錢成 李廣俠 趙陸文 （解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院）

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星基位置報告業(yè)務(wù)研究進展

錢成 李廣俠 趙陸文 （解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院）

Research Progress in Satellite-based Position Reporting Service

目前，基于地面移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的位置報告業(yè)務(wù)存在對地面基礎(chǔ)設(shè)施依賴性大和覆蓋范圍小等諸多不足，而基于衛(wèi)星系統(tǒng)的位置報告服務(wù)能夠很好地克服這些問題，正成為解決位置信息共享問題的快速而有效的途徑之一。

1　引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展以及人們對信息共享的迫切需求，人們對基于位置信息服務(wù)的需求日益飆升。其中，位置報告業(yè)務(wù)（PRS）是實現(xiàn)位置信息共享的關(guān)鍵。所謂的位置報告就是將自己的位置信息和周圍環(huán)境狀況報告給與之相關(guān)的第三方。它被廣泛地應(yīng)用于搶險救災(zāi)、應(yīng)急救援、交通運輸、農(nóng)業(yè)漁業(yè)、國防軍事等諸多領(lǐng)域。

20世紀(jì)70年代，美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊聯(lián)合開發(fā)了可以為單兵、坦克、飛機等作戰(zhàn)部隊提供識別、通信、導(dǎo)航與定位服務(wù)的定位報告系統(tǒng)（PLRS），在基本的15km×15km覆蓋范圍內(nèi)定位精度可以達到15m。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了定位報告業(yè)務(wù)（LRS）的概念，它是由導(dǎo)航定位系統(tǒng)確定用戶的位置，通過數(shù)據(jù)鏈完成位置信息的共享。而位置報告不僅包含定位報告含義，而且還包括用戶發(fā)射相關(guān)信息，第三方接收并解算出用戶位置，實現(xiàn)用戶向第三方位置報告的雙重含義。

當(dāng)今運用最廣泛的導(dǎo)航定位系統(tǒng)是“全球定位系統(tǒng)”（GPS），提供無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS），利用到達時間測距原理，用戶可以得到高精度、全天候的連續(xù)定位信息。但是目前這種單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并不能實現(xiàn)用戶的位置共享，因此具有通信功能的位置報告系統(tǒng)是解決該問題的關(guān)鍵。

2　星基位置報告系統(tǒng)的工作原理

完成位置報告業(yè)務(wù)的方法主要包括基于雙系統(tǒng)融合技術(shù)、多普勒定位技術(shù)、搜索與救援（SAR）載荷技術(shù)和雙星定位技術(shù)等。在星基位置報告業(yè)務(wù)中，雙系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，搜索與救援載荷技術(shù)包括到達時間（TOA）和到達頻率（FOA）。

雙系統(tǒng)融合技術(shù)

國外的位置報告都是由“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”（GNSS）和“衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)”（MSS）集成而來，由用戶終端內(nèi)置或者外置“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”接收機完成對用戶的定位，而后將用戶的位置信息通過全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給與之相關(guān)的第三方實現(xiàn)位置報告。當(dāng)前國外比較主流的全球位置報告系統(tǒng)是歐盟的“國際移動衛(wèi)星”（Inmarsat）系統(tǒng)+GNSS，美國的“銥”（Iridium）衛(wèi)星系統(tǒng)+GPS，俄羅斯的VONA+GLONASS。

“國際移動衛(wèi)星”系統(tǒng)是由國際移動衛(wèi)星公司運營的全球第一個商用衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，為全球移動和固定用戶提供陸地、航空、海事的話音、短消息、寬帶多媒體、流媒體等業(yè)務(wù)。其中，國際移動衛(wèi)星－D袖珍型終端可以通過內(nèi)置GPS實現(xiàn)導(dǎo)航與通信功能的融合，可以完成點對多點的雙向短信息通信能力。而由美國軍方掌握的“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星與用戶之間使用L頻段，采用時分多址的體制實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信功能，“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS可以構(gòu)成完備的全球位置報告系統(tǒng)，相繼在空客、波音等主要機型上實現(xiàn)了應(yīng)用。

多普勒定位技術(shù)

