北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)IGSO星增加RDSS功能問題探討*

劉 穎 劉根友 陳曉峰 郝曉光 施柏山 胡小剛

(1)中國人民解放軍96616部隊，北京 100085 2)中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢 430077 3)第二炮兵裝備研究院，北京100085)

北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)IGSO星增加RDSS功能問題探討*

劉 穎1)劉根友2)陳曉峰3)郝曉光2)施柏山3)胡小剛2)

(1)中國人民解放軍96616部隊，北京 100085 2)中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢 430077 3)第二炮兵裝備研究院，北京100085)

基于“北擴問題”建議的現(xiàn)實意義，考慮到RDSS業(yè)務(wù)提供的位置報告、短信息通信顯著的社會應(yīng)用價值，提出北斗二代的RDSS業(yè)務(wù)覆蓋范圍宜早向北擴展，建議在IGSO星上加載RDSS功能以實現(xiàn)。從需求角度討論了RDSS功能向北擴展的必要性。

北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);向北擴展;IGSO星;RDSS功能;短信息通信

1 前言

2004年9月，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡稱北斗二代)建設(shè)啟動，文獻(xiàn)［1，2］即指出，作為區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗二代在星座設(shè)計上存在高緯度覆蓋不足問題，并建議將二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“中國及周邊地區(qū)”覆蓋范圍向北極方向延伸，以保證國防建設(shè)的基本需求。其后又具體提出“增星”以實現(xiàn)向北擴展。該方案基于現(xiàn)有二代星座設(shè)計改變不大，又同時滿足向北延伸的需要，其途徑是通過增加IGSO衛(wèi)星的數(shù)量和軌道傾角來實現(xiàn)［1］。根據(jù)該建議在我國二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍設(shè)計中實現(xiàn)了向北擴展。

即將投入運行的北斗二代集成了衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)和無線電導(dǎo)航衛(wèi)星業(yè)務(wù)(RDSS*RNSS)兩種體制，不但具有GPS等系統(tǒng)的RNSS功能，還具有通信及位置報告服務(wù)功能。RDSS*RNSS兩種業(yè)務(wù)體制的集成使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)解決了“何人、何時、何處”的相關(guān)問題，實現(xiàn)了位置報告、態(tài)勢共享［3］。

北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)域覆蓋后，其RDSS功能仍局限于“區(qū)域范圍”概念中有限區(qū)域內(nèi)，即對我國及周邊地區(qū)可以提供短報文和差分完好性服務(wù)［4］。這是由于目前只有GEO衛(wèi)星搭載RDSS功能，故僅在GEO衛(wèi)星星座有效覆蓋區(qū)域可以使用RDSS功能，向北覆蓋范圍止于北緯55°?？紤]到RDSS業(yè)務(wù)可提供的短信息通信、雙向授時、定位及位置報告服務(wù)在北極地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的商業(yè)及軍事價值，我們認(rèn)為應(yīng)將RDSS服務(wù)覆蓋范圍向北擴展，以利于我國在北冰洋地區(qū)軍事和民用需求，并為改善該地區(qū)通信資源缺乏狀況做出貢獻(xiàn)，使北斗二代的“北擴”意義完全貫徹。

2 變熱的北極

2007年以來的衛(wèi)星圖片顯示，全球暖化使北極冰層融化的速度大大超過科學(xué)家之前的預(yù)期。北冰洋的“東北航道”、“西北航道”可以在夏季通航已成現(xiàn)實。聯(lián)合國一份報告指出，極地冰蓋消退也許會使北極航線適于商業(yè)航運，可能會將東北亞港口與北歐或中歐港口或北美東海岸港口之間的距離縮短多達(dá)4 000海里［5］。北極航道貫通將成為大西洋和太平洋之間最短的通航，蘊含極大的商業(yè)利益。北極地區(qū)有目前全世界30%的天然氣、13%的石油和9%優(yōu)質(zhì)煤，海冰融化，凍土層解凍對資源的開采變得可以實現(xiàn)。豐厚的資源儲備和航線價值，使得北極地區(qū)戰(zhàn)略價值凸顯。

