北斗系統導航定位報告體制與工程技術

譚述森，李 琳

（北京衛星導航中心，北京 100094）

1 引言

20世紀70年代美國海軍陸戰隊和陸軍聯合投資，研制集通信、導航定位、識別于一體的定位報告 系 統 （position location reporting system，PLRS）［1］，該系統為 UHF頻段420－450MHz、時分多址的綜合性戰術數據系統，能為步兵、地面車輛、坦克、飛機、兩棲登陸艦等提供服務，可將各作戰單元的位置、速度等信息傳送至指揮控制中心。但一個PLRS最多容納400個用戶，基本工作區域僅50km×50km，定位精度15m；擴展工作區域300km×300km，定位精度有所下降；還不是真正的定位報告系統。

21世紀10年代建成的中國北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）是真正意義上的導航定位報告系統。該系統采用衛星無線電導航定位報告體制 （radio determination satellite system，RDSS），即基于衛星無線電測量實現衛星無線電導航、定位報告和短報文通信等業務。與 “全球定位系統 （global positioning system，GPS）定位＋銥星全球移動通信”相比，具有性價比高，位置報告簡單、自主、安全、快速，雙業務融合等諸多優勢。

本文扼要論述了北斗衛星導航系統 （以下簡稱北斗系統）RDSS理論基礎，以及出站、入站波束設計，信號頻率及調制方式設計，雙向距離和觀測量分解、校正與平滑，自主導航載荷與定位報告鏈路融合設計等工程關鍵技術的解決途徑。

2 導航定位報告概念的發展

導航定位報告概念隨著用戶需求的增長以及導航手段的進步而發展，其基本定義分別描述如下。

定位：確定物體在地球坐標系的位置及時間的業務，英文術語為positioning，隨人類有計劃的生產而產生。

導航［2］：確定運動物體在地球坐標系的位置矢量、速度矢量及時間的業務，英文術語為navigation service，隨天文測量學而產生。

無線電導航［3］：應用無線電測量確定物體位置矢量、速度矢量、時間及障礙物告警的業務，英文術語為radio navigation service（RNS），起源于20世紀40年代。

衛星無線電導航［4］：應用衛星發射的無線電信號，通過距離、距離變化率的測量，確定用戶在地球坐標系確定時間下的位置矢量、速度矢量及障礙物告警的業務，英文術語為radio navigation satellite service（RNSS），起源于20世紀60年代［5-6］。

定位報告［7］：由導航系統確定用戶位置，由數據鏈完成位置報告的業務，英文術語為locating reporting service（LRS），起源于20世紀80年代。

衛星無線電導航定位報告：基于衛星無線電測量實現衛星無線電導航、定位報告和短電文通信的業務，RNSS是其子集。衛星無線電導航定位報告體制由北斗系統于20世紀70年代率先創立，具有諸多獨特性能［8］。

3 RDSS理論基礎

三球定位原理是空間物體定位的理論基礎。構建用戶與衛星、地面測量與控制中心 （measurement control center，MCC）的閉環距離測量鏈路以及通信信道是定位報告的理論核心。融自主導航載荷于閉環距離測量鏈路，是導航定位一體的理論核心。

3.1 雙星定位報告原理

雙星定位報告根據兩顆衛星、用戶、MCC的閉環距離測量鏈路以及通信信道實現用戶定位及位置報告。雙星定位報告原理如圖1所示，兩顆衛星中一顆為無線電定位 （radio determination，RD）衛星，另一顆為無線電導航 （radio navigation，RN）衛星。RD衛星的有效載荷為出站、入站變頻轉發器，RN自主導航載荷和上行注入等。RN衛星的有效載荷為RN自主導航載荷和上行注入等。

圖1 雙星定位報告原理

工作過程具體如下：

（1）MCC按北斗時 （BDT）同步格式產生本地鐘測量信號；

（2）RD衛星、RN衛星1按照發射自主導航載荷模式連續發射導航信號；

（3）用戶設備測量RD衛星的RN信號偽距ρRDRN和RN衛星1的RN信號偽距ρRN1。在RD衛星的RN信號指定時刻發射入站信號，并將偽距測量值ρRDRN、ρRN1傳回 MCC；

