北方通用電子集團有限公司 姜 萍 戎文強 孫 健

一、引言

北斗二代系統(tǒng)兼具RDSS與RNSS兩種業(yè)務(wù)模式。RDSS屬于主動定位系統(tǒng)，兼具短報文通信業(yè)務(wù)，需要用戶發(fā)射信號；RNSS屬于被動式定位系統(tǒng)，無需用戶發(fā)射信號。RDSS與RNSS兩種業(yè)務(wù)具有較好的互補性。本文提出了RDSS與RNSS業(yè)務(wù)從信號處理層到數(shù)據(jù)處理層的多種組合應(yīng)用模式，并簡要分析涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括基于時間不確定度壓縮的RDSS輔助RNSS的快速信號捕獲技術(shù)、RNSS輔助RDSS進行發(fā)射頻率校準(zhǔn)技術(shù)、RDSS與RNSS高動態(tài)場景的高精度時間同步技術(shù)、RDSS與RNSS組合的高精度單點定位技術(shù)等。各種技術(shù)可應(yīng)用于軍用和民用兩個應(yīng)用體制中，形成單一系統(tǒng)無法實現(xiàn)的應(yīng)用場景。

二、RDSS與RNSS組合技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

1.RDSS輔助RNSS快速信號捕獲技術(shù)

雙模用戶機是指具備RDSS和RNSS功能的用戶機，軍用領(lǐng)域的雙模型用戶機由于需要實現(xiàn)長碼直捕功能，需輸入能達到一定精度的時間信息。常規(guī)狀態(tài)下的長碼捕獲的時間信息可由短碼捕獲、同步后得到的時間信息轉(zhuǎn)換而成。但是，在特定應(yīng)用環(huán)境下可能系統(tǒng)會關(guān)閉短碼支路，從而造成長碼無法得到由短碼交接帶來的時間信息。在此種應(yīng)用模式下獲得的時間信息，可由用戶機的RTC器件保持、以及外部輸入獲得。其中，由RTC器件保持的時間受制于RTC器件的時間保持精度，且有一定的時間保持限度。而外部輸入信息也會遇到高精度時間信息來源以及時間信息輸入的問題。

RDSS具備捕獲快、獲得時間信息快的特點，可采取RDSS定位獲取時間信息，也可采用根據(jù)星歷時間和估算時延計算得到的時間信息。下面以精度稍低的第二種方式為例進行捕獲時間獲取的過程及精度進行描述。

RDSS部分在達到穩(wěn)定跟蹤后，會在5s～15s內(nèi)收集齊GEO衛(wèi)星星歷。并且可以從星歷信息中提取到發(fā)射時刻。通過RDSS載荷所提供星歷中的“上行時延”以及估算的下行傳播時間，可以得到精確度為10ms以內(nèi)的衛(wèi)星信號傳播時延，從而得到精確度為10ms的接收機時間。北斗二代系統(tǒng)中RNSS和RDSS的時間基準(zhǔn)已經(jīng)統(tǒng)一，所以可直接用于RNSS捕獲模塊的時間校準(zhǔn)，設(shè)置長碼捕獲的時間不確定度寄存器，從而縮短捕獲時間，且不需要其他時間信息來源。根據(jù)該架構(gòu)實現(xiàn)的RNSS長碼首次定位時間可縮短為60s。

2.RNSS輔助RDSS發(fā)射頻率調(diào)節(jié)技術(shù)

RDSS設(shè)備入站發(fā)射時需考慮發(fā)射頻率準(zhǔn)確度，以確保發(fā)射信號可正確入站。所以在動態(tài)較高環(huán)境下應(yīng)用的雙模用戶機，需計算由于動態(tài)引起的多普勒疊加至RDSS發(fā)射信號頻率上的頻率偏移，并消除后保持一定的發(fā)射頻率準(zhǔn)確度。用戶機的RDSS信號跟蹤模塊送出的接收頻偏由兩部分構(gòu)成：接收機動態(tài)引起的多普勒和晶振漂移引起的頻偏，要保證發(fā)射頻率準(zhǔn)確度，必須消除多普勒和晶振頻偏，但是這兩部分的調(diào)節(jié)方向相反，現(xiàn)有流行的接收機設(shè)計尚無法將兩種漂移區(qū)分開。而雙模用戶機中此時若RNSS已接收正常，可通過RNSS獲取真正的多普勒，結(jié)合RDSS的接收頻偏區(qū)分多普勒和接收頻偏，再調(diào)節(jié)發(fā)射頻綜，保證發(fā)射頻率準(zhǔn)確度。

