基于傾斜地球同步軌道衛(wèi)星的位置報(bào)告系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙陸文，繆志敏，徐 榮，戴衛(wèi)恒

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，南京 210007；2.解放軍理工大學(xué) 指揮信息系統(tǒng)學(xué)院，南京 210007)

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)于信息共享需求的日益旺盛，人們對(duì)基于位置的信息需求急劇飆升。不僅僅滿足于知道“我在哪里？”，很多時(shí)候需要告訴別人“現(xiàn)在我在哪兒？”以及“我這兒發(fā)生了什么事情？”。比如海洋上空發(fā)生空難，僅遇險(xiǎn)人員自己知道自身的位置沒有任何意義。必須要在第一時(shí)間內(nèi)把發(fā)生空難的位置及相關(guān)情況向?qū)嵤┚仍綀?bào)告，并不斷更新位置。若把第一個(gè)問題稱為定位，則第二、第三個(gè)問題就是位置報(bào)告(position report)。所謂位置報(bào)告就是將用戶當(dāng)前所處的地理位置及相關(guān)信息報(bào)告給與之相關(guān)的第三方。在民用領(lǐng)域，位置報(bào)告廣泛應(yīng)用于個(gè)人位置跟蹤、航空航海、遇險(xiǎn)救援、交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)等方方面面。在軍事領(lǐng)域，位置報(bào)告在決策指揮、敵我識(shí)別、單兵遇險(xiǎn)搜救、打擊效能評(píng)估、軍兵種及武器平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)等方面都扮演著非常重要的角色。從戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知到對(duì)特種車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、從搶險(xiǎn)救災(zāi)到生命救援、從危險(xiǎn)品監(jiān)視到智能交通等等，位置報(bào)告已滲透到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。

2 位置報(bào)告的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 典型的位置報(bào)告系統(tǒng)

目前已有多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告。這些手段大同小異，基本原理都是利用全球定位系統(tǒng)(global position system，GPS)獲取位置信息，爾后利用無線通信鏈路完成位置信息傳輸。比如目前廣泛使用的出租車、公交車調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，采用GPS與蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合，由GPS獲取車輛的位置、速度等信息，然后通過移動(dòng)通信網(wǎng)完成位置報(bào)告。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種GPS結(jié)合業(yè)余無線電臺(tái)架構(gòu)的自動(dòng)位置報(bào)告系統(tǒng)。這種系統(tǒng)擺脫了移動(dòng)公網(wǎng)的束縛，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)位置報(bào)告，但是傳輸距離近，只限于在一個(gè)車隊(duì)或者數(shù)千米的距離上進(jìn)行位置報(bào)告。與蜂窩通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星通信能夠大幅提高覆蓋范圍。Inmarsat-D+型終端中集成了GPS終端，可以以短報(bào)文的形式，方便地傳輸GPS輸出的位置、速度和時(shí)間信息，但是每條短報(bào)文僅能容納64比特的用戶數(shù)據(jù)[2]。美軍為了解決友軍定位、識(shí)別問題，采用GPS和衛(wèi)星通信相結(jié)合的方式，研制開發(fā)了“藍(lán)軍跟蹤系統(tǒng)”(blue force tracking，BFT)，在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)了發(fā)揮出了非常出色的作用,即裝備了BFT系統(tǒng)的部隊(duì)無一誤傷[3]。然而，BFT的位置數(shù)據(jù)每5 min才能刷新一次，且其覆蓋范圍也受租用通信衛(wèi)星的覆蓋范圍限制。目前具有更大容量、更高刷新速率的BFT-2系統(tǒng)研制工作已接近尾聲。

2.2 現(xiàn)有位置報(bào)告系統(tǒng)的不足

盡管目前各種位置報(bào)告系統(tǒng)都得到了較好的應(yīng)用，但都存在一定的局限性。概況起來主要有

(1)覆蓋范圍有限。現(xiàn)有位置報(bào)告系統(tǒng)只能覆蓋GPS和通信系統(tǒng)共同覆蓋的區(qū)域。由于GPS基本實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，其覆蓋范圍主要受限于通信系統(tǒng)的覆蓋范圍。目前的陸地蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)僅能覆蓋地球表面的2%。因此，GPS與蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)合的位置報(bào)告方式在海洋、荒漠、原始森林等廣大人煙稀少的地方都無法使用。

(2)存在“城市峽谷”效應(yīng)。雖然在全球大部分地區(qū)GPS系統(tǒng)的可見星都在5顆以上。但是，在高樓林立的城市街道，由于建筑物遮擋，導(dǎo)致低仰角衛(wèi)星不可見。圖1給出了15°仰角情況下GPS(2013-08-24星座狀態(tài))在中國(guó)周邊的覆蓋情況。由圖可見，在15°仰角情況下，即便是所有31顆在軌衛(wèi)星都參與觀測(cè)，我國(guó)及周邊的很多地方，可見星的數(shù)量都無法達(dá)到4顆。實(shí)際上，全球很多地方都有類似的結(jié)果。這就是所謂的“城市峽谷”效應(yīng)。

