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谭述森:北斗系统创新发展与前景预测

时间:2017-11-27 来源:测绘学报 点击:
作者简介:谭述森(1942-), 男, 中国工程院院士, 研究方向为卫星导航系统总体设计。

摘要:随着旺盛的卫星应用社会需求及航天新技术的迅猛发展,天基无线电系统相互交叉融合已成趋势。北斗系统从两颗卫星起步,以快速定位报告(RDSS)与短报文通信(MSS)业务为特色建成中国第一代卫星导航定位系统。随后,用8年时间构建了RNSS连续导航与RDSS定位报告相结合的北斗技术体制,完成了亚太地区覆盖。通过有效的卫星无线电频率兼容设计与国际协调,北斗系统是世界上第一个被国际电信联盟(ITU)规则认可的RNSS、RDSS、MSS三大业务相结合的卫星无线电系统。本文阐述了北斗系统在创新超越理念下的三大业务、四大功能的发展历程、技术体制、主要特点及前景预测。

 

关键词:北斗系统    卫星无线电测定    卫星移动通信    卫星无线电导航  
 

北斗系统于2000年以2颗卫星小幅起步,建成了具有位置报告、短电文通信等显著特色的北斗试验系统,使我国成为世界上第3个拥有自我卫星导航系统的国家。随后于2012年12月,利用14颗卫星完成了北斗区域系统建设,实现了对亚太地区的连续覆盖,受到ICG认可成为世界四大卫星导航核心供应商之一[1]。

 

北斗区域导航系统建成运行后,伪距测量精度约为33 cm,载波测量精度约为2 mm;伪距单点定位水平精度优于6 m,高程精度优于10 m;载波相位差分定位精度在超短基线情况下优于1 cm,短基线情况下优于3 cm;单频伪距差分定位精度优于2.5 m,与GPS相比存在较大差距,其主要原因可能为北斗GEO卫星伪距多路径误差较大[2-3]。

1.卫星导航理论与实践概述
 

1.1 卫星无线电导航历史演变

卫星无线电导航创始于20世纪60年代。早期的卫星导航系统,主要以解决海洋用户平面位置为目标,典型用户是潜艇海洋定位。

 

苏联1960年代开始设计论证蝉(Tsiklon)系统,到1979年发射了4颗蝉系统卫星[4]。卫星轨道高度1000 km,下行频率150 MHz和400 MHz,采用多普勒原理确定用户平面位置坐标。定位均方根误差为250~300 m,响应时间5~6 min。经大地测量与地球物理学者的努力,精度可提升至80~100 m。随后,蝉系统卫星补充了遇险接收设备,为用户配备了无线电浮标装置,发射121 MHz和406 MHz遇险信号,卫星将接收到的遇险信号中继至地面站,由地面站计算遇险用户位置,用于生命救援[5]。与美国、法国、加拿大合作形成了COSPAS-SARSAT空间搜救系统。同时期,美国建设了海军无线电系统,称为子午仪系统(Transit)[6]。采用与蝉系统相当的轨道高度、工作频率,服务对象为美军核潜艇海上平面位置定位,通过卫星信号多普勒频率测量与卫星广播星历计算,确定用户平面位置。

 

上述两个系统均不能为用户提供精确的速度与定位时间信息,并且卫星轨道低、稳定性差,难以满足日益旺盛的全球导航需求,因此,两个超级大国很快就开启了新的卫星导航系统论证研究。1973年前后,两国分别提出了GPS和GLONASS方案的雏形。基本定位原理是通过同时对4颗以上卫星信号的伪距测量和多普勒测量,确定用户三维位置、速度矢量与定位时间,形成了PNT服务完整概念。

 

国际电信联盟(ITU)在1979年召开的WRC-79大会上,为两大系统量身指配了卫星导航L1频段(1559~1610 MHz),L2频段(1215~1260 MHz)频率。两大系统均采用20 000 km高度左右的中圆轨道(MEO)卫星构成基本星座,时空基准框架均使用世界协调时UTC和地心坐标系。全球卫星导航系统(GNSS)自此逐渐发展起来。目前世界GNSS领域,包括在建的系统,已有GPS、GLONASS、Galileo、北斗(BDS)等四大全球系统,以及QZSS、IRNSS等若干区域系统[7]。

 

