關于北斗衛星導航系統技術標準化的幾點建議

劉基余

（武漢大學 測繪學院，武漢 430079）

1 引言

2012年10月25日，我國在西昌衛星發射中心用 “長征三號丙”運載火箭，成功地發射了第16顆北斗GEO導航衛星，而且順利入軌運行；這標志著區域覆蓋的北斗衛星星座能夠為亞太地區提供穩定連續的導航定位服務，亦即能夠在東經550～1800地區，提供二維位置測量精度為10m、高程測量精度為10m、速度測量精度為0.2m/s的導航定位服務。隨之用戶迅速增多，北斗衛星導航系統技術標準化問題也顯得刻不容緩。本文擬對此提出幾點建議，供研討！

2 規范系統之名 需要用 “中央文件式”的方法促使國內同行采用之

關于北斗衛星導航系統的稱呼，在2011年12月27日我國正式宣告北斗衛星導航系統初步建成之前，國內多數人叫做 “北斗二代衛星導航系統”，對外則稱之為 “指南針導航衛星系統 （Compass Navigation Satellite System，CNSS）系統”；例如，《2006年中國航天白皮書》宣布了未來5年興建的五大航天工程，其中之一叫做第二代 “北斗”衛星導航系統，它將在4年內建設成功；又如，China National Administration of GNSS and Applications（CNAGA）提 交 給 “ICG Working Grou PA Meeting on GNSS Interoperability 30－31，July 2009”的報告為 “Compass View on Compatibility and Interoperability”；再如，在2010年5月于北京召開的 “第一中國衛星導航學術年會”上，署名為 《中國第二代衛星導航系統專項管理辦公室》發表了 “北斗衛星導航系統發展計劃”的報告，由此可見，管理辦仍舊使用了 “中國第二代衛星導航系統”之稱。即使在2012年年底，筆者讀到一篇論 “北斗衛星導航系統發展”的文章，該文仍舊將北斗衛星導航系統稱為 “Compass Navigation Satellite System/BeiDou（該文如此排序BeiDou，令人費解得很?。?。由此看來，需要用 “中央文件式”的方法，促使國內同行們采用規范化的北斗系統名稱。

圖1 北斗衛星導航試驗系統的主動式定位原理圖解

我國的 “北斗一代衛星導航定位系統”也稱為北斗雙星導航定位系統；在2011年12月27日我國正式宣告北斗衛星導航系統初步建成之后，規范叫做 “北斗衛星導航試驗系統”；而 “北斗二代衛星導航系統”僅稱為 “北斗衛星導航系統”，只不過將它分為 “區域覆蓋的”北斗衛星導航系統和 “全球覆蓋的”北斗衛星導航系統。

實際上，“北斗衛星導航試驗系統”和 “北斗衛星導航系統”是存在較大差別的；僅兩者的定位原理而言，就大不相同：“北斗衛星導航試驗系統”采用主動式定位原理 （如圖1所示），用戶設備既要接收來自兩顆北斗試驗衛星的導航定位信號，又要向衛星轉發該信號；進而由地面中心站解算出各個用戶的所在點位，并用通訊方式告知用戶所測得的坐標值。這種主動式定位原理，不僅需要采用高程約束解算出用戶位置，而且用戶既不能自主解算出自己所在點位的坐標值，又要向北斗試驗衛星轉發導航信號，成為他人探測的目標，極易暴露自己，不適合軍隊使用；更不能夠滿足衛星和導彈等高動態用戶的應用需求。這相對于GPS用戶的隱蔽而自主精密定位解算、適合各類高動態用戶需求而言，就很難擴大應用市場，必須改弦更張。

“北斗衛星導航系統”是采用與GPS系統相同的 “被動式定位原理”；亦即，北斗用戶只需要接收來自北斗衛星發送的導航定位信號，就能夠測定而自主精確地解算出自己的7維狀態參數和3維姿態參數 （如圖2所示）。按照美國和俄羅斯學者們的見解，將用多普勒定位原理工作的TRANSIT系統和CICADA系統稱為第一代衛星導航系統，而將用 “被動式定位原理”工作的GPS系統和GLONASS系統稱為第二代衛星導航系統。由此可知，考慮到 “北斗衛星導航試驗系統”和 “北斗衛星導航系統”所用衛星定位原理之異，將它們分別稱為北斗一代衛星導航系統和北斗二代衛星導航系統，也是一種與國際接軌之舉。