3.RDSS與RNSS組合的高精度單點定位技術(shù)

目前，RNSS系統(tǒng)的定位精度可達到水平10 m（95%），高程10m（95%）的精度指標(biāo)，如需達到更高的定位精度，可利用局域差分系統(tǒng)進行誤差修正。以現(xiàn)行較為通用的GPS差分系統(tǒng)為例分析DGPS系統(tǒng)組成，以提出RDSS和RNSS技術(shù)結(jié)合的差分定位系統(tǒng)設(shè)想。

現(xiàn)行常用的沿海無線電指向標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)（RBN-DGPS）是一種新型、高精度、高全天候的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為公共用戶提供無償?shù)?m內(nèi)的定位精度服務(wù)。利用信標(biāo)差分系統(tǒng)在內(nèi)陸是300km的作用距離，在海上是500km的作用距離。而針對北斗二代系統(tǒng)的特點，可構(gòu)建改進的北斗二代局域差分系統(tǒng)，即通過RDSS通信手段傳遞北斗二代RNSS或GPS差分信息，從而擴大局域差分系統(tǒng)的作用。

由于RDSS信道容量有限，基站用戶機的用戶卡需有一定的頻度限制，且需采用指揮用戶的通播功能，也可采用專用差分接收ID實現(xiàn)差分信息接收。所以此方案需考慮基準(zhǔn)站用戶機的信息、發(fā)送頻度和長度的可實現(xiàn)性，以及妥協(xié)策略帶來的精度誤差。

4.RDSS與RNSS組合的高精度授時技術(shù)

RDSS系統(tǒng)具備雙向授時功能，其系統(tǒng)設(shè)計精度可優(yōu)于10ns，與通常的GPS授時相比，可提高5～10倍，此功能可用于高動態(tài)用戶的精確時間同步。

三、應(yīng)用系統(tǒng)舉例

研究分析與初步實踐證明，RNSS與RDSS組合可成為未來衛(wèi)星導(dǎo)航的最佳選擇，以滿足日益增長的導(dǎo)航定位、通信、授時之需要。下面是RDSS與RNSS組合技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用舉例。

1.通信與定位兼具的個人終端及指揮網(wǎng)絡(luò)

北斗二代指揮系統(tǒng)依托我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各類型用戶機采用與北斗地面系統(tǒng)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體制，具有獨立完成裝備定位、位置報告、態(tài)勢生成與分發(fā)的能力，也可依托其他通信鏈路，將控制中心獲得的各裝備位置信息發(fā)送到部隊指揮所，直接生成我方位置報告，解決現(xiàn)有普通型用戶機不支持集群應(yīng)用問題，突破軍隊作戰(zhàn)、訓(xùn)練、搶險救災(zāi)和打擊恐怖主義行動中的裝備定位和態(tài)勢感知的瓶頸問題，滿足軍隊信息化建設(shè)的急需。其系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 北斗二代指揮系統(tǒng)架構(gòu)圖

指揮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的個人終端可應(yīng)用RNSS和RDSS組合技術(shù)的各個關(guān)鍵點，成為捕獲速度快、定位精度高、可具備短報文功能和其他通信功能的多功能個人位置服務(wù)終端，可完成北斗系統(tǒng)位置報告、遠程地圖分發(fā)、特定場所形勢匯報等功能，成為適合新形勢戰(zhàn)場需求的終端設(shè)備。

指揮中心的指揮員可以清楚地從數(shù)字地圖上看到下屬各終端的位置活動情況，可以通過指揮管理軟件看到各終端的上報內(nèi)容及各站之間的通信內(nèi)容。還可響應(yīng)終端的請求指令，進行動態(tài)地圖分發(fā)等工作。指揮中心還可根據(jù)各站回傳的信息，綜合后進行戰(zhàn)場形態(tài)分析，發(fā)布通播指揮指令或點對點指揮指令。