地理環(huán)境的改變必然帶來地緣政治和軍事策略的變化。海冰融化，北冰洋將成為美俄彼此最短的海上通道。通過北極還是美國和俄羅斯的重要戰(zhàn)略地區(qū)之間的最短空中航線。因此兩國都重點圍繞該地區(qū)建立了遠(yuǎn)程早期預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)今世界上的有核國家和軍事強國都分布在北半球，北冰洋是亞洲、歐洲、北美洲的頂點，擁有聯(lián)系三大洲最短大圓航線，“西北航道”通航將變成真正聯(lián)通西太平洋和大西洋的“艦隊高速公路”。北極地區(qū)常年停泊的世界幾個大國的水面艦隊和核潛艇，可以籍此往來大西洋和太平洋。

我國作為一個近北極國家，北極環(huán)境變化對我國國家安全有著復(fù)雜而深刻的影響。北極航道的開通將使我國的國際航運和外貿(mào)從中受益。瑞典斯德哥爾摩國際和平研究所(SIPRI)發(fā)布的一份報告，評估了我國在北極科考方面的進(jìn)展以及北極對我國的經(jīng)濟與戰(zhàn)略意義。報告說從經(jīng)濟方面來看，通過北極的所謂東北和西北航線進(jìn)行貨物運輸，可以大大減少從中國到歐洲和美國的航程。以上海到漢堡為例，東北航線將節(jié)省6 400千米的航程。由于中國出口貨物運輸一半依靠海運，所以，新航線具有重要意義［6］。

北冰洋海冰融化，意味著在我國的背后出現(xiàn)了一條“艦隊高速公路”，對國家安全構(gòu)成威脅。北京經(jīng)北極直飛紐約的航線為11 000千米，比傳統(tǒng)的太平洋航線減少8 000千米，是北京飛紐約同類航線中最短的一條。這當(dāng)然也是我國東部和北美地區(qū)之間空中運載工具的最短航程。所以說北極地區(qū)須成為我國國土安全重點關(guān)注和防范地區(qū)。

3 北斗二代RDSS業(yè)務(wù)在北極地區(qū)的應(yīng)用前景

3.1 北極地區(qū)衛(wèi)星導(dǎo)航、通信的需求情況

文獻(xiàn)［7，8］指出，由于缺乏衛(wèi)星覆蓋，北極地區(qū)可供文字或數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線或衛(wèi)星通信嚴(yán)重不足。北極大部分地區(qū)缺乏對救援和污染控制的緊急響應(yīng)能力，只有極少量的系統(tǒng)能為那些在融冰覆蓋的海面上的船只提供幫助。在白令海峽區(qū)域，沒有有效的甚高頻調(diào)頻通信服務(wù)，盡管白令海區(qū)域在GPS完全覆蓋范圍，但由于GPS星座缺乏對高緯度的優(yōu)化配置，導(dǎo)致其定位精度下降，而差分GPS覆蓋不到這一地區(qū)。因為同樣問題，使得北極地區(qū)那些在融冰之間穿行的船只海上通行管理變得困難。保證航運安全所必須的天氣、海面特別是冰山情況的信息在這里不能得到保障，隨著通航期的延長，船運量日益增加，海上導(dǎo)航、定位、通信和救生等能力不足變得愈加嚴(yán)重。人類活動的增加又加劇了該地區(qū)的環(huán)境變化，本來脆弱生態(tài)環(huán)境因監(jiān)測手段不足很可能不能得到及時保護。

特別是伴隨北極地區(qū)海事、航空、科學(xué)研究、礦產(chǎn)開采等增加，北極地區(qū)的衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和通信能力急需得到改善。為此歐共體提出了一項針對北極地區(qū)的衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域增強計劃，但是預(yù)期要到2020年才能實現(xiàn)［9］。

由于現(xiàn)有的GPS、GLONASS和區(qū)域增強系統(tǒng)均缺乏對北極地區(qū)有效覆蓋，該地區(qū)迫切需要衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和通信資源等服務(wù)，尤其是通信服務(wù)。

3.2 北斗二代的RDSS業(yè)務(wù)在北極地區(qū)應(yīng)用展望

RDSS技術(shù)體制支持的服務(wù)為移動用戶提供準(zhǔn)確的定位和基本實時的雙向信息傳輸，可進(jìn)行交通監(jiān)視、艦隊管理、導(dǎo)航、態(tài)勢偵察、信息發(fā)布等等。