1.2 卫星无线电定位报告历史演变

1978年,美国圣地亚哥机场附近发生飞机相撞事件,造成了167人丧生的历史惨剧。随后,美国学者G.K.O’NEILL博士提出了基于3颗GEO卫星的卫星无线电测定业务(radio determination satellite service,RDSS)的防撞系统方案。1987年国际电信联盟(ITU)确认了该系统地对空频率为1610~1 626.5 MHz,空对地频率为2 483.5~2500 MHz[8-9]。实际发展过程中,美国全球星(Global Star)等四大系统开启了以防撞位置服务为主要业务的MSS服务。2000年,中国成功发射了2颗北斗一号卫星,通过双星定位原理、定位报告业务真正实践了RDSS概念、理论与系统架构。2003年正式建成的北斗一号系统,使得中国成为是世界上第3个拥有自主卫星导航系统的国家。

 

2014年3月8日,马来西亚航空公司MH370航班失事,239名乘客及机组人员下落不明。此后,中国卫星导航学者提出了北斗全球系统RDSS航行跟踪及遇险救援方案。美国则于2015年,在IMO、ITU等国际组织会议场合,提出了全球水上安全与遇险救援系统(GMDSS)现代化的建议,主要是推动基于铱星系统的生命安全服务。

2.北斗系统创新发展历程

北斗系统与子午仪、蝉系统相比,起步晚了30多年,与GPS、GLONASS相比,也晚了20年。时间跨度之大,无论是用户需求还是导航技术均发生了跨时代的变化。解决“我们在哪里?”远比解决“我在哪里?”重要得多。用户信息共享成了导航主要需求。交通拥堵、无人驾驶、飞行器防撞、水上安全遇险等成为关注的重点。遇险定位精度、报告响应时延需求提升为米-秒量级。“GNSS定位+MSS报告”的传统模式面临频率匮乏与成本巨大的难题,中国建设北斗系统,立志创新成为必然。

 

2.1 构建北斗定位报告体制、一步满足国家急需

1994年1月,国家批准了“双星导航定位系统”立项报告,命名为“北斗一号”。以2颗卫星为代价,建成一个实用化卫星无线系统,拉开了以精确测量时间与空间为目标的卫星无线电系统建设序幕。工程目标清楚表明,定位报告与短报文通信是北斗一号的主要业务。面临的理论挑战、技术难题十分突出。

 

通过一系列关键技术的突破与工程化实现,北斗一号也取得了大量世界级成就,并形成鲜明特色:① 两颗卫星实现大范围高精度定位授时服务,满足了中国及周边服务;② 双向授时精度10 ns;③ 实现了大容量用户1 s快速定位报告,响应速度居国际领先水平;④ 定位和报告在同一信道完成,用户知道“我在哪里”,还知道“我们在哪里”;⑤ 实现了用户双向报文通信。北斗一号快速定位报告功能,完整地诠释了RDSS业务的丰富内涵和先进特色[10]。

 

2.2 构建实时连续导航与定位报告融合体制,建成北斗二号区域系统

2004年,“北斗二号”立项,于2012年12月建成了以实时连续导航与实时定位报告相融合的北斗技术体制,实现亚太覆盖的区域卫星导航系统,从根本上摆脱了对国外卫星导航系统的依赖。中国成为全球卫星导航核心供应商之一,为世界卫星导航领域发展作出了贡献。

 

中国北斗二号弥补了北斗一号在定位连续性、速度测量、服务完好性等方面的不足,总结起来,有如下主要特点:

 

(1) 全球第一个连续导航与定位报告相融合的技术体制。卫星系统、运控系统、应用终端全面实现了两种体制融合。攻克了多信号兼容、邻频及收发隔离、用户终端小型化难题。解决了导航业务、卫星固定业务、卫星移动业务众多网络频率兼容与业务协调。北斗双模用户机受到广大用户青睐,成为卫星导航与通信综合应用的热门装备。

 

(2) 全球第一个三轨混合导航星座,实现三星座区域综合PNT服务[11]。按照先服务亚太、再扩至全球的思路,边建边用、突出重点的原则,构建了以5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星(目前已达6颗)、4颗MEO卫星的混合星座。这种星座,在低纬度地区及林区、城市交接区、山川峡谷区性能突出,“一带一路”沿线大部分国家用户可见卫星数维持在7~9颗。表 1是以泰国地区CORS站性能为例,与GPS系统单一星座比较,北斗星座效率明显较高。北斗二号区域系统在世界上率先采用以GEO卫星、IGSO卫星为主体的星座设计方案,后来出现的日本QZSS、印度IRNSS也基本遵循了类似思路。