(3)存在“南山效應(yīng)”。不管是Inmarsat-D+還是BFT，其位置信息報(bào)告都要利用地球靜止軌道(geostationary earth orbit，GEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)來完成。GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍主要集中在中低緯度，在高緯度地區(qū)仰角很低。對(duì)北半球用戶而言，由于位于其南面的高山或建筑物的遮擋，使得GEO衛(wèi)星不可見，導(dǎo)致無法通信，這就是所謂的“南山效應(yīng)”。由于“南山效應(yīng)”的存在，在城市、山地以及森林等環(huán)境下，其性能會(huì)受到影響。

圖1 GPS覆蓋情況(15°仰角)

(4)安全保密性能無保障。傳統(tǒng)的位置報(bào)告，都是GPS獲得位置后，再通過通信鏈路完成報(bào)告，所以其安全性完全依賴于通信系統(tǒng)的安全性。不管是公用移動(dòng)通信系統(tǒng)還是衛(wèi)星通信系統(tǒng)，都無法提供足夠的安全保障。其安全性主要依賴于對(duì)位置信息進(jìn)行加密處理。然而，由于報(bào)文長(zhǎng)度受限，采用的加密算法不可能很復(fù)雜，所以其安全保密性無法得到足夠的保證。

(5)多系統(tǒng)集成降低了可用性。傳統(tǒng)位置報(bào)告系統(tǒng)至少為兩個(gè)系統(tǒng)的集成。因此，其可用性就要同時(shí)受多個(gè)系統(tǒng)的制約。比如基于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的位置報(bào)告系統(tǒng)，在突發(fā)自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)等情況下，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施容易受到損壞。因此這種方式在搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急救援等情況下往往無法使用。

2.3 位置報(bào)告的發(fā)展趨勢(shì)

鑒于位置報(bào)告在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全中都具有極其重要的地位，最近幾年，世界上的大國(guó)和強(qiáng)國(guó)，都在探索能夠在同一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)位置、速度、時(shí)間以及實(shí)時(shí)通信服務(wù)的有效途徑。美國(guó)正著手GPS現(xiàn)代化升級(jí)，希望能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與通信一體化集成[4]。伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)提供的搜索救援(search and rescue，SAR)系統(tǒng)，在用戶遇到緊急情況時(shí)，信標(biāo)機(jī)發(fā)出求救信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至遍布全球的地面站，由地面站計(jì)算出用戶的位置，再傳輸至搜救協(xié)調(diào)中心，實(shí)現(xiàn)搜索救援的位置報(bào)告[5]。由我國(guó)自主設(shè)計(jì)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為位置報(bào)告提供了新的解決思路。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)提供的衛(wèi)星無線電測(cè)定業(yè)務(wù)(radio determination satellite service，RDSS)，可以在短報(bào)文通信的同時(shí)，進(jìn)行位置和時(shí)間的報(bào)告，很好地克服了緊急報(bào)告中經(jīng)常出現(xiàn)的時(shí)間、地點(diǎn)不全的缺陷。但現(xiàn)系統(tǒng)只在GEO衛(wèi)星上搭載了RDSS載荷，使得位置報(bào)告的覆蓋區(qū)域只限于中國(guó)及周邊地區(qū)，對(duì)北緯55°以北高緯度地區(qū)幾乎沒有覆蓋[6]。

隨著國(guó)家海外戰(zhàn)略利益的拓展和未來戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，迫切需要位置報(bào)告的區(qū)域向遠(yuǎn)洋以及兩極(尤其是北極)擴(kuò)展，以滿足“軍事行動(dòng)到哪里，位置報(bào)告就要到哪里”的要求?；诖耍墨I(xiàn)[7]提出了S頻段RDSS業(yè)務(wù)向全球拓展的觀點(diǎn)，文獻(xiàn)[8]提出了在BDS的傾斜地球同步軌道(inclined geo-synchronous orbits， IGSO)衛(wèi)星上搭載RDSS載荷進(jìn)行覆蓋區(qū)域“北擴(kuò)”的觀點(diǎn)。IGSO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星相比，主要的優(yōu)點(diǎn)在于能夠很好地覆蓋高緯度區(qū)域，乃至南北兩極。目前，BDS的星座包括3顆IGSO，能夠?qū)Ω呔暥鹊貐^(qū)形成較好覆蓋，但在高緯度區(qū)域也只能提供單重覆蓋。由于BDS的GEO衛(wèi)星只能覆蓋北緯0～55°區(qū)域，因此，即便IGSO衛(wèi)星搭載了RDSS載荷，也無法以傳統(tǒng)的雙星定位方式實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告。因此，建議采用廣義RDSS(comprehensive RDSS，CRDSS)方式實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告。

