北斗背后的高科技之
——軟件背后的巧設(shè)計

文/ 遲惑

▲ 北斗三號衛(wèi)星效果圖

▲ 最后一顆北斗組網(wǎng)衛(wèi)星等待發(fā)射 南勇攝

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除在硬件方面有許多自主創(chuàng)新的成果之外，在軟件設(shè)計方面也獨(dú)具特色。

衛(wèi)星軌道設(shè)計多樣化

我們知道北斗星座是幾個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)中軌道設(shè)置最復(fù)雜的，包括了3種軌道類型，即地球靜止軌道、地球傾斜同步軌道和中圓軌道。

為什么要采用這樣復(fù)雜的衛(wèi)星軌道設(shè)計呢？這和北斗衛(wèi)星早期的建設(shè)方案有關(guān)，但是最終的目標(biāo)是更好地為用戶提供服務(wù)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作主力是運(yùn)行在中圓軌道上的衛(wèi)星，它們在這個軌道上不斷向地面發(fā)射信號。但是因為種種原因，包括宇宙射線、電離層和大氣層的干擾，中圓軌道衛(wèi)星所提供的信號，用戶在使用的時候多少會存在一定程度的誤差。為了盡量減小誤差，就需要提供改正信息。

無論在美國GPS、俄羅斯格洛納斯還是歐洲伽利略系統(tǒng)的建設(shè)中，出于控制成本的考慮，都沒有設(shè)置這樣的軌道，改正信息是由第三方通過其他類型或者地面手段來實現(xiàn)的，而北斗衛(wèi)星為了從一開始就盡最大努力來提高用戶的信號精度，在系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中就考慮了3種類型的軌道。

在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)中有一種叫做位置精度衰減因子的指標(biāo)，這個指標(biāo)的計算方法有點(diǎn)復(fù)雜，但是它的意義很明確，如果這個數(shù)字越大,精度就越差；數(shù)字越小，精度就越高。

一般來說，這個數(shù)字的大小和天空中可以見到的衛(wèi)星數(shù)量，以及這些衛(wèi)星的相對位置關(guān)系是有直接聯(lián)系的。衛(wèi)星數(shù)量越多，衛(wèi)星分布得越均勻，位置精度衰減因子就越小。

如果僅僅采用中圓軌道衛(wèi)星，在有些時候、有些地區(qū)所能夠見到的衛(wèi)星數(shù)量就不夠多。特別是在所謂的城市峽谷地區(qū)和真正的山谷里，能夠見到的衛(wèi)星數(shù)量就很少，很多時候甚至于不能夠保持導(dǎo)航服務(wù)。

增加靜止軌道衛(wèi)星和傾斜同步軌道衛(wèi)星，就能夠在服務(wù)區(qū)有效改善這種情況。

作為靜止軌道衛(wèi)星，它和地面之間是相對固定的。也就是說，在任何時候，我們只要不是處在遮擋的情況下，就一定能見到這顆衛(wèi)星。

實際上，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航的原理，我們只需要3顆衛(wèi)星就能夠知道自己的位置，只需要4顆衛(wèi)星就能夠測算出自己的速度。

那么如果有一顆靜止衛(wèi)星在頭上，對于中圓軌道衛(wèi)星的需求就大大減少了。傾斜同步軌道衛(wèi)星的作用更加顯著。

靜止軌道衛(wèi)星會被建筑物或者大樹、山脈遮擋，傾斜同步軌道衛(wèi)星就不一樣了，它會在地球的上空畫出八字形的軌跡。

對于覆蓋區(qū)的絕大多數(shù)用戶來說，傾斜同步軌道衛(wèi)星在一天當(dāng)中總會有某個時刻運(yùn)行到自己的正上方，只要不待在室內(nèi)就不會被遮擋。

如果部署足夠數(shù)量的傾斜同步軌道衛(wèi)星，那么在任何時刻，對于覆蓋區(qū)的任何用戶，都可以保證至少有一顆衛(wèi)星在自己頭頂上。

這就是中國北斗系統(tǒng)、日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)和印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)采用傾斜同步軌道衛(wèi)星的原因。

所以，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時采用3種軌道，能夠最大限度地給用戶提供良好的服務(wù)。