 

表 1 泰国地区北斗CORS站精度性能Tab. 1 Accuracy of BeiDou CORS station in Thailand

服务性能

系统星座

北斗区域星座

GPS全球星座

北斗+GPS

可见卫星数/颗

12~14

6~8

18~22

可用卫星数/颗

12~14

6~8

18~22

平均PDOP

1.58

2.77

1.27

水平精度RMS/m

1.65

3.55

1.60

三维精度RMS/m

3.44

7.84

3.03

 

(3) 全球第一个具备三频完整服务能力的导航系统。北斗系统于2012年具备B1、B2、B3完整三频服务能力,与GPS计划2021年前后实现L1、L2、L5三频服务计划相比,提前了近10年。北斗系统三频导航信号为实现厘米级精度实时定位奠定了基础,计算收敛速度更快、作用范围更广。载波相位模糊度解算时间由GPS双频40 s降为10 s,测量作业距离由双频20 km扩大至三频100 km[1]。

(4) 国际上首次设计星地双向时间同步技术。通过地面对卫星信号的测量和卫星对地面上行信号的测量,卫星钟差测量精度优于1 ns,解决了卫星钟差测量、评估和恢复的难题,提高了定位精度及稳定性。

(5) 精密快速定位报告系统研制成功。在北斗二号系统支持下,采用地面中心处理三频观测数据,在2 min的定位报告响应时间内定位精度优于1.0 m,与现有SBAS广域差分服务相比,作用范围更广,操作简单,不需设基准站,也无需用户端后处理。

(6) 实现了用户快速跟踪与遇险救援报警。系统采用广义RDSS定位报告原理,通过用户及中心系统的观测与处理,用户定位报告精度为米级,报告响应时间为10 s,为用户跟踪、生命救援等应用提供了性能优异的手段。
 

3.世界卫星导航发展现状与趋势
 

3.1 频率资源枯竭、导航卫星总数超过极限

传统的L1、L2导航频率上的不同导航信号拥挤重叠。2000年后,ITU登记的卫星数已超过139颗,各大系统导航信号集总功率通量密度EPFD已接近ITU规则限值。频率、功率及轨位的争夺日益激烈。“先占先得”“在轨卫星总数”将成为ITU的新规则。同时,ITU还规定已合法登记并履行在轨运行的频率地位为有效,如无实际在轨卫星,将被删除合法地位。GNSS竞争与合作的局面将继续长期存在。表 2、表 3列出了各大卫星导航系统的卫星数和导航信号参数。

 

表 2 全球导航卫星总数(截至2016)Tab. 2 Total number of global navigation satellites(As of 2016)

系统

参数

设计卫星数/颗

在轨卫星数/颗

服务卫星数/颗

轨道种类

GPS

36

32

32

MEO

GLONASS

24

28

23

MEO

BDS

35

20

13

GEO、IGSO、MEO

Galileo

30

12

0

MEO

QZSS

7

1

1

GEO、IGSO

IRNSS

7

-

-

GEO、IGS

 

表 3 RNSS频率资源现状Tab. 3 Status of RNSS frequency resources

频段

频率

PFD限值/(dBW/MHz/m2)

ITU指配时间

注:L频段共187 MHz,总需求大于总资源;S频段16.5 MHz,中国北斗在GEO、IGSO、MEO上均完成在轨信号发布;C频段20 MHz,传输损耗大,无法全球应用。
   2003年达成协议:1164~1215 MHz频段,所有卫星集总功率通量密度EPFD不得超过-121.5 dBW/MHz/m2,其中单星PFD不超过-129 dBW/MHz/m2。因此,国际电联不得不每年召开一次609会议,审定EPFD是否实际超限。
   2000年,RAC 2000规定:1260~1300 MHz频段,PFD不得超过-123 dBW/MHz/m2。
   2012年达成协议:2483.5~2500 MHz频段,用于RNSS业务的功率通量密度限值为-129 dBW/MHz/m2。

L1

1559~1610 MHz,共51 MHz

 

1979年

L2

1215~1260 MHz,共45 MHz

 

1979年

L5

1164~1215 MHz,共51 MHz

-110

2000年

B3

1260~1300 MHz,共40 MHz

-123

2000年

C

5010~5030 MHz,共20 MHz

 

