加強(qiáng)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的幾點(diǎn)試探性建議

北京航空航天大學(xué) 穆 雪

63623部隊(duì) 惠爭(zhēng)虎 焦國(guó)輝

一、引言

GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），自其誕生之日起就注定會(huì)成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國(guó)地位和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。目前，有四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo、中國(guó)的BDS。除了以上四大全球系統(tǒng)，另外還有一些區(qū)域系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)，比如日本的QZSS（準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)）、MSAS（多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)），印度的IRNSS（印度無(wú)線電導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）、GAGAN（GPS和GEO靜地增強(qiáng)系統(tǒng)）等。預(yù)計(jì)到2014年，將有80多顆導(dǎo)航衛(wèi)星在軌服務(wù)。其中，GPS發(fā)展比較成熟，應(yīng)用比較廣泛，目前正在經(jīng)歷現(xiàn)代化改進(jìn)。GPS的出現(xiàn)為人們帶來(lái)了很大的方便，但是該系統(tǒng)也有其固有的缺點(diǎn)，例如不能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，無(wú)法完成定位與通信的結(jié)合等。美國(guó)為了解決上述問(wèn)題，研制出了一系列的技術(shù)，其中A-GPS（網(wǎng)絡(luò)輔助的全球定位系統(tǒng)）技術(shù)是通過(guò)地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航定位的一種技術(shù)，該技術(shù)中定位終端可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)獲取定位所需的星歷信息，縮短了首次定位時(shí)間，減少了定位終端的工作量。但是A-GPS技術(shù)仍然無(wú)法很好地解決室內(nèi)定位問(wèn)題。GPSONE技術(shù)是基于GPS和CDMA蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的混合定位技術(shù)，在接收不到GPS信號(hào)時(shí)采用CDMA基站進(jìn)行定位，這個(gè)技術(shù)可以解決GPS定位盲區(qū)多的缺點(diǎn)，在室內(nèi)或地下停車場(chǎng)等收不到衛(wèi)星信號(hào)的地方可以采用CDMA網(wǎng)絡(luò)的三角定位方法，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、室外定位。但是其定位精度仍然與衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)，仍然無(wú)法很好地解決室內(nèi)定位的問(wèn)題。

二、中國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1. 北斗系統(tǒng)（BDS）

1994年，中國(guó)開(kāi)始對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（又稱北斗一代）進(jìn)行研制，至2003年完成了具有區(qū)域?qū)Ш侥芰Φ谋倍沸l(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)。北斗一代具有有源定位、短報(bào)文通信的功能。它的定位原理是利用兩顆靜止軌道（GEO）衛(wèi)星以及地面的高程輔助信息實(shí)現(xiàn)定位。首先地面主控站向衛(wèi)星1和衛(wèi)星2同時(shí)發(fā)送詢問(wèn)信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播，用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問(wèn)信號(hào)，并且同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，此時(shí)的響應(yīng)信號(hào)中包含有用戶的申請(qǐng)服務(wù)，響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向主控站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，主控站接受、解調(diào)用戶發(fā)送的信息，根據(jù)用戶的申請(qǐng)服務(wù)，主控站進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理。處理完成后，處理結(jié)果再經(jīng)由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給接收機(jī)。

2004年，中國(guó)啟動(dòng)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System）縮寫為BDS，工程代號(hào)為北斗二號(hào)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制目標(biāo)是至2020年建成由35顆衛(wèi)星組成的、覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。至2012年年底，北斗二號(hào)已經(jīng)發(fā)射了成功發(fā)射了16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，其中有14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)，分別是5顆靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，5顆傾斜軌道（ISGO）衛(wèi)星，4顆中圓軌道（MEO）衛(wèi)星。北斗二號(hào)保留了北斗一號(hào)的有源定位、短報(bào)文通信功能，并且還具有無(wú)源定位、授時(shí)、測(cè)速等功能。北斗二號(hào)目前工作穩(wěn)定，它驗(yàn)證了混合星座的可行性。北斗二號(hào)中的靜止軌道（GEO）衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)及周邊區(qū)域的覆蓋，傾斜軌道（IGSO）衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了對(duì)高緯度地區(qū)的覆蓋，中圓軌道（MEO）衛(wèi)星可以保證未來(lái)的全球覆蓋能力。正是由于星座中有了靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，才使得北斗二號(hào)具有有源定位和短報(bào)文通信的功能。

