唐金元，周洪霞，王思臣

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用特性分析

唐金元，周洪霞，王思臣

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

在簡要介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）發(fā)展?fàn)顩r基礎(chǔ)上，對北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)的應(yīng)用特性進(jìn)行了分析。

北斗系統(tǒng)（BDS）；應(yīng)用分析；定位；授時(shí)；短報(bào)文通信

1 緒論

衛(wèi)星導(dǎo)航是利用人造地球衛(wèi)星確定載體（飛機(jī)、艦船、車輛等）的位置及航行參數(shù)，從而引導(dǎo)載體沿預(yù)定航線航行的技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航臺(tái)）對載體進(jìn)行定位和導(dǎo)航的“星基無線電導(dǎo)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(jìn)行跟蹤、觀測從而發(fā)明衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，1958年12月正式提出研制衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)至今，在國外歷經(jīng)了第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(美國子午儀TRANSIT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、前蘇聯(lián)的奇卡達(dá)Tsikada衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))和第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（美國的導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS）以及伽利略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程，在國內(nèi)歷經(jīng)了北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)）和北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（分北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)、北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航全球系統(tǒng)兩個(gè)發(fā)展階段）的發(fā)展歷程，目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已在世界范圍內(nèi)軍、民用應(yīng)用領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

本文在簡要介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）發(fā)展?fàn)顩r基礎(chǔ)上，對北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)的應(yīng)用特性進(jìn)行了分析。

2 北斗系統(tǒng)發(fā)展簡況

20世紀(jì)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(dǎo)航定位系統(tǒng)。1983年，我國“兩彈一星”功勛獎(jiǎng)?wù)芦@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(shí)現(xiàn)中國及周邊區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ缓蛿?shù)據(jù)通信的設(shè)想，并指出了建立2顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本技術(shù)路線。1994年1月，北斗雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正式立項(xiàng)、啟動(dòng)建設(shè)。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(dǎo)航系統(tǒng)開始試運(yùn)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(dǎo)航系統(tǒng)正式投入運(yùn)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(dǎo)航系統(tǒng)采用雙星主動(dòng)式定位體制，將區(qū)域性導(dǎo)航定位、精密授時(shí)和簡短雙向報(bào)文通信功能有機(jī)地結(jié)合在一起，成功解決了我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的有無問題，并為后續(xù)建設(shè)全球性北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)積累經(jīng)驗(yàn)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)，再擴(kuò)展建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(shí)施。

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

第二步，2004年8月31日正式立項(xiàng)啟動(dòng)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)（北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一期工程）建設(shè)，該北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)和后續(xù)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航全球系統(tǒng)與GPS、GLONASS類似，均采用4星被動(dòng)式定位體制，該系統(tǒng)的空間部分采用“5GEO+5IGSO+4MEO”的14顆導(dǎo)航衛(wèi)星混合星座結(jié)構(gòu)。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(shí)間完成了北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)的14顆導(dǎo)航衛(wèi)星的空間布設(shè)。2012年12月27日，北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)正式提供區(qū)域性服務(wù)，開始向中國及周邊亞太大部分地區(qū)提供連續(xù)定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。

第三步，2013年開始北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航全球系統(tǒng)（北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)二期工程）建設(shè)工作，該全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用“5GEO+3IGSO+27MEO”的 35顆導(dǎo)航衛(wèi)星混合星座結(jié)構(gòu)。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(dǎo)航全球系統(tǒng)試驗(yàn)衛(wèi)星（整個(gè)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的第17～23顆導(dǎo)航衛(wèi)星）。計(jì)劃到2020年左右，全面建成北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航全球系統(tǒng)，具備全球范圍連續(xù)被動(dòng)式定位、導(dǎo)航和授時(shí)等服務(wù)能力。

3 北斗二代區(qū)域系統(tǒng)應(yīng)用特性分析

北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)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(yīng)用中的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。下面對北斗二代區(qū)域系統(tǒng)的應(yīng)用特性進(jìn)行簡要分析。

3.1 北斗二代區(qū)域系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)

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

（1）主要功能：無源定位，測速，單雙向授時(shí)，短報(bào)文通信。

（2） 服務(wù)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(shí)精度：單向50ns，雙向20ns。

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

北斗二代區(qū)域系統(tǒng)“5GEO+4MEO+5IGSO”星座結(jié)構(gòu)的具體服務(wù)區(qū)域?yàn)椤?/p>

可用服務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)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(diǎn)服務(wù)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(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)的公開服務(wù)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(bào)文通信特性

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文通信服務(wù)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(dǎo)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(bào)文通信的工作方式和主要技術(shù)指標(biāo)。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)公開服務(wù)區(qū)域示意圖

（1）短報(bào)文通信工作方式。北斗系統(tǒng)具有點(diǎn)對點(diǎn)（也稱端對端）雙向報(bào)文信息傳輸工作方式，它是數(shù)據(jù)報(bào)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(kuò)頻調(diào)制方式，擴(kuò)頻偽碼采用周期性偽隨機(jī)碼（PN）序列,發(fā)送頻率為L波段，通過北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為S波段發(fā)送給北斗用戶接收終端,完成一次點(diǎn)對點(diǎn)的通信。反向發(fā)送過程亦然，通信流程為：短報(bào)文用戶發(fā)送端首先將包含接收方ID號和通信內(nèi)容的通信申請信號加密后通過北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)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(bào)文通信的流程示意圖如圖2所示。

圖2 北斗系統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)雙向報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸示意圖

在北斗系統(tǒng)衛(wèi)星通信點(diǎn)對點(diǎn)雙向報(bào)文信息傳輸工作方式中，還有一種點(diǎn)對多點(diǎn)的“通播”（廣播）工作方式,即在一個(gè)北斗用戶群（用戶系統(tǒng)）中，將其中的一個(gè)測站作為主站（中心站），將其終端設(shè)備號碼寫入本群中其它測站（從站）的終端設(shè)備的映像地址中，當(dāng)此主站作通播方式發(fā)送信息時(shí)，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(shí)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(gòu)成點(diǎn)對多點(diǎn)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(shí)自報(bào)后一定時(shí)間內(nèi)，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(bào)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(shí)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(shí)間內(nèi)沒有接收到回執(zhí)，則延時(shí)一段時(shí)間再發(fā)送一次，以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。如果用戶系統(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(shí)收到主站的回執(zhí)。

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

①服務(wù)區(qū)域。北斗二代區(qū)域系統(tǒng)的公開服務(wù)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(bào)文通信功能允許用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間進(jìn)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(gè)漢字（80個(gè)字節(jié)）,經(jīng)核準(zhǔn)的用戶可利用連續(xù)傳送方式,最多一次可傳送120個(gè)漢字（240個(gè)字節(jié)，480個(gè)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(diào)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(jī)碼（PN）擴(kuò)頻調(diào)制方式。⑥用戶終端類型和服務(wù)頻度。北斗用戶終端類型和服務(wù)頻度由授權(quán)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(jī)（5～10）min服務(wù)1次，二類同戶機(jī)（10～6）0s服務(wù)1次，三類同戶機(jī)（1～5）s服務(wù)1次。

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

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

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

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

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