增強(qiáng)服務(wù)提升精度

精度是衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)永恒的一個話題。雖然在前文中提到了諸多改善精度的方法，但是到了實際應(yīng)用的時候，用戶們還是會覺得精度不夠高。

比如說，如果僅僅依靠衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號，地面上用戶可以實現(xiàn)6～10米的精度。這個數(shù)字聽起來好像還算不錯,但是在很多場景下根本就不夠用。

最簡單的就是公路導(dǎo)航。大家都有經(jīng)驗，如果關(guān)掉手機(jī)上的基站導(dǎo)航，僅僅使用衛(wèi)星信號，我們已經(jīng)能夠很精確地把自己引導(dǎo)到正確的方向上，甚至于轉(zhuǎn)彎、路口也沒有問題。

但是，我們能夠知道自己在哪一條車道上嗎？甚至很多時候，僅僅依靠衛(wèi)星導(dǎo)航信號，我們都不能夠分辨自己是在主路上還是在輔路上。

這個問題在鐵路運(yùn)輸上就更加突出，要知道鐵路交通不僅僅有我們所熟悉的高鐵，還有大量的貨運(yùn)列車運(yùn)行在傳統(tǒng)軌道上。

貨車之間的編組和運(yùn)行是鐵路部門一項非常復(fù)雜的日常工作。用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)來服務(wù)于調(diào)度工作，是衛(wèi)星導(dǎo)航單位和鐵路部門之間長期合作研究的課題。

或許有人會說，民用衛(wèi)星導(dǎo)航信號的精度很有限，如果能夠把軍用衛(wèi)星的信號開放給民間，精度就會得到很大的改善。比如美國GPS衛(wèi)星的軍用信號可以達(dá)到1米左右的精度，能夠解決民用系統(tǒng)的很多問題。

這種觀點(diǎn)確實是有道理的，然而我們且不說軍方會不會把自己的高精度信號開放，即便我們擁有1米精度的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，也不可能解決所有問題。

上文提到的公路車道判別和鐵路編組都需要分米級乃至厘米級的導(dǎo)航精度，那么1米的精度如何能夠滿足這樣的需求呢？

這一切都需要我們采用新的技術(shù)，也就是所謂的差分。

差分基本原理就是在地面上精確測定某一個點(diǎn)的坐標(biāo)，然后在這個點(diǎn)上放置一臺衛(wèi)星接收機(jī)。那么衛(wèi)星接收機(jī)測量信號和這個點(diǎn)的實際坐標(biāo)之間肯定是有一些偏差的。

這個偏差的影響因素很多，如太陽活動、大氣運(yùn)動、周圍其他電子設(shè)備的干擾等，但是其中最主要的就是大氣電離層對衛(wèi)星信號的折射。

電離層信號對導(dǎo)航精度的影響有一個特點(diǎn)，就是在很大范圍之內(nèi)，比如數(shù)百乃至上千公里之內(nèi)，所引起的誤差，無論是方向還是大小，基本都是一樣的。

比如說我們在某一個點(diǎn)上測得電離層所引起的信號向東偏差了5米、向南偏差了2米、向上偏差了1米，那么這個數(shù)字對周圍數(shù)百公里之內(nèi)的接收機(jī)都是有參考價值的。

把這個數(shù)字送達(dá)給所有的接收機(jī)，就能非常有效地改善所有人的導(dǎo)航精度。如果能夠?qū)崟r測量偏差數(shù)據(jù)，并且不間斷地發(fā)射出去，就形成了所謂的連續(xù)運(yùn)行參考站。它所提供的服務(wù)就叫做“精度增強(qiáng)”，簡稱“增強(qiáng)”。

早在GPS應(yīng)用的年代，中國的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用部門就非常重視連續(xù)運(yùn)行參考站和差分技術(shù)的開發(fā)，積累了豐富的經(jīng)驗和雄厚的技術(shù)實力。因此，當(dāng)北斗系統(tǒng)的建設(shè)啟動之后，增強(qiáng)服務(wù)也同時提上了議事日程。

從前，由于公眾通信系統(tǒng)的建設(shè)還沒有普及開，如何把增強(qiáng)服務(wù)提供給每個消費(fèi)用戶是個很大的問題。然而隨著5G建設(shè)的推進(jìn)，這個問題也迎刃而解。