北斗二號(hào)的有源定位原理與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）的定位原理基本相似，即通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星至接收機(jī)的偽距，利用3球交匯法實(shí)現(xiàn)定位。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 北斗二號(hào)無(wú)源定位原理

衛(wèi)星向接收機(jī)發(fā)送衛(wèi)星信號(hào)，接收機(jī)收到衛(wèi)星信號(hào)之后，可以計(jì)算出信號(hào)經(jīng)由衛(wèi)星至接收機(jī)的傳播時(shí)延TΔT，由于衛(wèi)星在軌位置接收機(jī)可以通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文計(jì)算得到，進(jìn)而接收機(jī)可以利用公式TCRΔ×=得到衛(wèi)星至接收機(jī)的距離。此時(shí)，接收機(jī)位于以該衛(wèi)星為中心，衛(wèi)星至接收機(jī)的距離為半徑的一個(gè)球面上，理論上，利用三顆衛(wèi)星，三球相交，即可得到接收機(jī)的位置。但是由于衛(wèi)星時(shí)鐘與北斗時(shí)之間存在鐘差，接收機(jī)的時(shí)鐘與北斗時(shí)之間也有鐘差，并且還包括電離層、對(duì)流層的延時(shí)，所以接收機(jī)測(cè)得的距離并不是真實(shí)的衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，所以此測(cè)量距離稱為偽距。其中，星上的時(shí)鐘與北斗時(shí)之間的鐘差，電離層、對(duì)流層的傳播時(shí)延接收機(jī)可以通過(guò)一定的模型公式進(jìn)行計(jì)算。但是接收機(jī)與北斗時(shí)的鐘差是未知量，在計(jì)算接收機(jī)位置時(shí)作為未知數(shù)被引入，所以實(shí)際定位中，必須利用四顆衛(wèi)星才能進(jìn)行定位。

具體的計(jì)算公式為

其中，R1，R2，R3，R4為衛(wèi)星至接收機(jī)的偽距，由接收機(jī)測(cè)得；(x1，y1，z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)為衛(wèi)星的在軌位置，接收機(jī)通過(guò)導(dǎo)航電文也可以計(jì)算得知；(xu,yu,zu)為用戶接收機(jī)的位置，是需要計(jì)算的未知量；Δtu為用戶接收機(jī)與北斗時(shí)的鐘差，也是需要計(jì)算的未知量。

2. 中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)（CAPS）

CAPS系統(tǒng)是由中國(guó)科學(xué)院研制的，其全稱是“中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)（Chinese area positioning system）”。CAPS是基于轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的理念，即導(dǎo)航電文及測(cè)距碼在地面中心產(chǎn)生，上行至衛(wèi)星，利用衛(wèi)星上的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，再下行廣播給用戶定位。它可以通過(guò)租用商業(yè)同步軌道衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，并以地面氣壓高度計(jì)作為輔助，實(shí)現(xiàn)三維定時(shí)定位。這樣，系統(tǒng)就可以少發(fā)射甚至不發(fā)射專門的導(dǎo)航衛(wèi)星，而利用商用的通信衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座。CAPS系統(tǒng)選用了同步軌道（GEO）通信衛(wèi)星、傾斜軌道（IGSO）通信衛(wèi)星，以及退役的同步軌道衛(wèi)星演變成的小傾角傾斜軌道（SIGSO）通信衛(wèi)星，組成CAPS通信導(dǎo)航星座。CAPS系統(tǒng)上的衛(wèi)星沒(méi)有星載原子鐘，只需在地面控制中心安裝高精度的原子鐘，地面控制中心將發(fā)射時(shí)刻的精確時(shí)間利用導(dǎo)航電文經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算即可進(jìn)行授時(shí)。由于地面原子鐘受相對(duì)響應(yīng)的影響比較小，所以CAPS的這種方法降低了星載原子鐘由于相對(duì)效應(yīng)所帶來(lái)的誤差。2005年6月份時(shí)，測(cè)量的CAPS系統(tǒng)的定位精度粗碼已經(jīng)達(dá)到20m左右，精碼達(dá)到10m左右，其定位精度與當(dāng)時(shí)的GPS民用碼相當(dāng)。