（4）MCC根據用戶設備的入站信號，獲得MCC?RD衛星?用戶設備的雙向距離和觀測量2Rm，即

式中，Tm，up為 MCC的上行設備傳輸時延，tms為MCC→RD衛星的空間路徑傳播時延，Δti為RD衛星與BDT的鐘差，tsu為RD衛星→用戶設備的下行空間路徑傳播時延，Tu為用戶設備傳輸時延，tus為用戶設備→RD衛星的空間路徑傳播時延，Ts為RD衛星入站轉發器時延，tsm為RD衛星→MCC的空間路徑傳播時延，Tm，down為MCC的下行設備傳輸時延，c為光速，2Rmsu＝ （tms＋tsu＋tus＋tsm）c為MCCRD衛星用戶設備的雙向空間距離和，Rms為MCC至RD衛星的空間距離，Rus為用戶設備至RD衛星的空間距離，τmsu為MCCRD衛星用戶設備的雙向電離層時延。

（5）根據 MCC設備時延Tm，up及Tm，down、衛星鐘差Δti、用戶設備時延Tu、衛星入站轉發器時延Ts和電離層時延τmsu，對雙向距離和觀測量2Rm進行校正可得2Rmsu；根據RD衛星、RN衛星1位置（由衛星軌道確定）、MCC位置可得Rms；再由2Rmsu＝2（Rms＋Rus）可得用戶設備至RD衛星的空間距離Rus。

（6）由偽距ρRDRN、ρRN1及Rus等得到用戶設備至RN衛星1的距離RuN1

式中Δti2為RN衛星1的鐘差。

（7）根據地理高程庫查得用戶設備所在點的大地高h，按照下式計算地心至用戶設備的距離

式中，r為用戶設備參考橢球面上的投影至坐標原點的距離，θ為用戶設備所在點的矢徑與參考橢球法線的夾角。

（8）MCC根據Rus、RuN1和s組成如式 （4）所示用戶三維位置的解算方程組，進而實現用戶定位及位置報告

式 中， （）j＝1，2，3為 RD 衛 星 位 置 坐 標，）j＝1，2，3為 RN 衛星1位置坐標，（）j＝1，2，3為用戶位置坐標。

特別需要指出：步驟 （7）根據地理高程庫查用戶所在點的大地高時，需已知用戶位置，但用戶位置為待求量，因此需迭代計算。迭代過程為：首先由概略高程和觀測量計算概略坐標；然后由概略坐標查取新高程；如此迭代3次左右即可保證用戶位置坐標精度優于20m。

3.2 三星定位報告原理

在圖1中再增加1顆RN衛星，同理可得用戶至第2顆RN衛星的距離RuN2；用其取代式 （4）中的s可得，式 （5）所示基于3顆衛星的用戶位置解算方程組

3.3 多星定位報告原理

當用戶可觀測多顆RN衛星偽距時，有如下用戶位置解算方程組

當i＝2為三星定位，i≥3為多星定位。

MCC根據大量的偽距觀測量獲得用戶精密位置。當偽距觀測量的積累時間超過2min時，用戶位置精度可達1m。

當然i≥4時，用戶也可不發射入站響應信號，直接建立基于RN衛星偽距觀測量的用戶位置解算方程，但精度比MCC解算精度低。

4 RDSS主要特色

BDS與GPS、伽利略衛星導航系統等系統的根本區別在于：BDS采用集導航、定位、位置報告和短報文通信于一體的RDSS，具有以下主要特色。

（1）性價比高

只需14顆衛星就可實現中國及周邊地區、30°遮蔽角的定位報告服務，只需30－35顆衛星就可實現全球地區、45°遮蔽角的定位報告服務。若采用“GPS定位＋銥星全球移動通信”方案，僅實現全球地區、20°遮蔽角的定位報告就需390顆衛星。BDS RDSS的性價比優勢不言而喻。

（2）位置報告方式簡單易行、獨立自主

BDS用戶向MCC的位置報告，只需觀測2－3顆衛星即可實現，無需其它通信系統輔助。利用GPS向運營管理、生命救援等機構的位置報告，必須首先觀測4顆衛星實現定位，而后經由其它通信系統才能實現位置報告。

（3）位置報告方式安全可靠

用戶位置是MCC根據用戶設備入站信號對雙向距離和進行測量、分解、校正，而后位置解算得到的。用戶位置參數并沒有經由通信信道傳輸，規避了在通信信道傳輸路徑上被竊密的風險，且降低了系統復雜度。

（4）位置報告響應速度快

利用雙星、三星定位報告方式，從用戶開機至完成用戶位置報告的時間不超過1s；從用戶開機至完成用戶位置精密定位 （精度優于1m）報告的時間約2min，是獲取1m精度位置坐標最快的方式。

（5）融導航、定位報告于一體

導航、定位報告兩種業務在體制內集成，用戶既可通過無源方式在無線電靜默條件下實現中、高動態條件下的連續導航，又可通過有源方式實現用戶位置報告和不同用戶之間點對點雙向短報文通信。

