北斗衛星導航技術研究

鄧燁飛

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

北斗衛星導航技術研究

鄧燁飛

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

北斗衛星導航系統是由我國自主開發的全球衛星導航系統，現在已應用到越來越多的行業。對北斗衛星導航系統進行介紹，結合鐵路時間同步網，探討北斗衛星導航在鐵路同步網內應用的可行性。

北斗；同步網；研究；鐵路應用

1概述

通信同步網是通信傳輸網及業務網步調一致，正常工作的關鍵。選擇先進適用的同步技術，使得同步網更好地為鐵路各業務系統提供同步信號源，具有重要意義。在同步技術中，由于覆蓋面廣，精度高，相對成本較低的特點，衛星授時得到廣泛的應用。現階段全球有如下4大衛星授時系統。

1）GPS系統

GPS系統是美國導航衛星NAVSTAR/GPS系統的簡稱，又稱作全球衛星定位系統，1994年全面建成后向全球范圍內提供定時和定位的功能。工作衛星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標，其頻率穩定度達到（1-2）E-13/d。

2）GLONASS系統

GLONASS是全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System）的縮寫，前蘇聯從20世紀80年代初開始建設的類似于GPS系統的衛星定位系統，現在由俄羅斯國防部維護。由于GLONASS系統運行一直不是特別的穩定可靠，因此多采用GPS/GLONASS系統組合的接收機。

3）Galileo系統

Galileo系統是以意大利著名物理學家Galileo命名的歐洲全球衛星定位導航系統，2002年3月26日，歐盟正式啟動Galileo系統開發計劃。

Galileo系統具有以下特點：Galileo系統是第一個民用的衛星定位和導航系統，Galileo系統的數據率高、波段更寬、頻點更多，加之其他改進的修正技術，Galileo系統的精度優于GPS系統。對于某一特定的應用，Galileo系統定位可以達到1m，這樣可以更好的用于保障航空安全和其他精密應用。

4）北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System）是中國自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，由空間段（5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星）、地面段（主控站、注入站和監測站等若干個地面站）和用戶段（北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端）3部分組成。北斗衛星導航定位系統是中國自主研發的衛星導航定位系統，能夠雙向通信、實時導航、精密授時，廣泛應用于國防、通信、經濟建設等多領域中。預計在2020年左右北斗衛星導航系統將覆蓋全球。

2 北斗衛星導航授時原理

北斗一代衛星導航系統基于同步軌道靜止衛星（2顆），另外還有1顆在軌備份衛星。北斗一代利用任意1顆衛星的任一波束即可完成高精度授時，不需要涉及星間切換問題。

北斗二代衛星于2012年12月27日起正式提供衛星導航服務。至2012年底覆蓋北斗亞太區域。北斗二代已發射了16顆衛星，其中14顆組網并提供服務（5顆靜止軌道衛星（GEO）、5顆傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）、4顆中地球軌道衛星（MEO））。北斗二代系統使用“無源定位”，能夠提供自助定位和導航服務，用戶終端接收至少4顆導航衛星發射出的信號，可以自行計算其空間位置，單獨使用北斗二代即可實現獲取位置坐標，進而進入位置保持模式授時。

北斗一代和北斗二代的原理對比如表1所示。

表1 北斗一代和北斗二代原理對比

3 北斗衛星導航系統的行業應用

3.1 北斗的應用可行性

1） 覆蓋范圍

“北斗二號”系統其覆蓋范圍約東經55°～180°，南緯55°～北緯55°，重點區域為東經70°～145°，北緯5°～55°的大部分區域。截至2012年底，“北斗二號”系統已完成對亞太地區的全覆蓋。

2）系統精度

目前應用的 “北斗二號”系統衛星鐘可達到50ns授時精度和1E-12量級的頻率穩定度。其精度滿足YDT1012-1999《數字同步網節點時鐘系列及其定時特性》中規定1級基準鐘對頻率穩定度的要求。

3）芯片成熟度

北斗系統關鍵芯片技術含量較高，目前高集成度、低功耗、高可靠性、高穩定性的北斗終端元器件研發生產已獲得較大進展，終端芯片價格已顯著降低。

4）衛星接收機造價

目前北斗接收機售價仍高于GPS系統，但隨著國內北斗系統的成熟，仍有一定的降價空間。此外，為保護本國導航系統的發展，我國有可能提高GPS終端進口關稅。

5）安全可靠性

北斗系統為中國自主知識產權的衛星導航（授時）系統，由于北斗授時系統運營管理由中國自主控制，因此安全性高于GPS等其他系統。同時北斗授時衛星角度較GPS系統衛星角度高，信號不易被遮蔽。

綜上所述，鐵路同步網應用北斗系統技術是可行的。

3.2 北斗在鐵路同步網的應用

1）時鐘同步網

鐵路既有時鐘同步網大部分PRC、LPR設備已老化，故障較多；且衛星授時過度依賴GPS系統維持同步，存在安全技術隱患。為了避免鐵路通信網因為失去衛星同步信號引發的風險，有必要增加備用星源，提高同步基準源的安全性、可靠性。

新建骨干時鐘同步網在通信技術中心、沈陽、武漢、廣州、西安、成都鐵路局通信機房設置全國基準時鐘PRC設備，在各路局調度中心及重要節點設置LPR設備。以上節點在采用內置雙銣鐘的配置外，均采用GPS/北斗雙模衛星接收機，從而提高鐵路同步網的衛星基準源的安全可靠性，解決GPS失效帶來的同步網質量下降問題。

關于二級時鐘同步SSU-T，建議在今后的建設中設備節點可增加北斗模塊作為地面定時的備用。

建議北斗模塊選擇北斗二代產品。由于目前各運營商對北斗二代正在進行試點應用，因此可以暫時設置GPS為第一優先，北斗為第二優先。待北斗二代應用良好后，按照維護單位的需求調整為北斗為第一優先。

2）時間同步網

結合《十二五鐵路通信網規劃》，時間同步網主要由鐵路總公司一級時間節點、18個路局二級時間節點、沿線車站等處的三級時間節點組成。時間同步網與時鐘同步網對北斗衛星導航系統的應用類似：一級時間節點可設置北斗/GPS雙模+雙銣鐘。在未建成二級時間節點的路局新建二級時間節點，設置北斗+雙高穩晶體。三級時間節點可不設置衛星模塊，采用雙晶體，時間輸入為二級時間節點，當外部時間信號中斷，通過內置銣鐘守時。

以上節點建議在鐵路時間同步網建網之初預留好相應條件。

4 小結

通過在鐵路時鐘同步網的時鐘節點增設北斗衛星接收機，在鐵路時間同步網一級、二級時間同步節點增設北斗衛星接收機，可以解決GPS單星源失效所帶來的同步網質量下降問題。增加北斗之后的鐵路同步網可以更好地為鐵路通信、信息等網絡提供支撐，為鐵路運輸向社會大眾提供更好的服務提供保障。

[1]吳海濤，李孝輝，盧曉春，等．衛星導航系統時間基礎[M].北京：科學出版社，2001.

[2]中華人民共和國鐵道部.鐵路時間同步網技術條件V1.0.

BeiDou Navigation Satellite System (BDS) is a global satellite navigation system developed by China and it has a growing demand. The paper introduces the BeiDou Navigation Satellite System and discusses the feasibility of applying the BDS in railway synchronization networks combining with the railway time synchronization network.

BeiDou Navigation Satellite System; synchronization network; research; railway application

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.004

2015-02-04）

中國鐵路總公司科技研究開發重大課題項目（2300-K1130004.01）