北斗一號(hào)與CAPS均屬于轉(zhuǎn)發(fā)式定位系統(tǒng)。轉(zhuǎn)發(fā)式定位系統(tǒng)的衛(wèi)星采用GEO衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行速度慢，漂移范圍較小，不僅有利于接收機(jī)的研發(fā)，而且有利于授時(shí)。北斗一號(hào)利用兩顆GEO衛(wèi)星可以提供雙向授時(shí)和單向授時(shí)的功能，雙向授時(shí)由于用戶數(shù)量受到限制不利于推廣，單向授時(shí)雖然可以大范圍推廣，但是必須知道接收機(jī)的位置。

CAPS系統(tǒng)采用地面高精度原子鐘作為基準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，可以避免星載原子鐘相對(duì)效應(yīng)的影響。作為時(shí)頻基準(zhǔn)的地面原子鐘的穩(wěn)定度可以達(dá)到10-13～10-15s，而衛(wèi)星上的原子鐘由于受相對(duì)論的影響，一般穩(wěn)定度只能達(dá)到10-12～10-13s的水準(zhǔn)。北斗一號(hào)、CAPS等轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星定位系統(tǒng)雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是也只能在一定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。

三、未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

1.“三結(jié)合，一體化”

GPS系統(tǒng)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但是它的用戶接收機(jī)只能顯示終端的位置信息而無(wú)法通信。衛(wèi)星移動(dòng)電話可以實(shí)現(xiàn)通信，但是它不具備定位導(dǎo)航的能力。AGPS，GPSONE等技術(shù)雖然在一定程度上解決了定位與通信相結(jié)合的問(wèn)題，并且還能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，但是導(dǎo)航衛(wèi)星與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，過(guò)分依賴地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，一旦地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)遭到破壞，該技術(shù)體現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)將無(wú)法使用。

相比而言，BDS在導(dǎo)航、通信結(jié)合方面就有優(yōu)勢(shì)，例如在四川蘆山地震中，地面通信網(wǎng)絡(luò)中斷，救援官兵依靠北斗進(jìn)行通信，救援部隊(duì)不僅知道自己所在的明確位置而且還可以將自己的位置報(bào)告給指揮中心，指揮中心也可以通過(guò)北斗系統(tǒng)向救援部隊(duì)下發(fā)指令，確保了抗震救災(zāi)工作的順利進(jìn)行。BDS具有通信的優(yōu)勢(shì)，但是該優(yōu)勢(shì)只能在特定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，還不能推廣到全球范圍內(nèi)，并且只依靠BDS系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

CAPS能夠?qū)崿F(xiàn)高精度授時(shí)，并且利用轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn)通信功能，但是該通信功能也只在特定的區(qū)域內(nèi)有效。CAPS的主體衛(wèi)星是GEO衛(wèi)星，如果沒(méi)有IGSO衛(wèi)星，它的幾何構(gòu)型較差，定位精度較低，并且該系統(tǒng)還需要地面的輔助才能實(shí)現(xiàn)定位。

綜上所述，未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航通信相結(jié)合、天空地面相結(jié)合、室內(nèi)室外相結(jié)合的“三結(jié)合、一體化”趨勢(shì)。即利用一套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的、室內(nèi)外相結(jié)合的集導(dǎo)航、通信于一體的功能。天空與地面完美的相結(jié)合，互為備份，能夠?qū)崿F(xiàn)星間通信、星地通信、地面間通信的天地通信大回路，當(dāng)天空系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以迅速高效地轉(zhuǎn)為地面系統(tǒng)，反之亦然。其中的通信功能也不僅僅局限于短報(bào)文通信，還應(yīng)包括圖像通信、語(yǔ)音通信等功能。與地面網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合應(yīng)該包括與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的雙重結(jié)合。

2. 多系統(tǒng)兼容互操作

衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了天空中衛(wèi)星數(shù)目的增多，導(dǎo)航衛(wèi)星能夠使用的頻段具有局限性。目前，四大導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的頻點(diǎn)非常接近，有些甚至重合。未來(lái)的衛(wèi)星導(dǎo)航必須能夠?qū)崿F(xiàn)兼容性和互操作性，即實(shí)現(xiàn)同一個(gè)用戶端可以接受不同導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，并且能夠綜合利用所接收到的不同的衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度的定位。