圖2 北斗衛星導航系統被動式定位原理圖解

我國某中文雙月刊于2011年第3期發表了某院士的長篇特約論文，論述當代衛星導航系統，該文稱 “北斗衛星導航系統的第一期工程是建設一個區域性覆蓋的CNSS系統；該系統由衛星系統、工程測控系統、運行控制系統和用戶系統四大部分組成”。但是據中國衛星導航系統管理辦公室發布的 “北斗衛星導航系統發展報告”（簡稱為“北斗發展報告”）則說，北斗衛星導航系統是由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成的。不過，按照GNSS系統的國際慣稱，“北斗發展報告”的 “三大部分”之說還是符合規范的；為此，筆者將北斗系統的三大部分繪制成如圖3所示的相互關系。

圖3 北斗衛星導航系統的構成

北斗衛星導航系統采用的坐標系是2000中國大地坐標系 （CGCS 2000，China Geodetic Coordinate System 2000），CGCS 2000為右手地固正交坐標系，其原點和軸向的定義是：原點在地球的質量中心；Z軸指向國際地球自轉及參照系服務（IERS）參考極 （IRP）方向；X軸為IERS參考子午面 （IRM）與通過原點且同Z軸正交的赤道面的交線；Y軸與Z、X軸構成右手正交坐標系；CGCS 2000坐標系和GPS系統所用的WGS 84（G1150）是相容的 （如表1所示）；在坐標系的實現精度范圍內，CGCS 2000坐標和 WGS 84（G1150）坐標是一致的。

北斗衛星導航系統的時間系統是北斗時（BDT＝Beidou Time），其秒長取為國際單位制SI秒 （國際單位制 （SI）秒長定義為：銫133原子（133Cs）基態的兩個超精細能級之間躍遷輻射震蕩9192631770周期所持續的時間），起算時元為2006年1月1日0時0分0秒協調世界時（UTC），BDT是一種連續時間的時間尺度，通過設在中國科學院國家授時中心 （NTSC）的標校站作BDT與UTC（NTSC）的時間比對，從而將BDT溯源到 UTC （NTSC）。BDT與 UTC（NTSC）的偏差保持在100ns以內。BDT的時間系統與GPS時一樣無閏秒。BDT與國際原子時 （TAI）存在33s的偏差，亦即BDT＋33s＝TAI；北斗時與中國軍用時頻中心 （CMTC）的時間進行了比對，得知BDT相對于UTC（CMTC）的偏差小于20ns。值得注意的是，目前北斗衛星RDSS信號給出的時間，與BDT是不相同的：它仍然采用 “北京時間”，且其起算時元為2000年1月1日0時0分0秒北京時間，亦即，兩者相差6年8小時。

表1 CGCS 2000和WGS－84的橢球基本常數比較

3 確切表述系統基本參數 需要普及衛星導航技術多學科的基本概念

自2007年4月14日在西昌衛星發射中心成功地發射第一顆北斗衛星 （MEO衛星）后，我國一些不同行業的學者爭先恐后地在國內外學術期刊和相關學術會議上發表論文，介紹北斗衛星導航系統及其作用。但是，筆者讀到的幾篇相關論文，深感與北斗衛星導航系統的實情相差太大了；例如，一篇發表在我國某英文學術期刊上的題為 “The Performance Comparison Between GPS and BeiDou－2/Compass：A Perspective from ASIA”英文論文 （簡稱為 “性能比較”）中，該文中的表3列述了未來GNSS系統的基本參數 （如圖4所示），且不論它對GPS、GLONASS和Galileo系統個別參數列述的不準確性，僅其中所列述的北斗衛星導航系統參數就很有些不妥之處；例如，北斗衛星星座包括：衛星數為27顆，坐標系是北京1954，時間系統為中國UTC。令人費解的是，北斗衛星是環繞地球運行的，它的運行軌道不斷地通過地球的質心，怎么能夠采用參心坐標系，而且是我國早已棄用的第一代參心坐標系；據2008年6月國家測繪局局網站報道，經國務院批準，根據 《中華人民共和國測繪法》，中國自2008年7月1日起啟用2000國家大地坐標系；怎么2009年后的北斗衛星導航系統仍舊采用我國第一代北京1954坐標系呢？！

