鄧燁飛

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究

鄧燁飛

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國(guó)自主開發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)在已應(yīng)用到越來越多的行業(yè)。對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行介紹，結(jié)合鐵路時(shí)間同步網(wǎng)，探討北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在鐵路同步網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用的可行性。

北斗；同步網(wǎng)；研究；鐵路應(yīng)用

1概述

通信同步網(wǎng)是通信傳輸網(wǎng)及業(yè)務(wù)網(wǎng)步調(diào)一致，正常工作的關(guān)鍵。選擇先進(jìn)適用的同步技術(shù)，使得同步網(wǎng)更好地為鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供同步信號(hào)源，具有重要意義。在同步技術(shù)中，由于覆蓋面廣，精度高，相對(duì)成本較低的特點(diǎn)，衛(wèi)星授時(shí)得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段全球有如下4大衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)。

1）GPS系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)是美國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星NAVSTAR/GPS系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，又稱作全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，1994年全面建成后向全球范圍內(nèi)提供定時(shí)和定位的功能。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標(biāo)，其頻率穩(wěn)定度達(dá)到（1-2）E-13/d。

2）GLONASS系統(tǒng)

GLONASS是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）的縮寫，前蘇聯(lián)從20世紀(jì)80年代初開始建設(shè)的類似于GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)在由俄羅斯國(guó)防部維護(hù)。由于GLONASS系統(tǒng)運(yùn)行一直不是特別的穩(wěn)定可靠，因此多采用GPS/GLONASS系統(tǒng)組合的接收機(jī)。

3）Galileo系統(tǒng)

Galileo系統(tǒng)是以意大利著名物理學(xué)家Galileo命名的歐洲全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，2002年3月26日，歐盟正式啟動(dòng)Galileo系統(tǒng)開發(fā)計(jì)劃。

Galileo系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：Galileo系統(tǒng)是第一個(gè)民用的衛(wèi)星定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，Galileo系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率高、波段更寬、頻點(diǎn)更多，加之其他改進(jìn)的修正技術(shù)，Galileo系統(tǒng)的精度優(yōu)于GPS系統(tǒng)。對(duì)于某一特定的應(yīng)用，Galileo系統(tǒng)定位可以達(dá)到1m，這樣可以更好的用于保障航空安全和其他精密應(yīng)用。

4）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System）是中國(guó)自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段（5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星）、地面段（主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站）和用戶段（北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端）3部分組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠雙向通信、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、精密授時(shí)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、通信、經(jīng)濟(jì)建設(shè)等多領(lǐng)域中。預(yù)計(jì)在2020年左右北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將覆蓋全球。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)原理

北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基于同步軌道靜止衛(wèi)星（2顆），另外還有1顆在軌備份衛(wèi)星。北斗一代利用任意1顆衛(wèi)星的任一波束即可完成高精度授時(shí)，不需要涉及星間切換問題。

北斗二代衛(wèi)星于2012年12月27日起正式提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。至2012年底覆蓋北斗亞太區(qū)域。北斗二代已發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)（5顆靜止軌道衛(wèi)星（GEO）、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）、4顆中地球軌道衛(wèi)星（MEO））。北斗二代系統(tǒng)使用“無源定位”，能夠提供自助定位和導(dǎo)航服務(wù)，用戶終端接收至少4顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射出的信號(hào)，可以自行計(jì)算其空間位置，單獨(dú)使用北斗二代即可實(shí)現(xiàn)獲取位置坐標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)入位置保持模式授時(shí)。

北斗一代和北斗二代的原理對(duì)比如表1所示。

表1 北斗一代和北斗二代原理對(duì)比

3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的行業(yè)應(yīng)用

3.1 北斗的應(yīng)用可行性

1） 覆蓋范圍

“北斗二號(hào)”系統(tǒng)其覆蓋范圍約東經(jīng)55°～180°，南緯55°～北緯55°，重點(diǎn)區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)70°～145°，北緯5°～55°的大部分區(qū)域。截至2012年底，“北斗二號(hào)”系統(tǒng)已完成對(duì)亞太地區(qū)的全覆蓋。

2）系統(tǒng)精度

目前應(yīng)用的 “北斗二號(hào)”系統(tǒng)衛(wèi)星鐘可達(dá)到50ns授時(shí)精度和1E-12量級(jí)的頻率穩(wěn)定度。其精度滿足YDT1012-1999《數(shù)字同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘系列及其定時(shí)特性》中規(guī)定1級(jí)基準(zhǔn)鐘對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求。

3）芯片成熟度

北斗系統(tǒng)關(guān)鍵芯片技術(shù)含量較高，目前高集成度、低功耗、高可靠性、高穩(wěn)定性的北斗終端元器件研發(fā)生產(chǎn)已獲得較大進(jìn)展，終端芯片價(jià)格已顯著降低。