因此，在不遠(yuǎn)的將來，我們即使拿著普通的手機(jī)，也能夠享受到非常高精度的增強(qiáng)服務(wù)了。

▲ 北斗“汽車行駛記錄儀”

▲ 北斗鐵路行業(yè)綜合應(yīng)用示范工程項目啟動

▲ 同時采用3種軌道的北斗星座

實現(xiàn)“星間鏈路”組網(wǎng)

時間是一個非常復(fù)雜的概念,可以說世界上沒有哪一個時鐘是完全準(zhǔn)確的，哪怕是高精度的原子鐘。

因為制造工藝之間的差異，不同原子鐘所報出來的時間也會存在著一定的不同。大家普遍采取的方式就是用很多臺原子鐘一起，用彼此的計時結(jié)果來相互驗證，相互修正，最后計算出一個大家都能接受的基本時間標(biāo)準(zhǔn)，再用這個時間標(biāo)準(zhǔn)來修正各臺原子鐘。

這個問題對于衛(wèi)星導(dǎo)航來說也是一樣的。同一顆衛(wèi)星上的幾臺原子鐘之間要相互修正，而且人們還經(jīng)常要用地面原子鐘計算出來的結(jié)果修正衛(wèi)星原子鐘的時間。

那么能不能在整個星座的幾十臺上百臺原子鐘之間也進(jìn)行這樣的修正呢？如果能夠做到，就會有效地提高整個星座的時間精度，進(jìn)一步提高導(dǎo)航和定位的精度。

要做到這一點(diǎn)，衛(wèi)星之間必須能夠彼此通信，這就是星間鏈路的用處了。

其實星間鏈路并不是導(dǎo)航衛(wèi)星所專有的，它最早是為了軍事衛(wèi)星通信而提出來的。

在冷戰(zhàn)期間，美國和蘇聯(lián)都在擔(dān)心一個問題：萬一哪天兩國忽然發(fā)動核戰(zhàn)爭，那么地面上的所有通信基礎(chǔ)設(shè)施都會被摧毀，兩個超級大國就只剩下衛(wèi)星可以用了。但是一顆衛(wèi)星并不能夠通聯(lián)全球，地球靜止軌道衛(wèi)星要想通聯(lián)全球，必須把信息發(fā)到地面上的一個通信站，再由這個通信站通過地面上的線路傳輸?shù)搅硗庖粋€通信站，再把信號發(fā)到另外一顆衛(wèi)星上，如此往復(fù)，才能實現(xiàn)全球覆蓋。

后來這個設(shè)計被著名的銥星系統(tǒng)所借鑒，形成了人類歷史上第一個不需要地面網(wǎng)站支持的低軌道通信系統(tǒng)。

在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展早期，由于成本和技術(shù)成熟度的問題，并沒有引入星間鏈路。但是在第一代GPS運(yùn)行期間，美國人就認(rèn)識到星間鏈路是很有必要的。

▲ 星間鏈路示意圖

于是在上世紀(jì)90年代末期，美國提出要在第二代GPS上逐步引入星間鏈路。引入星間鏈路之后一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，GPS系統(tǒng)可以在長達(dá)180天的時間內(nèi)，自己保持原子鐘的相互校正，實現(xiàn)足夠的導(dǎo)航精度。

北斗系統(tǒng)則采用了Ka頻段的星間鏈路。

所謂Ka頻段，就是26.5～40G赫茲之間的那一段無線電頻率。地球靜止軌道衛(wèi)星向地面提供衛(wèi)星電視和寬帶上網(wǎng)服務(wù)也會使用這個頻段。

Ka頻段的帶寬大、通信速度高，但是在為地面服務(wù)的時候，存在一種叫做“雨衰”的問題。就是在夏天下暴雨的時候，因為雨點(diǎn)的尺寸和Ka頻段的波長基本一樣，所以會嚴(yán)重干擾通信服務(wù)。

不過作為導(dǎo)航衛(wèi)星的星間鏈路，Ka頻段是非常合適的，因為宇宙里不會下雨。

星間鏈路的關(guān)鍵技術(shù)就是衛(wèi)星之間的通信波束信號要能夠彼此對準(zhǔn)。北斗衛(wèi)星的軌道位置是嚴(yán)格精確控制的，因此波束對準(zhǔn)聽起來很容易，但實際上這也不是一件很容易實現(xiàn)的事情。

