北斗衛星導航系統應用特性分析

唐金元，周洪霞，王思臣

（海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041）

北斗衛星導航系統應用特性分析

唐金元，周洪霞，王思臣

（海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041）

在簡要介紹北斗衛星導航系統（BDS）發展狀況基礎上，對北斗二代衛星導航區域系統的應用特性進行了分析。

北斗系統（BDS）；應用分析；定位；授時；短報文通信

1 緒論

衛星導航是利用人造地球衛星確定載體（飛機、艦船、車輛等）的位置及航行參數，從而引導載體沿預定航線航行的技術。衛星導航系統是利用人造地球衛星（以人造地球衛星作為導航臺）對載體進行定位和導航的“星基無線電導航系統”。

從美國對前蘇聯1957年10月4日發射的第一顆人造地球衛星進行跟蹤、觀測從而發明衛星導航技術，1958年12月正式提出研制衛星導航系統至今，在國外歷經了第一代衛星導航系統(美國子午儀TRANSIT衛星導航系統、前蘇聯的奇卡達Tsikada衛星導航系統)和第二代衛星導航系統（美國的導航星全球定位系統GPS、俄羅斯的全球導航衛星系統GLONASS）以及伽利略（Galileo）衛星導航系統的發展歷程，在國內歷經了北斗一代衛星導航系統（北斗雙星導航定位系統，北斗衛星導航試驗系統）和北斗二代衛星導航系統（分北斗二代衛星導航區域系統、北斗二代衛星導航全球系統兩個發展階段）的發展歷程，目前衛星導航系統已在世界范圍內軍、民用應用領域獲得了廣泛應用。

本文在簡要介紹北斗衛星導航系統（BDS）發展狀況基礎上，對北斗二代衛星導航區域系統的應用特性進行了分析。

2 北斗系統發展簡況

20世紀80年代初期以來，我國開始積極探索適合中國國情的衛星導航定位系統。1983年，我國“兩彈一星”功勛獎章獲得者、衛星測控專家陳允芳院士提出了利用2顆地球同步軌道衛星實現中國及周邊區域導航定位和數據通信的設想，并指出了建立2顆地球靜止軌道（GEO）衛星導航系統的基本技術路線。1994年1月，北斗雙星導航定位系統正式立項、啟動建設。2000年10月31日和12月21日，相繼發射了第一顆（北斗-1A）、第二顆（北斗-1B）北斗一代衛星，2002年北斗一代衛星導航系統開始試運行。2003年5月25日，又發射了1顆北斗一代系統備用衛星（北斗-1C）。 2004年4月，北斗一代衛星導航系統正式投入運營，全面對民用用戶開放。2007年2月3日，又發射第四顆北斗一代衛星（北斗-1D），用于替換第1顆北斗一代衛星。北斗一代衛星導航系統采用雙星主動式定位體制，將區域性導航定位、精密授時和簡短雙向報文通信功能有機地結合在一起，成功解決了我國衛星導航定位系統的有無問題，并為后續建設全球性北斗衛星導航系統積累經驗。

北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統，英文縮寫為BDS）遵循“先區域”、“后全球”(先建成覆蓋中國及周邊亞太地區的區域性北斗衛星導航系統，再擴展建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統)和“邊建邊用、以建帶用、以用促建”的發展思路，按照以下“三步走”的發展規劃分步實施。

第一步，如前所述，1994年1月啟動北斗衛星導航試驗系統（北斗雙星導航定位系統，北斗一代衛星導航系統，簡稱北斗一代系統）建設，形成中國及周邊部分地區的區域性導航定位、精密授時和短報文通信服務能力，使我國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

第二步，2004年8月31日正式立項啟動北斗二代衛星導航區域系統（北斗二代衛星導航系統一期工程）建設，該北斗二代衛星導航區域系統和后續北斗二代衛星導航全球系統與GPS、GLONASS類似，均采用4星被動式定位體制，該系統的空間部分采用“5GEO+5IGSO+4MEO”的14顆導航衛星混合星座結構。從2007年4月14日發射北斗二代區域系統首顆中圓地球軌道（MEO）衛星（北斗-M1），2009年4月15日發射第二顆靜止地球軌道（GEO）衛星（北斗-G2），到2012年10月25日發射第16顆GEO衛星（北斗-G6），歷經5年多時間完成了北斗二代衛星導航區域系統的14顆導航衛星的空間布設。2012年12月27日，北斗二代衛星導航區域系統正式提供區域性服務，開始向中國及周邊亞太大部分地區提供連續定位、導航、授時和短報文通信服務。

第三步，2013年開始北斗二代衛星導航全球系統（北斗二代衛星導航系統二期工程）建設工作，該全球衛星導航系統采用“5GEO+3IGSO+27MEO”的 35顆導航衛星混合星座結構。從2015年3月3日到2016年6月12日，已先后發射了7顆北斗二代衛星導航全球系統試驗衛星（整個北斗二代衛星導航系統的第17～23顆導航衛星）。計劃到2020年左右，全面建成北斗二代衛星導航全球系統，具備全球范圍連續被動式定位、導航和授時等服務能力。