（6）抗干擾優勢明顯

由于位置報告僅需2－3顆衛星，若處于干擾多為低仰角來向的電磁環境，可充分利用地形地物遮擋干擾，經由2顆高仰角衛星實現精度優于100m的定位報告；若處于干擾立體分布的復雜電磁環境，只需形成2個高增益、窄波束確保對2顆衛星的接收性能即可實現定位報告。

5 RDSS關鍵技術

RDSS關鍵技術主要有出站下行、入站上行波束設計，出站、入站信號頻率及調制方式設計，雙向距離和觀測量分解與校正，自主導航載荷與定位報告鏈路融合設計，雙向距離和觀測量平滑與位置解算濾波等。

5.1 出站下行、入站上行波束設計

RD衛星天線的出站下行波束、入站上行波束是決定服務區的重要因素。若RD衛星天線能實現對地球1 000km高度的覆球覆蓋，就可為近地衛星提供定位報告服務。

衛星天線根據波束寬窄可分為覆球波束、區域波束和點波束。對靜止衛星來說，覆球波束的寬度較寬，增益較低，在地球表面上的覆蓋區域呈球冠狀；點波束的寬度較窄，增益較高，在地球表面上的覆蓋區域小。

為使導航定位報告的服務區最大，且出站、入站用戶容量盡可能大，出站下行波束、入站上行波束宜采用多波束賦形天線以實現寬波束。

5.2 信號頻率及調制方式設計

信號頻率設計是決定服務區的另一個重要因素，且直接關乎雙向距離和測量的電離層校正精度、復雜度，以及衛星、MCC、用戶設備的收發（接收與發射）隔離度。

為使服務區盡可能大，出站下行信號頻率宜選擇BDS B1頻點而非S頻點，原因在于B1頻點賦形波束比S頻點賦形波束的覆蓋范圍大。

為使電離層校正精度高、復雜度低，出站上行信號、入站下行信號頻率宜選用C頻段或更高頻段，以便MCC與衛星之間的電離層時延效應可忽略不計。這樣，四段、四頻距離和觀測量中的電離層延遲主要取決于衛星與用戶之間的上行、下行信號頻率。若上行、下行信號頻差較小，可按如下等效頻率fc進行電離層時延校正。

式中，fu、fd分別為上行、下行信號頻率。工程試驗表明：當fd取為BDS B1頻點，且fu與其頻差小于70MHz時，既可使衛星與用戶之間電離層校正精度優于1ns，電離層校正復雜度低；又易實現收發高隔離度。

至于出站、入站信號的調制方式宜采用抗干擾、抗多徑能力強的直接序列擴頻調制等調制方式，信號帶寬宜選擇10－20MHz。

5.3 雙向距離和觀測量分解與校正

為滿足定位報告精度，雙向距離和觀測量的實時分解與校正十分重要。由式 （1）可知：雙向距離和觀測量中包含空間路徑傳輸時延、設備時延、衛星鐘差和電離層時延等。因空間路徑傳輸時延、電離層時延等與空間路徑、信號頻率直接相關；而空間路徑包括MCC至衛星、衛星至用戶、用戶至衛星、衛星至MCC四段，信號頻率包括出站上行信號、出站下行信號、入站上行信號、入站下行信號4個頻率；所以雙向距離和觀測量的分解、校正十分困難。

為方便雙向距離和觀測量的分解與校正，結合5.2節作如下設計：（1）MCC與衛星之間的信號頻率采用電離層時延效應可忽略不計的C、Ku以上頻段； （2）衛星與用戶之間的信號頻率采用傳輸特性穩定、空間擴散損耗小的L頻段，且fu與fd的頻差小于70MHz。例如：fd取為BDS B1頻點1 575.42MHz，fu在衛星移動業務頻段1 610MHz－1 660MHz選取。

至于雙向距離和觀測量中的設備時延、衛星鐘差等，可通過在服務區內布設標校機 （置于已知點位的用戶設備）進行精確校正。

5.4 自主導航載荷與定位報告鏈路融合設計

為實現自主導航載荷與定位報告鏈路的深度融合，RN衛星的有效載荷設計為RN自主導航載荷和上行注入等；RD衛星的有效載荷設計為出站、入站變頻轉發器，RN自主導航載荷和上行注入等；定位報告鏈路入站上行信號幀長度為出站下行導航信號幀長度的整數倍；還有RN衛星鐘差獲取，高精度時間同步等時間鏈統一設計要點，在此不一一贅述。