除了在導(dǎo)航衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)兼容互操作性之外，這里所說(shuō)的兼容互操作還應(yīng)包括其他的非導(dǎo)航衛(wèi)星，如移動(dòng)通信衛(wèi)星、直播星等。通過(guò)這些非導(dǎo)航衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星的相結(jié)合，利用轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星的思路，實(shí)現(xiàn)圖像、語(yǔ)音的全球化通信。也許在不久的將來(lái)，家長(zhǎng)們可以通過(guò)導(dǎo)航衛(wèi)星與直播星結(jié)合的系統(tǒng)，利用電視實(shí)時(shí)接收到孩子們所處的位置（不僅有具體位置，還有圖像），也可以通過(guò)電視與孩子們進(jìn)行語(yǔ)音通信。

四、對(duì)北斗系統(tǒng)發(fā)展的建議

目前，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仍處于發(fā)展階段，它具備了其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所不具有的短報(bào)文通信優(yōu)勢(shì)。處于發(fā)展階段的北斗相比于已經(jīng)布網(wǎng)完善的GPS來(lái)說(shuō)，在與未來(lái)發(fā)展相適應(yīng)的層面上應(yīng)該更具有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楸倍废到y(tǒng)可以根據(jù)未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)一步步組建系統(tǒng)，而GPS只能在現(xiàn)有的組網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善。下面對(duì)BDS的發(fā)展提供一些試探性建議：

（1）爭(zhēng)取在全球布設(shè)測(cè)控網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)中軌衛(wèi)星的高測(cè)控率。同時(shí)要研究星間鏈路通信，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高效能的自主導(dǎo)航能力?？梢钥紤]建立太空測(cè)控網(wǎng)，即利用類似于天宮一號(hào)的空間實(shí)驗(yàn)室作為空間測(cè)控中心，向衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航電文信息。該空間測(cè)控中心與地面測(cè)控中心相連，實(shí)現(xiàn)天空、地面的互相通信并且互為備份。

（2）加快BDS與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合建設(shè)，加快組合導(dǎo)航的發(fā)展（如慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航的結(jié)合）。綜合利用組合網(wǎng)絡(luò)、組合導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的、連續(xù)的、無(wú)縫導(dǎo)航定位。例如，當(dāng)收不到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)可以利用地面網(wǎng)絡(luò)輔助定位，當(dāng)既收不到衛(wèi)星信號(hào)并且地面網(wǎng)絡(luò)遭到破壞后，可以利用組合導(dǎo)航進(jìn)行一定時(shí)間的定位，直至重新收到衛(wèi)星信號(hào)。

（3）利用轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球的導(dǎo)航通信，對(duì)于民用用戶，可以租用在中國(guó)領(lǐng)土上空之外的商用GEO衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，用戶端可以利用該衛(wèi)星將定位結(jié)果傳至另一用戶，真正實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的全球化通信。

（4）利用1顆轉(zhuǎn)發(fā)式GEO衛(wèi)星與3顆北斗MEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位?？梢岳玫孛嬖隅娕c1顆GEO衛(wèi)星對(duì)用戶進(jìn)行高精度授時(shí)，當(dāng)然此時(shí)需要知道用戶的位置。當(dāng)用戶的位置是未知時(shí)，用戶的概略位置可以通過(guò)3顆MEO衛(wèi)星計(jì)算得到。利用該概略位置可初步解算得到用戶的鐘差，然后再進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，當(dāng)計(jì)算誤差小于某一門限值時(shí)，迭代運(yùn)算即可結(jié)束，即可實(shí)現(xiàn)用戶的精確定位與授時(shí)。當(dāng)用戶的位置是已知時(shí)，利用該方法可以實(shí)現(xiàn)精確授時(shí)，繼而可以為其他用戶提供差分改正項(xiàng)。由于3顆GEO衛(wèi)星即可覆蓋全球（南北極除外），這樣就可以利用較少的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的定位、授時(shí)。

（5）加大接收機(jī)芯片的研究力度。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)導(dǎo)航通信功能的相結(jié)合，用戶端的接收機(jī)必須能夠發(fā)射信號(hào)。所以要致力于接收機(jī)發(fā)射芯片的研究，爭(zhēng)取研制出集成度高、抗干擾能力強(qiáng)的芯片。

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