要對能源、礦產(chǎn)、貿(mào)易等海上重要通道的狀況進(jìn)行及時(shí)掌控。歐、美、日本等國家使用軌道通信（Orbcomm）衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車輛跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、石油管道監(jiān)控、船務(wù)運(yùn)輸、飛機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用［16］。北斗全球位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的建設(shè)恰可填補(bǔ)此空缺，解決“一帶一路”沿線區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸、緊急救援、安全監(jiān)視等問題。

4.2全球范圍內(nèi)的搜索救援和“應(yīng)急廣播”應(yīng)用

減災(zāi)領(lǐng)域是最需要也是最適合應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù)的領(lǐng)域之一。2008年5月12日14時(shí)28分，四川省汶川縣發(fā)生嚴(yán)重地震，移動基站被破壞，電纜、光纜被截?cái)啵瑢?dǎo)致有線、無線通信全部中斷。武警官兵到達(dá)地震重災(zāi)區(qū)后，用北斗用戶終端機(jī)的短消息功能成功在災(zāi)區(qū)和指揮部建立了實(shí)時(shí)通道，在準(zhǔn)確定位震中位置、判斷災(zāi)害等級的決策過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用［17］。北斗構(gòu)建“天-地-現(xiàn)場”一體化的災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、信息保障、應(yīng)急處置和決策指揮體系是未來我國搜救工作的重要發(fā)展方向。

建設(shè)基于北斗的全球位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可綜合利用和充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位和通信等技術(shù)手段，發(fā)揮導(dǎo)航和通信的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)有效銜接、優(yōu)勢互補(bǔ)和綜合應(yīng)用，在“災(zāi)害救援”領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和優(yōu)勢，具體的應(yīng)用可以體現(xiàn)在災(zāi)害信息傳輸、災(zāi)害現(xiàn)場信息獲取、災(zāi)害現(xiàn)場應(yīng)急廣播和指揮聯(lián)動、物資與救援隊(duì)伍監(jiān)測調(diào)度和災(zāi)害應(yīng)急搜救等方面，進(jìn)一步拓展衛(wèi)星在減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用深度和廣度。

4.3導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分發(fā)

美國GPS、歐盟Galileo、俄羅斯GLONASS的導(dǎo)航系統(tǒng)部分參數(shù)分發(fā)都有其各自的全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)提供支撐，但我國目前暫沒有全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持這一能力。北斗全球數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)則可以解決上述問題，在工程建設(shè)上具有技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性和時(shí)間進(jìn)度可行性，北斗導(dǎo)航自身的問題就可以由北斗系統(tǒng)自身來解決。

4.4熱點(diǎn)地區(qū)態(tài)勢感知與應(yīng)急指揮

全球位置報(bào)告和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，對于構(gòu)建自主掌控的搜救體系、掌控?zé)狳c(diǎn)地區(qū)的態(tài)勢、形成關(guān)鍵參數(shù)回傳、打擊效果評估、作為通信系統(tǒng)服務(wù)的補(bǔ)充和備用手段，具有重要意義。此外，在海外執(zhí)行維和、維權(quán)、護(hù)航、執(zhí)法、人道主義救援等特殊任務(wù)時(shí)，同樣迫切需要全球位置報(bào)告、短報(bào)文通信、語音及數(shù)據(jù)通信等手段。

5　結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)計(jì)于2020年前后實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)，屆時(shí)將是我國唯一全球互聯(lián)互通的天基網(wǎng)絡(luò)，如果借助北斗全球網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球位置報(bào)告搜索與救援、語音和圖像數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，在未來國家安全、災(zāi)害預(yù)警和搜索救援等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮極其重大的作用。

目前國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS、GLONASS和Galileo）分別在下一代導(dǎo)航衛(wèi)星中均增加了DASS 和SAR等數(shù)據(jù)通信功能，可以看出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合通信業(yè)務(wù)是發(fā)展方向，在建設(shè)未來北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)過程中，繼承并創(chuàng)新發(fā)展北斗短報(bào)文通信業(yè)務(wù)，擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍、拓展業(yè)務(wù)類型、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能，建設(shè)高效可靠的北斗全球數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是必要的、可行的，也是未來北斗走向全球的必由之路。

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（編輯：張小琳）

Research on Data Transmission Service Development of Global Satellite Navigation System

FAN Benyao1LIU Tianxiong2XU Feng2NIE Xin2
LIU Anbang2ZHAO Xiaofang2
（1 China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Data transmission service of global satellite navigation system with ability to coverage area has very important effect on national security，civil economy and foreign cooperation in the future.Through research and analysis on search and rescue（SAR）service of European Galileo，distress alerting satellite system（DASS）of GPS and regional short message service of Beidou，it can be concluded that building more powerful communication ability of global Beidou navigation system accords with the development trend of GNSS.The system scheme，service mode and link design of the global Beidou satellite navigation system and data transmission service is put forward.The system communication ability is evaluated and it can be regarded as the evidence on careful demonstration in the future.

satellite navigation system；data transmission；SAR；distress alerting；short message

TN915.8

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.001

2016-05-09；

2016-05-20

范本堯（1935—），男，中國工程院院士，曾任東方紅三號系列通信衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師，從事衛(wèi)星總體技術(shù)工作。Email：liutianxiong@sina.com。