5.5 雙向距離和觀測量平滑與位置解算濾波

由于用戶在雙向距離和測量期間，可連續獲取RN衛星的觀測偽距以及RD衛星RN信號的觀測偽距，因此MCC應對雙向距離和觀測量進行平滑，對用戶位置解算進行濾波等處理。

對于固定及低動態用戶應根據其動態性能、位置報告實時性、入站數據量等，精心設計用戶偽距的觀測時段以及偽距觀測量的數目。

6 RDSS方案示例

BDS衛星導航定位報告體制中的RD衛星可以是靜 止 地 球 軌 道 （geostationary earth orbits，GEO）衛星、傾斜地球同步軌道 （inclined geosynchronous orbits，IGSO）衛星和中圓軌道（medium earth orbits，MEO）衛星。后兩種衛星可使服務區內用戶設備對衛星的觀測仰角增大，利于提升用戶設備的抗遮蔽性能。

BDS RDSS結合衛星星座、衛星載荷等的合理配置，可實現一定服務區內高遮擋角的導航定位報告業務。

方案一：中國及周邊地區、遮蔽角30°的導航定位報告方案

為實現中國及周邊地區遮蔽角30°的導航定位報告業務，衛星星座配置為5GEO＋5IGSO＋4MEO，其中5顆GEO衛星分別定點在58.75°E，80°E，110.5°E，140°E和160°E；IGSO衛星軌道傾角55°，IGSO－1、IGSO－2及IGSO－3衛星星下點軌跡重合，交叉點經度為118°E，相位差120°，IGSO－4、IGSO－5衛星分別與IGSO－1、IGSO－2同平面備份，交叉點經度為95°E；4顆MEO衛星分別位于 Walker24/3/1星座的第一軌道面7、8相位，第二軌道面3、4相位，軌道高度21 528km、傾角55°，第一軌道面升交點赤經為0°。

GEO－1、GEO－2和 GEO－3衛星為 RD 衛星，其余11顆衛星均為RN衛星。

RD衛星的出站下行波束為北斗系統B1頻點覆球波束，入站上行波束為北斗系統L頻點賦形波束。

方案二：中國及周邊地區、遮蔽角45°的導航定位報告方案

為實現中國及周邊地區遮蔽角45°的導航定位報告業務，在方案一基礎上，再增加IGSO－1、IGSO－2和IGSO－3這3顆RD衛星；其余8顆衛星為RN衛星。這種衛星星座和衛星載荷設計可確保中國及周邊地區45°遮蔽角的導航定位報告業務，以及全球大部分地區 （亞洲、歐洲、非洲、太平洋、印度洋、北冰洋等）5°遮蔽角的導航定位報告業務。

非中國地區內用戶的入站檢測服務由RD衛星中的IGSO衛星完成，其入站觀測量由IGSO進入MCC。

方案三：全球地區、遮蔽角45°的導航定位報告方案

為實現全球地區遮蔽角45°的導航定位報告業務，衛星星座配置為5GEO＋5IGSO＋24MEO。

GEO－1、GEO－2、GEO－3衛星，IGSO－1、IGSO－2、IGSO－3衛星以及8－12顆 MEO 衛星為 RD衛星，其余20－16顆衛星為RN衛星。

7 結論

北斗系統RDSS具有性價比高，位置報告方式簡單易行、獨立自主、安全可靠，位置報告響應速度快，導航、定位報告業務體制內融合和抗干擾優勢明顯等諸多特色。北斗系統導航定位報告系統是滿足現代信息化社會用戶信息共享的優良系統，具有廣闊的應用開發前景。

［1］李大光.影響未來戰爭演變的軍事高技術［M］.北京：兵器工業出版社，2011.

［2］盧福康.天文測量學［M］.北京：中國人民解放軍總參測繪局，1981.

［3］朱洪波，謝飛波.國際電信聯盟無線電通信標準術語及定義：無線電導航業務［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［4］譚述森.衛星導航定位工程［M］.2版.北京：國防工業出版社，2010.

［5］KAPLAN E D， HEGARTY C J.Understanding GPS：Principles and Applications［M］.2nd ed.Boston：Artech House，2006.

［6］李躍，邱致和.導航與定位—信息化戰爭的北斗星［M］.2版.北京：國防工業出版社，2008.

［7］王小同.定位報告系統［M］//中國軍事百科全書：軍事測繪學科分冊.2版.北京：中國大百科全書出版社，2007.

［8］譚述森.廣義RDSS全球定位報告系統［M］.北京：國防工業出版社，2011.