比較現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國的北斗二代是唯一能同時提供PVT和通信服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。按“北擴問題”建議設(shè)計實現(xiàn)的北斗二代覆蓋范圍能夠有效覆蓋北緯75°范圍區(qū)域［1］。

在航空領(lǐng)域，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入ICAO標(biāo)準(zhǔn)的制訂與審查工作程序。根據(jù)ICAO規(guī)劃，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于CNS/ATM，支持通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、空中交通管理(ATM)，導(dǎo)航衛(wèi)星高精度時鐘，可以用于民航通信同步授時。而北斗二代所特有的短報文通信功能，可用于對航空器的監(jiān)視和生命救援;在航海領(lǐng)域，為授權(quán)用戶提供位置查詢和信息服務(wù)，使用戶及時得到海冰、氣象等至關(guān)重要的信息，為海上救生鎖定搜救范圍;在陸地，遠(yuǎn)離人居外出作業(yè)的人員能夠及時發(fā)出和接受信息，降低意外風(fēng)險等等。北斗系統(tǒng)雙向授時精度達(dá)到20 ns，在目前世界上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中授時精度最高。這樣的精度使得定位精度極大提高，可以讓越來越忙碌的北極天空飛行變的更安全，或?qū)б豁樌ㄟ^飄滿浮冰的航道。

北極地區(qū)自然條件嚴(yán)酷，野外作業(yè)充滿風(fēng)險。RDSS業(yè)務(wù)能提供相對安全的作業(yè)和信息化手段，例如借助無人機承擔(dān)觀測、勘察工作。安裝有RDSS功能北斗終端的無人機既可接受衛(wèi)星導(dǎo)航，又可將觀測、偵察得到的圖像發(fā)回［9］。通過設(shè)置北斗終端，可以對裝置區(qū)域環(huán)境變化情況及時采集，這些數(shù)據(jù)對感知環(huán)境變化及時采取保護措施是非常重要的。

此外，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的同時，能做到安全服務(wù)。北斗二代包括開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式。開放服務(wù)是向全球免費提供定位、測速和授時服務(wù)。是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。RDSS提供的位置報告和短信息通信屬于授權(quán)服務(wù)，因此原則上具有安全保障。

4 在IGSO星上增加RDSS功能的可行性

4.1 IGSO星軌跡特點是選擇用以增加RDSS功能的主要因素

北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是MEO+GEO+IGSO星構(gòu)成的混合星座。IGSO星星下點軌跡呈“8”字形軌道，中心位于赤道某設(shè)定的經(jīng)度上，衛(wèi)星星下點24小時軌跡在本服務(wù)區(qū)內(nèi)南北來回運動，相對于GEO、IGSO星可以對高緯度地區(qū)有效覆蓋，其高度與地球靜止軌道衛(wèi)星相同，是一種利用效率較高的區(qū)域星座。GEO+MEO星星座主要覆蓋中低緯度地區(qū)，對高緯度地區(qū)覆蓋效果較差，GPS就是一個實例。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用IGSO星座設(shè)計解決了高緯度地區(qū)的覆蓋問題。IGSO衛(wèi)星存在經(jīng)度限制，即局限在既定經(jīng)度區(qū)域內(nèi)使用，但北斗二代IGSO星座軌道可整體移動，通過軌道轉(zhuǎn)移技術(shù)控制衛(wèi)星軌道升交點東向或西向漂移(圖1)，使關(guān)切區(qū)域得到增強［10］。

