基于傾斜地球同步軌道衛星的位置報告系統設計

趙陸文，繆志敏，徐 榮，戴衛恒

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

1 引言

隨著信息技術的發展及人們對于信息共享需求的日益旺盛，人們對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？”，很多時候需要告訴別人“現在我在哪兒？”以及“我這兒發生了什么事情？”。比如海洋上空發生空難，僅遇險人員自己知道自身的位置沒有任何意義。必須要在第一時間內把發生空難的位置及相關情況向實施救援方報告，并不斷更新位置。若把第一個問題稱為定位，則第二、第三個問題就是位置報告(position report)。所謂位置報告就是將用戶當前所處的地理位置及相關信息報告給與之相關的第三方。在民用領域，位置報告廣泛應用于個人位置跟蹤、航空航海、遇險救援、交通運輸、海洋漁業等方方面面。在軍事領域，位置報告在決策指揮、敵我識別、單兵遇險搜救、打擊效能評估、軍兵種及武器平臺協同作戰等方面都扮演著非常重要的角色。從戰場態勢感知到對特種車輛實時監控、從搶險救災到生命救援、從危險品監視到智能交通等等，位置報告已滲透到人類生活的各個領域。

2 位置報告的現狀與發展趨勢

2.1 典型的位置報告系統

目前已有多種技術手段實現位置報告。這些手段大同小異，基本原理都是利用全球定位系統(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、公交車調度監控系統，采用GPS與蜂窩移動通信系統相結合，由GPS獲取車輛的位置、速度等信息，然后通過移動通信網完成位置報告。文獻[1]設計了一種GPS結合業余無線電臺架構的自動位置報告系統。這種系統擺脫了移動公網的束縛，且能夠實現自動位置報告，但是傳輸距離近，只限于在一個車隊或者數千米的距離上進行位置報告。與蜂窩通信系統相比，衛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，可以以短報文的形式，方便地傳輸GPS輸出的位置、速度和時間信息，但是每條短報文僅能容納64比特的用戶數據[2]。美軍為了解決友軍定位、識別問題，采用GPS和衛星通信相結合的方式，研制開發了“藍軍跟蹤系統”(blue force tracking，BFT)，在阿富汗戰爭和伊拉克戰爭了發揮出了非常出色的作用,即裝備了BFT系統的部隊無一誤傷[3]。然而，BFT的位置數據每5 min才能刷新一次，且其覆蓋范圍也受租用通信衛星的覆蓋范圍限制。目前具有更大容量、更高刷新速率的BFT-2系統研制工作已接近尾聲。

2.2 現有位置報告系統的不足

盡管目前各種位置報告系統都得到了較好的應用，但都存在一定的局限性。概況起來主要有

(1)覆蓋范圍有限。現有位置報告系統只能覆蓋GPS和通信系統共同覆蓋的區域。由于GPS基本實現全球覆蓋，其覆蓋范圍主要受限于通信系統的覆蓋范圍。目前的陸地蜂窩移動通信系統僅能覆蓋地球表面的2%。因此，GPS與蜂窩移動通信系統結合的位置報告方式在海洋、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。雖然在全球大部分地區GPS系統的可見星都在5顆以上。但是，在高樓林立的城市街道，由于建筑物遮擋，導致低仰角衛星不可見。圖1給出了15°仰角情況下GPS(2013-08-24星座狀態)在中國周邊的覆蓋情況。由圖可見，在15°仰角情況下，即便是所有31顆在軌衛星都參與觀測，我國及周邊的很多地方，可見星的數量都無法達到4顆。實際上，全球很多地方都有類似的結果。這就是所謂的“城市峽谷”效應。

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

圖1 GPS覆蓋情況(15°仰角)

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

(5)多系統集成降低了可用性。傳統位置報告系統至少為兩個系統的集成。因此，其可用性就要同時受多個系統的制約。比如基于蜂窩移動通信系統的位置報告系統，在突發自然災害、戰爭等情況下，蜂窩移動通信網基礎設施容易受到損壞。因此這種方式在搶險救災、應急救援等情況下往往無法使用。

2.3 位置報告的發展趨勢

鑒于位置報告在國民經濟和國家安全中都具有極其重要的地位，最近幾年，世界上的大國和強國，都在探索能夠在同一系統中實現位置、速度、時間以及實時通信服務的有效途徑。美國正著手GPS現代化升級，希望能實現導航與通信一體化集成[4]。伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)提供的搜索救援(search and rescue，SAR)系統，在用戶遇到緊急情況時，信標機發出求救信號，經衛星轉發至遍布全球的地面站，由地面站計算出用戶的位置，再傳輸至搜救協調中心，實現搜索救援的位置報告[5]。由我國自主設計的北斗衛星導航系統，為位置報告提供了新的解決思路。北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)提供的衛星無線電測定業務(radio determination satellite service，RDSS)，可以在短報文通信的同時，進行位置和時間的報告，很好地克服了緊急報告中經常出現的時間、地點不全的缺陷。但現系統只在GEO衛星上搭載了RDSS載荷，使得位置報告的覆蓋區域只限于中國及周邊地區，對北緯55°以北高緯度地區幾乎沒有覆蓋[6]。