2000年

S

2 483.5~2500 MHz,共16.5 MHz

-129

2012年


3.2 导航信号局域功率增强不可缺少

由于无线电信号的脆弱性及国防规则对功率通量密度值(power flux density, PFD)的限定,导航信号在一般条件下可以正常接收。在复杂电磁环境下,必须增强信号发射功率,以实现抗干扰、抗欺骗。GPS授权信号选用L频段信号进行增强,增强天线口径为3.0 m,可增强15 dB[8]。由于北斗B3、Bs调制性能好,因此B3、Bs局域功率增强性能可与之相当。如果选用较小的2.0 m天线,发射功率增大1倍,也可实现15 dB增强。因此,功率增强不是拦路虎,实现只在朝夕。

 

3.3 提高单星质量,参与GNSS互操作

北斗是第一个实现与其他三大全球系统兼容与互操作的系统,并可在B1C/L1C/E1信号和B2a/L5/E5信号两个频段上实现与GPS和Galileo的互操作[13]。除此以外寻求在其他信号上的互操作是不现实的。北斗也不可能、不应该成为GPS的增强卫星。按照协调一致的最大与最小信号功率建成自己的系统,可以取得先入为主的国际标准及市场优势。尤其可消除国际用户对北斗信号的信任危机。其关键因素是确保卫星信号的质量,提供即时而准确的完好性标识。

 

3.4 导航通信组合,提供位置共享

导航与移动通信相结合已成为个人标配信息终端。20世纪90年代美欧率先炒热的铱通信系统、全球星、奥德赛、INMARSAT等通信系统,虽然技术先进,由于效费比低,败给了地面光通信及移动手机。2000年以后,铱通信及INMARSAT把业务转向位置服务,获得再生。2014年3月8日马航MH370航班失事,美借机在IMO领域提出了GMDSS全球水上遇险救援国际标准制定议题,一个以国际标准为武器的导航通信组合竞争游戏,将成为位置信息共享的新战场。

4.北斗系统前景预测
 

4.1 35颗北斗卫星构成最佳星座

2007年中国宣布北斗系统由5颗GEO卫星、30颗非GEO卫星构成。北斗最佳星座将由5颗GEO卫星、6颗IGSO卫星、24颗MEO卫星构成。实行按寿命备份策略,其常态可用卫星不低于35颗,并具有如下优点:

 

(1) 5颗GEO卫星+6颗IGSO卫星+少许MEO卫星构成三大业务、四大功能亚太区域覆盖,实现重点服务区第一重服务。5颗GEO卫星+6颗IGSO卫星同时构成亚太Ka频段千兆赫兹(GHz)大容量天基通信网络,与其他亚太通信网实现互联互通,满足亚太、西太平洋区域通信需求。

(2) 24颗MEO卫星构成三大业务、四大功能全球覆盖,并实现亚太、西太平洋第二重覆盖。

(3) 亚太地区双星座覆盖,其可靠性达99.99%,建设区域无线电导航通信备份系统的必要性为0.01%。

(4) 6颗IGSO卫星可实现全球RDSS定位报告及短电文通信业务,其用户容量为24颗MEO卫星的10倍,因为入站信息速率提高了5倍。

(5) 5颗GEO卫星及6颗IGSO卫星的热点区域功率增强波束可实现亚太及西太平洋区域1至2个热点区域覆盖,还可用于对地球两极RDSS、MSS业务增强,是形成亚太空间战略平衡的重要砝码。

(6) 5颗GEO卫星及6颗IGSO卫星构成覆盖中国国土及海洋的多业务天基宽带信息系统,为无人驾驶平台作业及新概念对抗创造了广阔天地。

(7) 北斗系统3种轨道卫星星座构型形成进退自如态势。即使少数卫星功能暂时受阻,也可支持一场反介入局部冲突。

(8) GEO卫星、IGSO卫星具有建立以冷原子钟为主的星基时间基准的条件,未来卫星主钟稳定度水平可达1×10-16。届时,可在较弱星间时间同步精度下实现长时间自主导航。

 

4.2 北斗全球RNSS/RDSS/MSS三业务融合系统,超越国际多系统组合先例

1997年之前,美国卫星导航界出现了以任务为导向,替代以技术为导向的系统建设思路。提出了NavComm导航通信组合概念。主张在GPSⅢ卫星上设计多个波束:一个为覆盖地球的导航波束,一个或多个区域覆盖可移动增强波束用于导航通信信号功率增强。随后又推出利用铱通信系统高速率广播GPS星历及精密广域差分信息,从而降低GPS终端冷启动首次定位时间,并提高定位精度。还将铱星与GPS相结合,建成了蓝军战场跟踪系统,满足了旅级作战部队快速定位报告需要。铱星定位报告响应时间将由数十秒降低为秒级,满足生命救援快速响应需求。