圖1 IGSO可整體移動，使關(guān)切區(qū)域得到增強Fig.1 IGSO orbital route can shift under control

盡管IGSO星不像GEO星對可覆蓋區(qū)域的可視時間達(dá)到全天24小時，但相對于MEO星其區(qū)域可視時間要長得多，有利于完成IGSO星與地面點之間的通訊和星間通訊轉(zhuǎn)換。北斗二代采取境內(nèi)設(shè)地面觀測站+星間雙向時間同步觀測，實現(xiàn)全球高精度星歷控制;GEO星、IGSO星星地鏈路構(gòu)建穩(wěn)定星間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合運行模式，三種不同高度的衛(wèi)星組網(wǎng)構(gòu)成統(tǒng)一星間鏈路管理模式［3］。北斗二代現(xiàn)有三顆在軌工作的IGSO星(和一個備份星)，按計算，南北半球高緯度區(qū)域能保持至少可見一顆IGSO星，俟第四顆IGSO星入軌，則保持最少兩顆可見星。此時，對于北半球，IGSO星正位于地心緯度55°N上空。而此情況下IGSO星至少能與在軌的三顆GEO星中的兩顆共視。還需要考慮地面監(jiān)測站的可視情況。經(jīng)計算，以我國境內(nèi)最低緯度的三亞站，IGSO星運行在地心緯度55°N的地球上空時，和三亞站仍然是可視的，說明以目前國內(nèi)地面站設(shè)置情況，不需要星間鏈路即能夠支持高緯度地區(qū)使用RDSS的通信業(yè)務(wù)。

還有一點非常重要。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中IGSO星、GEO星均采用了東方紅三號B(DFH-3B)平臺［13］，也就是說IGSO星和GEO星有相同的基本體系結(jié)構(gòu)，理論上，在IGSO衛(wèi)星上增置S/L波段天線，對原衛(wèi)星平臺設(shè)計的可靠性和技術(shù)指標(biāo)完好性基本沒有影響。

4.2 導(dǎo)航與通信一體化是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢

為解決對導(dǎo)航與通信一體化的迫切需要，最近幾年，各國都在探索能夠在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)PVT服務(wù)和實時通信服務(wù)的有效途徑。美國正著手第三代GPS升級，希望能實現(xiàn)導(dǎo)航與通信一體化集成。美國目前的做法為附加系統(tǒng)辦法，即導(dǎo)航系統(tǒng)+通信系統(tǒng)的方式，美國希望在第三代或第四代中實現(xiàn)集成;Galileo在設(shè)計之初即將救生系統(tǒng)納入體系之中，由于Galileo計劃的實施一直很曲折，形成能力還須時日，而我國在這方面已經(jīng)取得了很好的應(yīng)用成果。

北斗運用RDSS功能是一項技術(shù)創(chuàng)新性使用。北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從體制上實現(xiàn)RDSS*RNSS兩種體制嵌入式集成，從技術(shù)結(jié)構(gòu)上真正實現(xiàn)了導(dǎo)航與通信集成;RNSS應(yīng)用與RDSS定位及位置報告形成一體化［2］?，F(xiàn)在RDSS*RNSS兩種體制集成只在GEO星上完成。我們認(rèn)為把RDSS功能向IGSO星座擴展，使IGSO星座的功能獲得增值，對全系統(tǒng)實現(xiàn)導(dǎo)航與通信集成將是有益的實踐。

5 結(jié)語

基于北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍“北擴問題”的意義和北極地區(qū)對我國蘊含的重大戰(zhàn)略價值，建議在北斗二代IGSO星座上增加RDSS功能，使RDSS功能覆蓋范圍實現(xiàn)向北擴展。高緯度一直是美國GPS的軟肋，用于北美的區(qū)域增強系統(tǒng)對北極地區(qū)不能形成有效覆蓋;Galileo不能在近期提供服務(wù);GLONASS在建設(shè)初期過分強調(diào)軍用，雖然正在努力彌補其兼容性但不可能一蹴而就。北極地區(qū)導(dǎo)航定位和通信能力缺乏和急需成為亟待的解決的問題。我國北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)高，服務(wù)內(nèi)容豐富，有良好的兼容性，增強性區(qū)域覆蓋可向該地區(qū)提供急需的服務(wù)。北極地區(qū)對我國經(jīng)濟利益和國家安全有重要戰(zhàn)略意義，也需要我國以積極的態(tài)度參與北極事務(wù)，中國是一個非極地國家，但受北極地區(qū)變化影響較為直接的國家，所以我們必須用自己的技術(shù)為我們提供良好的服務(wù)。

1 劉根友，等.對我國二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍向北擴展星座方案的探討［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2007，(5):115-118.(Liu Genyou，et al.On constellation scheme of 2nd generation of China satellite navigation system for northward extending coverage range［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(5):115-118)

2 郝曉光，等.中國二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計覆蓋范圍的探討［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2007，(1):119-122.(Hao Xiaoguang，et al.On designed coverage of 2nd generation of China satellite navigation system［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(1):119-122)

3 譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考［J］.宇航學(xué)報，2008，29(2):391-396.(Tan Shusen.Development and thought of Compass satellite navigation system［J］.Journal of Astronautics，2008，29(2):391-396)

4 孫家棟.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展之路［J］.太空探索，2010，241(7):32-34.(Sun Jiadong.The development approach of Beidou satellite navigation system［J］.Space Exploration，2010，(7):32-34.)