隨著國家海外戰略利益的拓展和未來戰爭的需要，迫切需要位置報告的區域向遠洋以及兩極(尤其是北極)擴展，以滿足“軍事行動到哪里，位置報告就要到哪里”的要求。基于此，文獻[7]提出了S頻段RDSS業務向全球拓展的觀點，文獻[8]提出了在BDS的傾斜地球同步軌道(inclined geo-synchronous orbits， IGSO)衛星上搭載RDSS載荷進行覆蓋區域“北擴”的觀點。IGSO衛星與GEO衛星相比，主要的優點在于能夠很好地覆蓋高緯度區域，乃至南北兩極。目前，BDS的星座包括3顆IGSO，能夠對高緯度地區形成較好覆蓋，但在高緯度區域也只能提供單重覆蓋。由于BDS的GEO衛星只能覆蓋北緯0～55°區域，因此，即便IGSO衛星搭載了RDSS載荷，也無法以傳統的雙星定位方式實現位置報告。因此，建議采用廣義RDSS(comprehensive RDSS，CRDSS)方式實現位置報告。

3 基于IGSO的CRDSS位置報告系統

3.1 CRDSS系統基本工作原理

BDS的副總設計師譚述森先生在文獻[9]、文獻[10]中提出了CRDSS的概念。所謂CRDSS實質上是將雙星RDSS、三星RDSS以及四星衛星無線電導航業務(radio navigation satellite service，RNSS)業務綜合為一體的系統。

其觀測方程如下

(1)

圖2 CRDSS定位原理示意圖

在實際應用中，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量來自GEO衛星RNSS信號與其它衛星RNSS導航信號的時差，MCC利用時差值來實現位置解算，具體原理如下。

(2)

(3)

(4)

式中，T0表示MCC經RDSS衛星至用戶的雙向傳輸時延，由MCC觀測；t0表示MCC到RDSS衛星的傳輸時延，由于衛星位置已知，t0為已知量。用戶機將測得的時差值

通過入站鏈路反饋給MCC，MCC根據衛星星歷和鐘差、電離層校正參數及用戶觀測量，完成對

(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，且用戶只需測量時差，實現簡單。在實際使用中，所有全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)系統的開放信號均可用作RNSS信號來使用。

3.2 系統基本組成

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

圖3 基于IGSO衛星的位置報告系統組成框圖

4 性能仿真與分析

4.1 覆蓋性能

IGSO衛星兼有GEO衛星的優點，同時克服了其高緯度區始終是低仰角的問題，其覆蓋區域可以與GEO形成很好的互補。要以CRDSS方式實現位置報告，若不采用星間鏈路，則用戶和MCC必須要能對衛星實現共視。經計算，當IGSO衛星運行在地心緯度55°N的地球上空時，和三亞站仍然是可視的，說明以目前國內地面站設置情況，不需要星間鏈路也能夠支持高緯度地區使用位置報告業務。當仰角為5°時，IGSO衛星還能夠覆蓋南北兩極。

IGSO衛星能使系統在覆蓋高緯度區域的同時，獲得更高的平均仰角，較好地彌補Walker星座存在的“城市峽谷”問題。緩解城市、峽谷、山區、叢林地區衛星信號易被遮蔽、阻擋的問題，提高系統的可用度。圖4給出了3顆IGSO與GPS對我國及周邊的覆蓋情況。由圖4可見，增加IGSO衛星后，在仰角為15°情況下，我國及周邊至少有4顆星覆蓋。而僅有GPS時，很多區域的可見星都在4顆以下(見圖1)；當仰角增加至25°時，絕大部分地區已降為4重或4重以下覆蓋。顯然若在現有GNSS系統的所有衛星中進行選擇，可見星數量將會有所增加。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)衛星共同覆蓋下的可見星數。由圖可見，在兩個系統共同覆蓋下，即便在25°仰角下，絕大部分地方的可見星數量都在7顆以上，很好地解決了高仰角情況下的“城市峽谷”問題，實現了高仰角情況下的位置報告。

圖4 不同仰角下IGSO與GPS共同覆蓋情況

圖5 IGSO、MEO和GPS衛星共同覆蓋情況(25°仰角)

4.2 幾何精度因子值

采用IGSO衛星構建位置報告系統，在擴大服務區的同時，也改善了系統的幾何精度因子(geometric dilution of precision，GDOP)。GPS目前在軌衛星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，在高緯度地區和局部區域達3.0以上。增加IGSO衛星后，在中國及周邊區域，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值將進一步增加，定位精度也隨之降低。通過多系統的兼容互操作，聯合使用BDS、GPS、格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system,GLONASS)，將來還可能包括Galileo的公開RNSS信號，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MEO衛星共同覆蓋下的GDOP值。由圖可見，在中國及周邊地區，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，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 系統主要特色

基于IGSO的CRDSS的位置報告系統，集中了RDSS以及IGSO衛星星座的特點，其特色明顯：

(1)拓展了覆蓋區域。克服了傳統位置報告系統在高緯度地區和高仰角情況下，可見星數量不夠或者星座構型不好的不足，拓展了位置報告的服務區域；

(2)衛星資源豐富。可充分利用全球GNSS公開資源，極大地改善了星座布局和構型，提高了位置報告的精度。即便個別衛星發生故障，也不會影響系統的正常工作，提高了系統的可用性；

(3)安全保密性好。利用CRDSS功能實現位置報告，傳輸內容只有時差值等參數，無位置信息，信息即便被截獲也無法獲得具體內容，安全保密性好。在軍事應用中，可以實現隱蔽位置報告；

(4)響應時間短。繼承了RDSS響應時間短的突出優點，用戶機無需接收星歷信息，縮短了位置報告的時間，一般可在1 s內完成位置報告。

5 結束語

基于IGSO的CRDSS位置報告系統，可以充分利用現有GNSS系統衛星資源，具有覆蓋區域廣、星座構型好、安全保密性強、響應時間短等突出優點，不管在軍用還是在民用領域都有很好的應用前景，對BDS也是一個有益的補充。

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