北斗卫星导航系统应用特性分析

唐金元，周洪霞，王思臣

（海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛 266041）

北斗卫星导航系统应用特性分析

唐金元，周洪霞，王思臣

（海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛 266041）

在简要介绍北斗卫星导航系统（BDS）发展状况基础上，对北斗二代卫星导航区域系统的应用特性进行了分析。

北斗系统（BDS）；应用分析；定位；授时；短报文通信

1 绪论

卫星导航是利用人造地球卫星确定载体（飞机、舰船、车辆等）的位置及航行参数，从而引导载体沿预定航线航行的技术。卫星导航系统是利用人造地球卫星（以人造地球卫星作为导航台）对载体进行定位和导航的“星基无线电导航系统”。

从美国对前苏联1957年10月4日发射的第一颗人造地球卫星进行跟踪、观测从而发明卫星导航技术，1958年12月正式提出研制卫星导航系统至今，在国外历经了第一代卫星导航系统(美国子午仪TRANSIT卫星导航系统、前苏联的奇卡达Tsikada卫星导航系统)和第二代卫星导航系统（美国的导航星全球定位系统GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统GLONASS）以及伽利略（Galileo）卫星导航系统的发展历程，在国内历经了北斗一代卫星导航系统（北斗双星导航定位系统，北斗卫星导航试验系统）和北斗二代卫星导航系统（分北斗二代卫星导航区域系统、北斗二代卫星导航全球系统两个发展阶段）的发展历程，目前卫星导航系统已在世界范围内军、民用应用领域获得了广泛应用。

本文在简要介绍北斗卫星导航系统（BDS）发展状况基础上，对北斗二代卫星导航区域系统的应用特性进行了分析。

2 北斗系统发展简况

20世纪80年代初期以来，我国开始积极探索适合中国国情的卫星导航定位系统。1983年，我国“两弹一星”功勋奖章获得者、卫星测控专家陈允芳院士提出了利用2颗地球同步轨道卫星实现中国及周边区域导航定位和数据通信的设想，并指出了建立2颗地球静止轨道（GEO）卫星导航系统的基本技术路线。1994年1月，北斗双星导航定位系统正式立项、启动建设。2000年10月31日和12月21日，相继发射了第一颗（北斗-1A）、第二颗（北斗-1B）北斗一代卫星，2002年北斗一代卫星导航系统开始试运行。2003年5月25日，又发射了1颗北斗一代系统备用卫星（北斗-1C）。 2004年4月，北斗一代卫星导航系统正式投入运营，全面对民用用户开放。2007年2月3日，又发射第四颗北斗一代卫星（北斗-1D），用于替换第1颗北斗一代卫星。北斗一代卫星导航系统采用双星主动式定位体制，将区域性导航定位、精密授时和简短双向报文通信功能有机地结合在一起，成功解决了我国卫星导航定位系统的有无问题，并为后续建设全球性北斗卫星导航系统积累经验。

北斗卫星导航系统（简称北斗系统，英文缩写为BDS）遵循“先区域”、“后全球”(先建成覆盖中国及周边亚太地区的区域性北斗卫星导航系统，再扩展建成覆盖全球的北斗卫星导航系统)和“边建边用、以建带用、以用促建”的发展思路，按照以下“三步走”的发展规划分步实施。

第一步，如前所述，1994年1月启动北斗卫星导航试验系统（北斗双星导航定位系统，北斗一代卫星导航系统，简称北斗一代系统）建设，形成中国及周边部分地区的区域性导航定位、精密授时和短报文通信服务能力，使我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

第二步，2004年8月31日正式立项启动北斗二代卫星导航区域系统（北斗二代卫星导航系统一期工程）建设，该北斗二代卫星导航区域系统和后续北斗二代卫星导航全球系统与GPS、GLONASS类似，均采用4星被动式定位体制，该系统的空间部分采用“5GEO+5IGSO+4MEO”的14颗导航卫星混合星座结构。从2007年4月14日发射北斗二代区域系统首颗中圆地球轨道（MEO）卫星（北斗-M1），2009年4月15日发射第二颗静止地球轨道（GEO）卫星（北斗-G2），到2012年10月25日发射第16颗GEO卫星（北斗-G6），历经5年多时间完成了北斗二代卫星导航区域系统的14颗导航卫星的空间布设。2012年12月27日，北斗二代卫星导航区域系统正式提供区域性服务，开始向中国及周边亚太大部分地区提供连续定位、导航、授时和短报文通信服务。

第三步，2013年开始北斗二代卫星导航全球系统（北斗二代卫星导航系统二期工程）建设工作，该全球卫星导航系统采用“5GEO+3IGSO+27MEO”的 35颗导航卫星混合星座结构。从2015年3月3日到2016年6月12日，已先后发射了7颗北斗二代卫星导航全球系统试验卫星（整个北斗二代卫星导航系统的第17～23颗导航卫星）。计划到2020年左右，全面建成北斗二代卫星导航全球系统，具备全球范围连续被动式定位、导航和授时等服务能力。