 

美国多系统并行发展、多系统终端集成是美国经济、科技先进水平的必然结果,也是超前抢占丰富频率资源的结果。显然,按任务为导向评价,具有成本高、运行维护代价高的缺点。

 

中国与美欧相比,既有巨大经济落差,又有频率轨位资源匮乏劣势。以任务为导向的建设方案不可以按美欧方案复制,创新是唯一出路。在国际ITU专家的合作下,打开了另一扇窗户,实现了L(1610~1 626.5 MHz)、S(2 483.5~2500 MHz)3种业务共享频道。北斗系统以RDSS业务为中心,实现了定位报告1 s响应时间、米级精度位置告警,视场工作卫星由5颗(4颗导航,1颗通信)降为3颗。北斗一个系统完成3个系统才能完成的任务,一个终端完成4个终端的功能,必然受到用户青睐。北斗自动相关监视-广播(BDADS-B),取代地面常规ADS-B,与IrADS-B、InADS-B同台竞争,是中国人的骄傲。北斗的实用价值满足“一带一路”倡仪,是对国际经济一体化的贡献[11-13]。

 

4.3 Bs信号必将担当北斗大任

(1) Bs信号频率是国际电联ITU唯一认可具有三大业务的频率,极其宝贵。

(2) 由于L频率导航信号不堪重负,Bs频率将是今后多系统频率争夺的焦点。中国北斗处于优先地位,不可谦让。

(3) 是北斗授权信号摆脱屈居世界第四的唯一选择。表 4列出了北斗系统在全球四大系统中的军用带宽占百分比。

 

表 4 2020年后四大系统授权信号频带宽度占有量Tab. 4 Authorized signal bandwidth occupancy of four system after 2020

项目

系统

北斗二号(2012年)

北斗三号(2020年)

GPSⅢ

GLONASS

Galileo

注:北斗2020年与2012年水平相比,信号个数由3个降为2个;信号带宽由44 MHz降为28 MHz;屈居四大全球系统第4位。

授权信号个数

3

2

2

2

3

授权信号总带宽/MHz

44

28

61

34

40


(4) Bs导航信号精度高。Bs单频电离层修正残差是L1的0.4;B1+Bs双频URE为0.566 m,是L双频的0.67倍。

 

4.4 北斗新三频授权服务成就高精度时空服务新水平

北斗系统公共服务三频信号为B1C、B2a、B2b,已实现三频导航发射天线相位中心重合。

北斗系统授权三频信号为B1A、B3A、Bs,在三频导航发射天线相位中心重合条件下,其优点是:

(1) 可成就RTK用户大范围快速测量。载波相位模糊度解算由双频40 s缩短为10 s,测量范围由双频20 km扩展至100 km。

(2) 成就航天器全弧段高精度测控。定轨精度达厘米级,控制弧段为全弧段可控,是天基系统组网测控的新手段[14]。

 

4.5 天地一体化智能运控助北斗服务不再中断

北斗系统三大业务、四大功能是信息社会须臾不可或缺的信息资源,服务必须保证高度稳定连续。运控系统智能化是进一步探索的新目标,主要障碍及努力方向如下:

(1) 维持时空基准是首要任务。维持北斗时与UTC连续准确时差。星地、星间链路及地球时间锚固站的双向伪距测量是实现卫星钟差与UTC同步的有效措施[15]。

基于地面锚固站维持可监测维持北斗系统全星座的地球坐标系,用好锚固站对卫星观测量的定轨数据是维持坐标基准的有效措施。地球时间锚固站和地球坐标锚固站可以并址双站合一工作。全球3~5个锚固站可实现时空基准稳定维持。

(2) 光喷泉原子钟及星间链路实现卫星钟差亚纳秒同步精度。

(3) 基于3种轨道35颗卫星冗余覆盖星座,允许少许卫星轮回作星历指标自校与恢复,不影响系统服务性能。

(4) 卫星轨道自主推算,维持星历自主发布。

(5) 地面运控仅维持时空锚固站正常工作即可实现星座时空基准维持。

(6) 星间、星地数据链自校、恢复与评价由指定的主卫星或互备地球站执行。

 

【引文格式】谭述森。北斗系统创新发展与前景预测[J]. 测绘学报,2017,46(10):1284-1289. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170329