3 基于IGSO的CRDSS位置報(bào)告系統(tǒng)

3.1 CRDSS系統(tǒng)基本工作原理

BDS的副總設(shè)計(jì)師譚述森先生在文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]中提出了CRDSS的概念。所謂CRDSS實(shí)質(zhì)上是將雙星RDSS、三星RDSS以及四星衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(radio navigation satellite service，RNSS)業(yè)務(wù)綜合為一體的系統(tǒng)。

其觀測(cè)方程如下

(1)

圖2 CRDSS定位原理示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，還可以采用CRDSS差分定位原理來確定用戶位置。所謂CRDSS差分定位是指是由用戶測(cè)量來自GEO衛(wèi)星RNSS信號(hào)與其它衛(wèi)星RNSS導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)差，MCC利用時(shí)差值來實(shí)現(xiàn)位置解算，具體原理如下。

(2)

(3)

(4)

式中，T0表示MCC經(jīng)RDSS衛(wèi)星至用戶的雙向傳輸時(shí)延，由MCC觀測(cè)；t0表示MCC到RDSS衛(wèi)星的傳輸時(shí)延，由于衛(wèi)星位置已知，t0為已知量。用戶機(jī)將測(cè)得的時(shí)差值

通過入站鏈路反饋給MCC，MCC根據(jù)衛(wèi)星星歷和鐘差、電離層校正參數(shù)及用戶觀測(cè)量，完成對(duì)

(5)

式中,c表示光速。

將式(6)代入式(1)，便可解算出用戶位置。由此可見，差分定位無需高程輔助，且用戶只需測(cè)量時(shí)差，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。在實(shí)際使用中，所有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)系統(tǒng)的開放信號(hào)均可用作RNSS信號(hào)來使用。

3.2 系統(tǒng)基本組成

圖3給出了基于IGSO衛(wèi)星的位置報(bào)告系統(tǒng)的基本組成框圖。從圖可以看出與傳統(tǒng)RDSS系統(tǒng)相比，基于IGSO衛(wèi)星的位置報(bào)告系統(tǒng)除了同樣有空間段、MCC、用戶終端外，還有位置信息的二次報(bào)告部分(圖中虛線框所示)?？臻g段由RNSS衛(wèi)星和CRDSS衛(wèi)星組成。RNSS衛(wèi)星可以是包括BDS、GPS在內(nèi)的任何GNSS衛(wèi)星，CRDSS衛(wèi)星是以RDSS為工作主體，同時(shí)兼有RNSS功能的GEO衛(wèi)星或IGSO衛(wèi)星。因此，系統(tǒng)的星座為IGSO+GEO+MEO混合星座。位置信息的二次報(bào)告部分包括位置信息服務(wù)中心以及與之相連的通信網(wǎng)絡(luò)和位置信息接收終端。MCC收到用戶的位置報(bào)告信息后，進(jìn)行位置解算和相應(yīng)信息處理。若接收端是CRDSS用戶終端，則直接利用系統(tǒng)出站鏈路，將位置信息發(fā)送給CRDSS接收終端；若接收端為移動(dòng)用戶，則由位置信息服務(wù)中心通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸；若接收端為固定用戶，則由位置信息服務(wù)中心通過地面有線網(wǎng)絡(luò)(包括Internet、各種專用網(wǎng)絡(luò)等)傳輸。

圖3 基于IGSO衛(wèi)星的位置報(bào)告系統(tǒng)組成框圖

4 性能仿真與分析

4.1 覆蓋性能

IGSO衛(wèi)星兼有GEO衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了其高緯度區(qū)始終是低仰角的問題，其覆蓋區(qū)域可以與GEO形成很好的互補(bǔ)。要以CRDSS方式實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告，若不采用星間鏈路，則用戶和MCC必須要能對(duì)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)共視。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)IGSO衛(wèi)星運(yùn)行在地心緯度55°N的地球上空時(shí)，和三亞站仍然是可視的，說明以目前國(guó)內(nèi)地面站設(shè)置情況，不需要星間鏈路也能夠支持高緯度地區(qū)使用位置報(bào)告業(yè)務(wù)。當(dāng)仰角為5°時(shí)，IGSO衛(wèi)星還能夠覆蓋南北兩極。