3 北斗二代區域系統應用特性分析

北斗二代衛星導航區域系統（簡稱北斗二代區域系統）是目前處于廣泛應用中的區域性衛星導航系統。下面對北斗二代區域系統的應用特性進行簡要分析。

3.1 北斗二代區域系統功能和性能指標

北斗二代衛星導航區域系統的公開服務主要功能和性能指標如下：

（1）主要功能：無源定位，測速，單雙向授時，短報文通信。

（2） 服務區域：中國及周邊亞太大部分地區。

（3）定位精度：平面10m，高程10m（2σ）。

（4）測速精度：0.2m/s。

（5）授時精度：單向50ns，雙向20ns。

（6）短報文通信：（40～120）個漢字/次（軍、民用戶不同），70萬次/小時。

北斗二代區域系統“5GEO+4MEO+5IGSO”星座結構的具體服務區域為。

可用服務區：指滿足水平和垂直定位精度優于30m（置信度95%）的服務范圍，目前是南緯55°～北緯55°、東經40°～東經180°的大部分區域；

公開服務區：指滿足水平和垂直定位精度優于10m（置信度95%）的服務范圍。目前是南緯55°～北緯55°、東經70°～東經150°的大部分區域；

重點服務區 ：是北緯10°～北緯55°、東經75°～東經135°。

目前北斗二代衛星導航區域系統的公開服務區域示意圖如圖1所示。

3.2 北斗二代區域系統短報文通信特性

北斗衛星導航系統的短報文通信服務功能是該系統所特有的功能，是北斗系統有別于其他衛星導航系統（GPS、GLONASS、Galileo等）的一大特色。下面簡要分析北斗二代區域系統短報文通信的工作方式和主要技術指標。

圖1 北斗衛星導航區域系統公開服務區域示意圖

（1）短報文通信工作方式。北斗系統具有點對點（也稱端對端）雙向報文信息傳輸工作方式，它是數據報告方式，以數據包的形式傳輸。北斗用戶發送終端采用碼分多址（CDMA）直接序列（DS）擴頻調制方式，擴頻偽碼采用周期性偽隨機碼（PN）序列,發送頻率為L波段，通過北斗衛星轉換為C波段由北斗地面站接收,經北斗地面站處理后發給北斗衛星,再經衛星轉換為S波段發送給北斗用戶接收終端,完成一次點對點的通信。反向發送過程亦然，通信流程為：短報文用戶發送端首先將包含接收方ID號和通信內容的通信申請信號加密后通過北斗衛星轉發至北斗地面中心站（入站信號）；地面中心站處理接收到的信號，并將其發送到地面網管中心；地面網管中心接收到通信申請信號后，經解密和再加密后發送至地面中心站；地面中心站將其加入持續廣播的出站信號電文中，經北斗衛星廣播給用戶接收端。用戶接收端的控制信息以相同的方式送發送端。

北斗系統短報文通信的流程示意圖如圖2所示。

圖2 北斗系統點對點雙向報文數據傳輸示意圖

在北斗系統衛星通信點對點雙向報文信息傳輸工作方式中，還有一種點對多點的“通播”（廣播）工作方式,即在一個北斗用戶群（用戶系統）中，將其中的一個測站作為主站（中心站），將其終端設備號碼寫入本群中其它測站（從站）的終端設備的映像地址中，當此主站作通播方式發送信息時，則用戶群中所有使用同一衛星波束的其他測站都能同時收到此信息。主站既可以接收數據信息也可以發送控制信息,其他測站只能接收數據信息而不能發送控制信息。這樣,通過通播功能可以構成點對多點通信。此功能也可以用作系統的廣播回執，即在系統的一次定時自報后一定時間內，將系統中收到的測站和未收到的測站信息廣播出去，未收到自報信息的測站則再次發送信息,從而提高了系統的暢通率，同時也減少了系統中心站的發送次數。從站終端每次發送數據后等待接收主站的回執，如果在規定時間內沒有接收到回執，則延時一段時間再發送一次，以增加數據傳輸的可靠性。如果用戶系統的主站采用北斗指揮型終端，則回執可一次在全部衛星波束上發送，用戶系統的所有其他從站都可以同時收到主站的回執。

（2）短報文通信技術指標。北斗二代區域系統的短報文通信主要技術指標數據如下。

①服務區域。北斗二代區域系統的公開服務區為S55°～N55°，E70°～E150°的中國及周邊亞太大部分地區。②工作頻段。北斗系統地面站至北斗空間衛星為C波段，其中上行頻率為6GHz，下行頻率為4GHz；北斗用戶終端至北斗空間衛星，上行為L波段，頻率為（1615.68±4.08）MHz，下行為S波段，頻率為（2491.75±4.08）MHz。③雙向數據通信信息長度。北斗系統的短報文通信功能允許用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間進行雙向數據傳輸，雙向數據通信的信息長度為：一般用戶一次可傳輸40個漢字（80個字節）,經核準的用戶可利用連續傳送方式,最多一次可傳送120個漢字（240個字節，480個BCD碼）。④數據傳輸速率。北斗系統上行(入站)信道數據傳輸速率為16.625kbps，下行（出站）信道數據傳輸速率為31.25kbps。⑤信號調制方式。北斗系統信號采用碼分多址（CDMA）直接序列（DS）偽隨機碼（PN）擴頻調制方式。⑥用戶終端類型和服務頻度。北斗用戶終端類型和服務頻度由授權決定，北斗用戶類型按等級分為一、二、三3類，其中一類同戶機（5～10）min服務1次，二類同戶機（10～6）0s服務1次，三類同戶機（1～5）s服務1次。

[1]唐金元.北斗衛星導航區域系統發展應用綜述[J].全球定位系統,2013(5):47-52.

[2]中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統發展報告[J].國際太空, 2012(4):6-11.

[3]邰敏.北斗衛星導航系統正式提供區域服務[J].衛星應用,2013(1):5-8.

[4]中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統發展報告(2.1版)[J].衛星應用,2013(1):9-12.

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