3 北斗二代区域系统应用特性分析

北斗二代卫星导航区域系统（简称北斗二代区域系统）是目前处于广泛应用中的区域性卫星导航系统。下面对北斗二代区域系统的应用特性进行简要分析。

3.1 北斗二代区域系统功能和性能指标

北斗二代卫星导航区域系统的公开服务主要功能和性能指标如下：

（1）主要功能：无源定位，测速，单双向授时，短报文通信。

（2） 服务区域：中国及周边亚太大部分地区。

（3）定位精度：平面10m，高程10m（2σ）。

（4）测速精度：0.2m/s。

（5）授时精度：单向50ns，双向20ns。

（6）短报文通信：（40～120）个汉字/次（军、民用户不同），70万次/小时。

北斗二代区域系统“5GEO+4MEO+5IGSO”星座结构的具体服务区域为。

可用服务区：指满足水平和垂直定位精度优于30m（置信度95%）的服务范围，目前是南纬55°～北纬55°、东经40°～东经180°的大部分区域；

公开服务区：指满足水平和垂直定位精度优于10m（置信度95%）的服务范围。目前是南纬55°～北纬55°、东经70°～东经150°的大部分区域；

重点服务区 ：是北纬10°～北纬55°、东经75°～东经135°。

目前北斗二代卫星导航区域系统的公开服务区域示意图如图1所示。

3.2 北斗二代区域系统短报文通信特性

北斗卫星导航系统的短报文通信服务功能是该系统所特有的功能，是北斗系统有别于其他卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo等）的一大特色。下面简要分析北斗二代区域系统短报文通信的工作方式和主要技术指标。

图1 北斗卫星导航区域系统公开服务区域示意图

（1）短报文通信工作方式。北斗系统具有点对点（也称端对端）双向报文信息传输工作方式，它是数据报告方式，以数据包的形式传输。北斗用户发送终端采用码分多址（CDMA）直接序列（DS）扩频调制方式，扩频伪码采用周期性伪随机码（PN）序列,发送频率为L波段，通过北斗卫星转换为C波段由北斗地面站接收,经北斗地面站处理后发给北斗卫星,再经卫星转换为S波段发送给北斗用户接收终端,完成一次点对点的通信。反向发送过程亦然，通信流程为：短报文用户发送端首先将包含接收方ID号和通信内容的通信申请信号加密后通过北斗卫星转发至北斗地面中心站（入站信号）；地面中心站处理接收到的信号，并将其发送到地面网管中心；地面网管中心接收到通信申请信号后，经解密和再加密后发送至地面中心站；地面中心站将其加入持续广播的出站信号电文中，经北斗卫星广播给用户接收端。用户接收端的控制信息以相同的方式送发送端。

北斗系统短报文通信的流程示意图如图2所示。

图2 北斗系统点对点双向报文数据传输示意图

在北斗系统卫星通信点对点双向报文信息传输工作方式中，还有一种点对多点的“通播”（广播）工作方式,即在一个北斗用户群（用户系统）中，将其中的一个测站作为主站（中心站），将其终端设备号码写入本群中其它测站（从站）的终端设备的映像地址中，当此主站作通播方式发送信息时，则用户群中所有使用同一卫星波束的其他测站都能同时收到此信息。主站既可以接收数据信息也可以发送控制信息,其他测站只能接收数据信息而不能发送控制信息。这样,通过通播功能可以构成点对多点通信。此功能也可以用作系统的广播回执，即在系统的一次定时自报后一定时间内，将系统中收到的测站和未收到的测站信息广播出去，未收到自报信息的测站则再次发送信息,从而提高了系统的畅通率，同时也减少了系统中心站的发送次数。从站终端每次发送数据后等待接收主站的回执，如果在规定时间内没有接收到回执，则延时一段时间再发送一次，以增加数据传输的可靠性。如果用户系统的主站采用北斗指挥型终端，则回执可一次在全部卫星波束上发送，用户系统的所有其他从站都可以同时收到主站的回执。

（2）短报文通信技术指标。北斗二代区域系统的短报文通信主要技术指标数据如下。

①服务区域。北斗二代区域系统的公开服务区为S55°～N55°，E70°～E150°的中国及周边亚太大部分地区。②工作频段。北斗系统地面站至北斗空间卫星为C波段，其中上行频率为6GHz，下行频率为4GHz；北斗用户终端至北斗空间卫星，上行为L波段，频率为（1615.68±4.08）MHz，下行为S波段，频率为（2491.75±4.08）MHz。③双向数据通信信息长度。北斗系统的短报文通信功能允许用户与用户、用户与地面控制中心之间进行双向数据传输，双向数据通信的信息长度为：一般用户一次可传输40个汉字（80个字节）,经核准的用户可利用连续传送方式,最多一次可传送120个汉字（240个字节，480个BCD码）。④数据传输速率。北斗系统上行(入站)信道数据传输速率为16.625kbps，下行（出站）信道数据传输速率为31.25kbps。⑤信号调制方式。北斗系统信号采用码分多址（CDMA）直接序列（DS）伪随机码（PN）扩频调制方式。⑥用户终端类型和服务频度。北斗用户终端类型和服务频度由授权决定，北斗用户类型按等级分为一、二、三3类，其中一类同户机（5～10）min服务1次，二类同户机（10～6）0s服务1次，三类同户机（1～5）s服务1次。

[1]唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[J].全球定位系统,2013(5):47-52.

[2]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告[J].国际太空, 2012(4):6-11.

[3]邰敏.北斗卫星导航系统正式提供区域服务[J].卫星应用,2013(1):5-8.

[4]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告(2.1版)[J].卫星应用,2013(1):9-12.

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