北斗衛(wèi)星團(tuán)隊能夠在整個星座之間實現(xiàn)星間鏈路的組網(wǎng)，是一個非常了不起的成就。

▲ 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)地面基準(zhǔn)站

先進(jìn)的導(dǎo)航電文設(shè)計

導(dǎo)航衛(wèi)星向地面發(fā)射的信號是通過無線電波的形式來實現(xiàn)的。如果用導(dǎo)航接收機(jī)把它接收處理出來，顯示在屏幕上，能看到一長串復(fù)雜的字符。

這些字符已包含了豐富的信息，總體來說有這么幾個部分：衛(wèi)星的空間位置，衛(wèi)星的工作狀態(tài)，還有衛(wèi)星上原子鐘的改正信息，以及大氣電離層帶來的信號延遲如何改正等重要信息。

當(dāng)然，怎么把這些信息從2萬多公里之外送到地球上，是一件很復(fù)雜的事情。

導(dǎo)航衛(wèi)星雖然聽起來和通信衛(wèi)星是兩類不同的航天器，但是如果從某些學(xué)科的角度來觀察，它們都可以歸類為通信廣播服務(wù)衛(wèi)星。

實際上，導(dǎo)航衛(wèi)星向地面播發(fā)導(dǎo)航電文的方式就是廣播，用戶接收機(jī)只有接收的功能，沒有反向發(fā)送信息的功能。

因此，導(dǎo)航電文的設(shè)計完全可以用無線通信領(lǐng)域的很多概念來實現(xiàn)。

導(dǎo)航電文的設(shè)計要素主要包括電文結(jié)構(gòu)、電文內(nèi)容、信息速率、電文校驗和糾錯等方面。

一般來說，導(dǎo)航電文采用固定幀和數(shù)據(jù)塊相結(jié)合的模式。所謂固定幀，就好像我們買到的圖書和雜志一樣，每頁紙張的大小都是固定的，那么在這一張紙上印刷文字還是圖片，完全根據(jù)內(nèi)容來決定。而數(shù)據(jù)塊用于靈活擴(kuò)展導(dǎo)航電文的功能，就好比雜志中的插頁一樣，需要多少就增加多少。

當(dāng)然這也要付出相應(yīng)的代價，需要用戶設(shè)備拿出更多的處理器資源來處理。

導(dǎo)航電文的具體結(jié)構(gòu)涉及到專業(yè)領(lǐng)域的知識，這里就不做過多的闡述了，現(xiàn)在討論一下導(dǎo)航電文的內(nèi)容。

導(dǎo)航電文可以分為基本信息、擴(kuò)展信息和增強(qiáng)信息三大類型。

所謂基本信息包括了衛(wèi)星的位置信息、原子鐘偏差的改正信息和衛(wèi)星的完好性信息等。有了這些信息，才能夠?qū)崿F(xiàn)最基本的導(dǎo)航服務(wù)。其中衛(wèi)星位置信息又分為精密星歷和歷書兩部分。

精密星歷指的是發(fā)射電文的這一顆衛(wèi)星的精確軌道位置，只有知道了這個數(shù)字，接收機(jī)才能計算出電文從天上跑到自己這里用了多長的時間。

所謂的歷書就是一個相對粗略的、整個星座所有衛(wèi)星大概位置的信息。有了這個信息，可以加快精密星歷的計算過程，這對于高速運(yùn)動體的速度和位置確定是非常有價值的。

所謂的完好性，一般指衛(wèi)星的工作狀況是不是良好。要知道，導(dǎo)航衛(wèi)星并不是只有工作和不工作兩種狀態(tài)。有些時候由于一些技術(shù)問題，衛(wèi)星會出現(xiàn)姿態(tài)控制精度下降，或者信號發(fā)射功率受影響的不利局面。

這種情況下的衛(wèi)星雖然不是最佳狀態(tài)，但信號依然有參考價值，可以提供一些不是那么精確的導(dǎo)航信息。在某些極端情況下，這些不算太精確的信息也是有重要價值的。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文設(shè)計經(jīng)過了幾代發(fā)展，技術(shù)水平越來越高，目前已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，得到了國內(nèi)外用戶的肯定與稱贊。