5 聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會第十九屆會議秘書長報告.加速實施進(jìn)展的政策選項和行動:交通運輸［R］.2011，E/ CN.17/2011/4.:14.(Policy options and actions for expediting progress in implementation:transport［R］.Commission on Sustainable Development Nineteenth Session，2011，E/ CN.17/2011/4.:19)

6 Linda Jakobson.China prepares for an ice?free arctic［R/ OL］.SIPRI Insights on Peace and Security No.2010/2.http://books.sipri.org/files/insight/SIPRIInsight1002.pdf.

7 Arctic Marine Shipping Assessment 2009 Report［R/OL］.Arctic Council.2009，second printing.http://arcticcouncil.org/workarea/the_arctic_meetings_tromso_april_ 2009/filearchive/amsa2009report.pdf.

8 ITT issued for study to explore communications in the Arctic［EB/OL］.European Space Agency，10 Dec 2009.http:// telecom.esa.int/telecom/www/object/index.cfm?fobjectid =30107.

9 譚述森，陳向東.精確制導(dǎo)彈載實時攝影測量戰(zhàn)場評估系統(tǒng)［J］.無線電工程，2008，38(7):36-38.(Tan Shusen and Chen Xiangdong.Battlefield evaluation system by precision guided missile-borne real-time photogrammetric survey［J］.Radio Engineering，2008，38(7):36-38)

10 許其鳳.北斗全球?qū)Ш叫亲膮^(qū)域增強［R/OL］.第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會會議報告，2010.http://www.beidou.gov.cn/attach/2010/07/14/20100714920b5bee9d d44bdea2462e2c01ea003b.ppt.(Xu Qifeng.The constellation of Beidou satellite navigation system regional enhanced［R/OL］.The 1st China Satellite Navigation Conference， 2010)

11 袁家軍.發(fā)揮中國航天系統(tǒng)工程優(yōu)勢建造國際一流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［R/OL］.第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會會議報告，2010.http://www.beidou.gov.cn/attach/2010/ 07/01/20100701b0196e9f4b5c423d8adef9cc74dd3efb.ppt (Yuan Jiajun.Building an advanced satellite navigation system relying on advantages of Chinese aerospace systems engineering［R/OL］.The 1st China Satellite Navigation Conference，2010)

DISCUSSION ON ADDING RDSS TO IGSO SATELLITE IN 2ND GENERATION BEIDOU NAVIGATION SATELLITE SYSTEM

Liu Ying1)，Liu Genyou2)，Chen Xiaofeng3)，Hao Xiaoguang2)，Shi Boshan3)and Hu Xiaogang2)

(1)The Unit 96616 of PLA，Beijing 100085 2)Institute of Geodesy and Geophysics，CASE，Wuhan 430077 3)Materiel Research Establishment，Second Artillery，Beijing100085)

Considering the real significance of the recommendation of“northward extending coverage area”，and that the position report service and short message service by using RDSS offer great societal benefits，we put forward the suggestion in favor of northward extending the RDSS service coverage area of the 2nd generation BEIDOU/COMPASS navigation satellite system，and adding RDSS function to IGSO satellite belong BEIDOU constellations.In addition，the necessity and feasibility of the suggestion are dealed with.

the 2nd generation BEIDOU satellite navigation system;extending northward;IGSO satellite;RDSS (Radio Determination Satellite Service);short message service

1671-5942(2012)03-0072-04

2011-11-08

國家自然科學(xué)基金(40974013，41174022)

劉穎，女，1964年生，博士生，主要研究方向為武器效能分析和軍事需求論證.E-mail:m2starry@yahoo.com

TN915.857

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