圖4 “性能比較”一文的表3

依筆者的一孔之見，GNSS衛星導航技術涉及偽噪聲編碼技術、衛星軌道理論、微波與天線、鎖相環路技術、數字通信技術、微電子技術、計算機技術、現代數據處理技術和大地測量技術等諸多學科，換言之，它是一種綜合性的高新技術。我們不能苛求作者樣樣精通，面面在行；但是，對一些基本參數還是應該多化幾分鐘，從因特網上查看查看，予以確切介紹之，特別是具有對外宣傳性的英文論文更應該嚴謹一點，以防在廣大國外同行中損壞北斗衛星導航系統的聲譽！

在2009年10月21日～22日的 “Stanford’s 2009PNT Challenges and Opportunities Symposium”會上，某某專家報告了 “Status of Compass/BeiDou Development”（簡稱為 “北斗現況”）該報告的第11頁介紹的北斗衛星導航信號的基本參數如圖5所示，由此可見，北斗衛星是采用4個載波頻率（1 561.098MHz，1 589.742MHz，1 207.140MHz，1 268.520MHz）發射導航信號。但是，China National Administration of GNSS and Applications（CNAGA）提 交 給 “ICG Working Group A：Meeting on GNSS Interoperability 30～31，July 2009”的報告 “Compass View on Compatibility and Interoperability”（簡稱為 “指南針的相容性”）給出如圖6所示的北斗衛星導航信號的基本參數，該圖表明，北斗衛星是采用3個載波頻率（1 575.420MHz，1 191.795MHz，1 268.520MHz）發射導航信號。盡管1 561.098MHz與1 589.742 MHz的均值為1 575.420MHz，后者是GPS第一導航信號 （L1）的載波頻率，但是，用3個載波頻率和4個載波頻率發射北斗衛星導航信號，還是大不一樣吧！怎么同為2009年而由不同作者發表的報告相差如此之大呢？國內外讀者該相信哪一位作者的數據是真實的？這給我們讀者出了一道大難題！“北斗網”在2011年年末發布的 “北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件 （測試版）”中，也只給出了 “B1信號基本特性和參數”（如表2所示），并沒有公開B2、B3信號的基本特性和參數。

圖5 “北斗現況”一文的第11頁PPT頁面

圖6 “指南針的相容性”一文的第3頁PPT頁面

依筆者之見，不管出于何種保密考慮，北斗衛星區域覆蓋星座用幾種載波頻率和什么載波頻率發射北斗衛星導航信號，還是應該準確無誤地告知讀者們；該很好保密的是軍用測距碼及其導航電文的密鑰！

表2 北斗衛星B1信號的基本特性和參數

在2008年12月于美國Pasadena召開的 “International Committee on GNSS”會上，China Satellite Navigation Project Center的報告 “Compass/Beidou Navigation Satellite System Development”（簡稱為 “北斗發展”），第15頁介紹了如圖7所示的北斗衛星導航信號特性。筆者認為，這種論述是很值得商榷的；北斗衛星導航信號是一種已調波，當用BOC調制 （如第二個導航信號）時，其各個信號分量如圖8所示。

圖7 “北斗發展”一文的第15頁PPT頁面

圖8 BOC調制波形圖解

由圖8可見：（1）“北斗發展”一文中的頻率（Frequencies）應該是北斗衛星導航信號的載波頻率，亦即 “Carrier Frequencies”；（2）“北斗發展”一文中的 （Signals）應該是北斗衛星導航信號的測距碼，亦即 “Ranging codes”； （3） “北斗發展”一 文 中 的 B1 （QPSK）， B1－MBOC， B1－2（QPSK），B2 （QPSK），B2－BOC，B3 （QPSK），B3－BOC，L5（QPSK）等沒有確切地表述各個測距碼的名稱；依筆者之見，采用下列表述也許較好；例 如，B2－C2 碼 （QPSK） 和 B2－P2 碼（BOC）；等等。

北京航空航天大學計算機學院計算機科學技術系翁敬農教授在題為 “Update of Compass（Beidou）and its Applications”一文 （簡稱為 “指南針系統更新”）給出的北斗衛星區域覆蓋星座的導航信號特性如圖9所示。由此看來，翁敬農教授已在國際上公開了北斗衛星區域覆蓋星座用3個載波頻率發送導航信號的現況。