4）衛(wèi)星接收機(jī)造價(jià)

目前北斗接收機(jī)售價(jià)仍高于GPS系統(tǒng)，但隨著國(guó)內(nèi)北斗系統(tǒng)的成熟，仍有一定的降價(jià)空間。此外，為保護(hù)本國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，我國(guó)有可能提高GPS終端進(jìn)口關(guān)稅。

5）安全可靠性

北斗系統(tǒng)為中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航（授時(shí)）系統(tǒng)，由于北斗授時(shí)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理由中國(guó)自主控制，因此安全性高于GPS等其他系統(tǒng)。同時(shí)北斗授時(shí)衛(wèi)星角度較GPS系統(tǒng)衛(wèi)星角度高，信號(hào)不易被遮蔽。

綜上所述，鐵路同步網(wǎng)應(yīng)用北斗系統(tǒng)技術(shù)是可行的。

3.2 北斗在鐵路同步網(wǎng)的應(yīng)用

1）時(shí)鐘同步網(wǎng)

鐵路既有時(shí)鐘同步網(wǎng)大部分PRC、LPR設(shè)備已老化，故障較多；且衛(wèi)星授時(shí)過度依賴GPS系統(tǒng)維持同步，存在安全技術(shù)隱患。為了避免鐵路通信網(wǎng)因?yàn)槭バl(wèi)星同步信號(hào)引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，有必要增加備用星源，提高同步基準(zhǔn)源的安全性、可靠性。

新建骨干時(shí)鐘同步網(wǎng)在通信技術(shù)中心、沈陽、武漢、廣州、西安、成都鐵路局通信機(jī)房設(shè)置全國(guó)基準(zhǔn)時(shí)鐘PRC設(shè)備，在各路局調(diào)度中心及重要節(jié)點(diǎn)設(shè)置LPR設(shè)備。以上節(jié)點(diǎn)在采用內(nèi)置雙銣鐘的配置外，均采用GPS/北斗雙模衛(wèi)星接收機(jī)，從而提高鐵路同步網(wǎng)的衛(wèi)星基準(zhǔn)源的安全可靠性，解決GPS失效帶來的同步網(wǎng)質(zhì)量下降問題。

關(guān)于二級(jí)時(shí)鐘同步SSU-T，建議在今后的建設(shè)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)可增加北斗模塊作為地面定時(shí)的備用。

建議北斗模塊選擇北斗二代產(chǎn)品。由于目前各運(yùn)營(yíng)商對(duì)北斗二代正在進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，因此可以暫時(shí)設(shè)置GPS為第一優(yōu)先，北斗為第二優(yōu)先。待北斗二代應(yīng)用良好后，按照維護(hù)單位的需求調(diào)整為北斗為第一優(yōu)先。

2）時(shí)間同步網(wǎng)

結(jié)合《十二五鐵路通信網(wǎng)規(guī)劃》，時(shí)間同步網(wǎng)主要由鐵路總公司一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)、18個(gè)路局二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)、沿線車站等處的三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)組成。時(shí)間同步網(wǎng)與時(shí)鐘同步網(wǎng)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用類似：一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)可設(shè)置北斗/GPS雙模+雙銣鐘。在未建成二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的路局新建二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，設(shè)置北斗+雙高穩(wěn)晶體。三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)可不設(shè)置衛(wèi)星模塊，采用雙晶體，時(shí)間輸入為二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，當(dāng)外部時(shí)間信號(hào)中斷，通過內(nèi)置銣鐘守時(shí)。

以上節(jié)點(diǎn)建議在鐵路時(shí)間同步網(wǎng)建網(wǎng)之初預(yù)留好相應(yīng)條件。

4 小結(jié)

通過在鐵路時(shí)鐘同步網(wǎng)的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)增設(shè)北斗衛(wèi)星接收機(jī)，在鐵路時(shí)間同步網(wǎng)一級(jí)、二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)增設(shè)北斗衛(wèi)星接收機(jī)，可以解決GPS單星源失效所帶來的同步網(wǎng)質(zhì)量下降問題。增加北斗之后的鐵路同步網(wǎng)可以更好地為鐵路通信、信息等網(wǎng)絡(luò)提供支撐，為鐵路運(yùn)輸向社會(huì)大眾提供更好的服務(wù)提供保障。

[1]吳海濤，李孝輝，盧曉春，等．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)條件V1.0.

BeiDou Navigation Satellite System (BDS) is a global satellite navigation system developed by China and it has a growing demand. The paper introduces the BeiDou Navigation Satellite System and discusses the feasibility of applying the BDS in railway synchronization networks combining with the railway time synchronization network.

BeiDou Navigation Satellite System; synchronization network; research; railway application

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.004

2015-02-04）

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)重大課題項(xiàng)目（2300-K1130004.01）