2.基于北斗二代的漁船監(jiān)控系統(tǒng)

我國是漁業(yè)大國，海洋漁業(yè)水域面積300多萬平方公里。海洋漁業(yè)特點決定了海洋漁業(yè)生產(chǎn)是高風(fēng)險、高危事故高發(fā)的行業(yè)。如果海洋漁業(yè)生產(chǎn)中缺乏有效的通信手段和救援手段，會出現(xiàn)船只遇到險情時無法得到及時救助，以及無法為高水平管理提供有效支撐。

圖2 漁船監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

近年來，我國基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的遠洋漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)整合了移動通信網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星RNSS和RDSS系統(tǒng)、GPS和互聯(lián)網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的無縫轉(zhuǎn)發(fā)，向海上生產(chǎn)作業(yè)者及其關(guān)聯(lián)者提供多種通信網(wǎng)絡(luò)間的船岸、船間報文互通服務(wù)。其系統(tǒng)典型框圖如圖2所示。

以上述方案實現(xiàn)以北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為依托的遠洋漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，是我國自主研發(fā)，不受他國約束，具有很高的安全性和保密性。在此方案中，各作業(yè)船整合了GPS、北斗二代RNSS和RDSS，以及GSM通信功能，可利用北斗二代RNSS/GPS進行自身位置確定，在近海時利用GSM通信網(wǎng)絡(luò)和家人互通。更重要的是，在GSM無法覆蓋的海域，當(dāng)漁船出現(xiàn)觸礁、被襲擊等危險情況時，可以通過北斗與漁業(yè)管理中心聯(lián)系，上報險情。管理中心可告知并調(diào)度遇險船只周圍的漁船進行救助，大大縮短救援時間，提高救助效率。

系統(tǒng)中的漁業(yè)管理中心配備有北斗二代指揮機，可掌握所有管轄漁船的位置、航行軌跡。當(dāng)漁船越界打撈，或者在禁漁期進行打撈作業(yè)時，漁業(yè)管理中心可及時制止，使?jié)O船回到合法作業(yè)區(qū)打撈或按要求返回。當(dāng)監(jiān)控中心收到漁船發(fā)出的進出港報告、進入預(yù)警區(qū)域、遇險報警和報文時，系統(tǒng)能發(fā)出不同的聲光信號或符號提示，直到人工干預(yù)。漁業(yè)管理中心還可向出海漁船發(fā)送天氣、海浪、漁場、漁汛、漁市等信息，方便漁民海上作業(yè)。

相比移動通信網(wǎng)絡(luò)，北斗系統(tǒng)采用衛(wèi)星作為通信中繼，可實現(xiàn)在全國范圍內(nèi)全天候、無盲區(qū)的通信覆蓋，抗人為和自然災(zāi)害影響能力強，不受暴雨、臺風(fēng)等惡劣自然條件影響；北斗系統(tǒng)不需要網(wǎng)絡(luò)施工和基站建設(shè)，投入低，見效快，運行與維護費用低，并且系統(tǒng)安全可靠。GPS定位只能知道自身的位置，卻無法將位置發(fā)送出去。北斗二代RNSS和RDSS不但能達到GPS同等的位置精度，還能在不增加其他通信手段的情況下將自身位置和狀態(tài)信息發(fā)布出去，同時還可分別實現(xiàn)北斗二代RNSS和GPS以及雙系統(tǒng)組合定位，提高了系統(tǒng)可用性和可靠性。相比海事衛(wèi)星系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)的通信費用低廉。

四、結(jié)束語

北斗系統(tǒng)由于其獨特的高精度定位與短報文功能相結(jié)合的特點，可發(fā)揮單系統(tǒng)無法具備的的強大應(yīng)用范圍。但是要切實推廣北斗系統(tǒng)在軍、民領(lǐng)域的應(yīng)用，還必須解決推廣策略、保密性能、用戶終端兼容性以及通信帶寬等問題，只有解決了這些問題，才能使北斗二代系統(tǒng)真正在各領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有的作用?！?/p>