圖9 “指南針系統更新”一文的導航信號特性表

4 發揮因特網的準快作用 及時公告北斗衛星星座的基本技術參數

在“Proceedings of the Surveying and Spatial Sciences Biennial Conference 2011”上，筆者讀到Craig Roberts的 論 文 “How will all the new GNSS signals hel PRTK surveyors？”，該文的Figure 5列述了GNSS系統的時間系統和坐標系 （如圖10所示），由此圖可見，在Compass系統欄內，是兩個大問號。由此看來，在2012年12月27日我國正式宣告北斗衛星導航系統建成之后，強化北斗衛星導航系統基本參數的適時發布，是非常必要的！筆者認為，應該面對目前的衛星導航現實，宜從宣傳 “北斗衛星實用參數”入手，讓廣大用戶了解 “北斗”，興趣 “北斗”，才能夠逐步擴展北斗應用天地！

2012 年 3 月 8 日， 筆 者 在 http：//baike.baidu.com（百度百科）網上查閱到長達1 900余字的 “北斗衛星導航系統”一文 （簡稱為“北斗系統”），該文在 “九、系統構成與工作原理”中，給出了2012年2月25日發射的第11顆北斗衛星的工作狀況；這說明，該文所用的資料是直至2012年2月的。遺憾的是，該文的文字論述和插圖均有多處錯誤；例如，“北斗衛星導航系統的工作過程是：首先由中心控制系統向衛星I和衛星II同時發送詢問信號，經衛星轉發器向服務區內的用戶廣播?！彼e誤地將北斗衛星導航試驗系統的導航定位原理當成了北斗衛星導航系統 （請見上文的圖1、2）；又如，錯誤地將星座當成了系統 （請見上文的圖3），而且將GPS現行星座作為北斗衛星工作星座，稱之為 “北斗衛星導航系統示意圖”（如圖11所示，實際上，系統示意圖應為上文的圖3）；等等。類似 “北斗系統”的文章和報道，網上還可查看不少，此處不一一予以列出。由此看來，自2012年12月27日我國正式宣告北斗衛星導航系統建成之后，讀者們極需要正確無誤的北斗衛星導航系統介紹文章，為了推廣應用，極需要確知北斗衛星工作星座的基本參數，這個重任毫無疑問是應該由北斗政府網站 （http：//www.beidou.gov.cn/）來承擔。

圖10 GNSS系統的時間系統和坐標系

筆者與研究生們的交流中獲悉，他們認為，目前 “北斗網”的一般性而隨處可獲的信息多，技術含金量高而適應性強的文章少。筆者經常查閱GPS/GLONASS工作星座的現況及其一些重要的技術參數，很易于從相關網站上找到所需的數據資料。因此，筆者建議，“北斗網”也應該及時發布北斗衛星工作星座的工作狀況；而且建議以表格形式列述下列欄目予以發布：衛星類型 （MEO、GEO、IGSO）、發射日期、BeiDou編號、所在軌道、衛星時鐘類型、開始工作日期、中止工作日期和備注 （如該衛星在測試中或該衛星在維護中等），以及北斗衛星的歷書數據等。

圖11 “北斗系統”一文錯誤地將GPS星座當成了北斗衛星星座

5 結束語

自2012年12月27日我國正式宣告北斗衛星導航系統建成之后，國內外用戶急需了解北斗衛星導航系統。直至寫作本文時，我們讀到不少誤解北斗衛星導航系統的中英文的論文和報道，而損壞北斗衛星導航系統的聲譽。衛星導航技術是一種涉及多學科的高新技術，我們不能苛求作者樣樣精通，面面在行。因此，作為政府網站的“北斗網”，就應該義不容辭地宣傳報道北斗衛星導航系統的現況與發展，普及衛星導航技術多學科的基本概念，促進不同行業的作者們和讀者們的共識；及時發布北斗衛星導航系統的技術參數，促進北斗衛星導航定位技術在國內外的推廣應用，致使北斗衛星導航系統能夠與已運行三十余年的GPS系統和GLONASS系統并駕齊驅，成為這兩個前輩系統強力競爭對手，打碎GPS系統的霸主地位，期望在2015年形成2000億元左右的北斗產業，到2020年達到4000億元的衛星導航市場份額。此外，在國外衛星導航廠商僅基帶芯片就擁有2000多項專利的情況下，如何加速我國具有自主知識產權的衛星導航核心技術研發，也是很值得關注的大問題。正因為此，筆者才提出了上述幾點建議，供研討。

［1］中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件：測試版［EB/OL］.（2011－12－27）［2012－12－16］.http：//wenku.baidu.com/view/62ae76757fd5360cba1adb11.html.

［2］魏子卿.2000中國大地坐標系［J］.大地測量與地球動力學，2008，28（6）：1－5.

［3］劉基余.北斗衛星區域覆蓋星座及其應用［J］.數字通信世界，2012（?？?0－54.