IGSO衛(wèi)星能使系統(tǒng)在覆蓋高緯度區(qū)域的同時(shí)，獲得更高的平均仰角，較好地彌補(bǔ)Walker星座存在的“城市峽谷”問題。緩解城市、峽谷、山區(qū)、叢林地區(qū)衛(wèi)星信號(hào)易被遮蔽、阻擋的問題，提高系統(tǒng)的可用度。圖4給出了3顆IGSO與GPS對(duì)我國(guó)及周邊的覆蓋情況。由圖4可見，增加IGSO衛(wèi)星后，在仰角為15°情況下，我國(guó)及周邊至少有4顆星覆蓋。而僅有GPS時(shí)，很多區(qū)域的可見星都在4顆以下(見圖1)；當(dāng)仰角增加至25°時(shí)，絕大部分地區(qū)已降為4重或4重以下覆蓋。顯然若在現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)的所有衛(wèi)星中進(jìn)行選擇，可見星數(shù)量將會(huì)有所增加。圖5給出了25°仰角下，3顆IGSO和GPS以及BDS的中圓地球軌道(medium earth orbits; MEO)衛(wèi)星共同覆蓋下的可見星數(shù)。由圖可見，在兩個(gè)系統(tǒng)共同覆蓋下，即便在25°仰角下，絕大部分地方的可見星數(shù)量都在7顆以上，很好地解決了高仰角情況下的“城市峽谷”問題，實(shí)現(xiàn)了高仰角情況下的位置報(bào)告。

圖4 不同仰角下IGSO與GPS共同覆蓋情況

圖5 IGSO、MEO和GPS衛(wèi)星共同覆蓋情況(25°仰角)

4.2 幾何精度因子值

采用IGSO衛(wèi)星構(gòu)建位置報(bào)告系統(tǒng)，在擴(kuò)大服務(wù)區(qū)的同時(shí)，也改善了系統(tǒng)的幾何精度因子(geometric dilution of precision，GDOP)。GPS目前在軌衛(wèi)星31顆，在最低仰角為5°的情況下，其平均GDOP值(取最好的4顆星，下同)在全球大部分地方為2.6左右，在高緯度地區(qū)和局部區(qū)域達(dá)3.0以上。增加IGSO衛(wèi)星后，在中國(guó)及周邊區(qū)域，GDOP值由2.6降至2.4以下，南北兩極的GDOP值由3.2降至3.0。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 GPS和IGSO共同覆蓋下的GDOP值(仰角5°)

隨著最低仰角的增加，星座的GDOP值將進(jìn)一步增加，定位精度也隨之降低。通過多系統(tǒng)的兼容互操作，聯(lián)合使用BDS、GPS、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GLONASS)，將來還可能包括Galileo的公開RNSS信號(hào)，降低高仰角下的GDOP值。圖7給出了最低仰角為15°情況下，3顆IGSO和GPS以及北斗系統(tǒng)MEO衛(wèi)星共同覆蓋下的GDOP值。由圖可見，在中國(guó)及周邊地區(qū)，即使在15°的最低仰角下，平均GDOP值也不超過3.0。而在相同的仰角下，僅有GPS覆蓋時(shí)，GDOP值在4.0～6.2之間。

圖7 BDS和GPS共同覆蓋下的GDOP值(15°仰角)

4.3 系統(tǒng)主要特色

基于IGSO的CRDSS的位置報(bào)告系統(tǒng)，集中了RDSS以及IGSO衛(wèi)星星座的特點(diǎn)，其特色明顯：

(1)拓展了覆蓋區(qū)域?？朔藗鹘y(tǒng)位置報(bào)告系統(tǒng)在高緯度地區(qū)和高仰角情況下，可見星數(shù)量不夠或者星座構(gòu)型不好的不足，拓展了位置報(bào)告的服務(wù)區(qū)域；

(2)衛(wèi)星資源豐富。可充分利用全球GNSS公開資源，極大地改善了星座布局和構(gòu)型，提高了位置報(bào)告的精度。即便個(gè)別衛(wèi)星發(fā)生故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，提高了系統(tǒng)的可用性；

(3)安全保密性好。利用CRDSS功能實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告，傳輸內(nèi)容只有時(shí)差值等參數(shù)，無位置信息，信息即便被截獲也無法獲得具體內(nèi)容，安全保密性好。在軍事應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)隱蔽位置報(bào)告；

(4)響應(yīng)時(shí)間短。繼承了RDSS響應(yīng)時(shí)間短的突出優(yōu)點(diǎn)，用戶機(jī)無需接收星歷信息，縮短了位置報(bào)告的時(shí)間，一般可在1 s內(nèi)完成位置報(bào)告。

5 結(jié)束語

基于IGSO的CRDSS位置報(bào)告系統(tǒng)，可以充分利用現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星資源，具有覆蓋區(qū)域廣、星座構(gòu)型好、安全保密性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短等突出優(yōu)點(diǎn)，不管在軍用還是在民用領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，對(duì)BDS也是一個(gè)有益的補(bǔ)充。

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