多普勒定位主要應(yīng)用在低軌衛(wèi)星上，當(dāng)衛(wèi)星處于用戶終端的正上方時，可以得到多普勒頻移關(guān)于時間函數(shù)的一個拐點，求出這個拐點的時間和頻率就可以定位了。使用多普勒定位技術(shù)的典型位置報告系統(tǒng)是“全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)”（COSPASSARSAT）中的低軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)。當(dāng)用戶遇險后，用戶示位標(biāo)可以手動或自動激活，發(fā)射406MHz的求救信號，衛(wèi)星接收到信號后對其進行變頻、處理、存儲，并以下行頻率1544.5MHz實時轉(zhuǎn)發(fā)給遍布全球的地面用戶終端（LUT），地面用戶終端接收、解碼和多普勒定位得到遇險用戶的位置，把用戶的報警信息和統(tǒng)計數(shù)據(jù)以專用網(wǎng)或者通用網(wǎng)傳輸給搜救任務(wù)控制中心（MCC），該中心收集、整理、存儲從地面用戶終端發(fā)來的信息，通過電傳、航空專用通信網(wǎng)（AFIN）、傳真和X.25分組交換4種接口，第一時間將遇險用戶的位置信息發(fā)送給距離失事點最近的搜救協(xié)調(diào)中心（RCC），該中心協(xié)調(diào)各個部門開展救援。

搜索與救援載荷技術(shù)

搜索與救援載荷主要由特高頻（UHF）接收天線和L頻段傳輸天線組成。目前，歐盟的“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)計劃在每顆衛(wèi)星上搭載搜索與救援載荷，以現(xiàn)有“全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)”為基礎(chǔ)，提供搜索與救援服務(wù)，完成遇險者向施救方的位置報告。處于緊急狀況的用戶向Galileo衛(wèi)星發(fā)射406～406.1MHz求救遇險電文信號，超高頻接收天線檢測發(fā)現(xiàn)遇險信號后，經(jīng)過對信號的放大和變頻后，L頻段天線以1544～1545MHz頻段的信號轉(zhuǎn)發(fā)至中軌衛(wèi)星地面用戶終端（MEOLUT），此終端根據(jù)接收至少4顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的用戶報警電文的到達時間和到達頻率解算出用戶的位置信息，并連同相關(guān)信息一起發(fā)送給搜救任務(wù)控制中心，由該中心對信息進行整合并轉(zhuǎn)發(fā)給搜救協(xié)調(diào)中心，后者派遣救援飛機、船舶對用戶進行搜救。

搜索與救援載荷工作原理示意圖

雙星定位技術(shù)

雙星定位的位置報告根據(jù)用戶、衛(wèi)星和中心站的閉環(huán)距離測量，結(jié)合高程地圖完成用戶的定位和位置報告功能。該技術(shù)在我國自主建成的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得到完美的應(yīng)用。搜救協(xié)調(diào)中心通過搭載衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）載荷的2顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星向地面用戶廣播用于詢問的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，用戶接收該信號，若用戶需要定位，則發(fā)送應(yīng)答信號，信號分別經(jīng)這2顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至搜救協(xié)調(diào)中心，搜救協(xié)調(diào)中心分別測出經(jīng)GEO衛(wèi)星返回的信號時延，從而可以得到用戶至2顆GEO衛(wèi)星的距離，并結(jié)合高程地圖解算出用戶的三維坐標(biāo)。這一過程相當(dāng)于用戶向搜救協(xié)調(diào)中心進行了位置報告，搜救協(xié)調(diào)中心保留了全部“北斗”用戶的位置和時間信息，可以通過位置信息服務(wù)中心進一步完成位置報告。

雙星定位工作原理示意圖

3　星基位置報告系統(tǒng)的性能分析

覆蓋能力

位置報告的覆蓋能力是指系統(tǒng)能夠提供位置報告業(yè)務(wù)的最大工作區(qū)域，主要由地面觀測時的仰角和衛(wèi)星上的有效載荷覆蓋區(qū)域決定。位置報告的覆蓋能力主要分區(qū)域覆蓋和全球覆蓋兩大類。雙系統(tǒng)的位置報告覆蓋范圍為兩者覆蓋區(qū)域的交集，主要受限于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)覆蓋范圍；采用多普勒定位的位置報告系統(tǒng)由于使用低地球軌道（LEO）衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度低，每顆衛(wèi)星所能覆蓋的范圍很小，完成全球覆蓋需要數(shù)十顆LEO衛(wèi)星；搜索與救援技術(shù)的位置報告由于搭載在中地球軌道（MEO）衛(wèi)星上，它的覆蓋范圍主要是由地面觀測仰角決定的，隨著仰角的增大，系統(tǒng)覆蓋范圍變?。浑p星定位技術(shù)的位置報告覆蓋范圍是2顆GEO衛(wèi)星共同覆蓋的區(qū)域，同時也受到地面仰角的影響。

響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是指系統(tǒng)完成一次位置報告所需要的時間，它是衡量位置報告業(yè)務(wù)性能的重要指標(biāo)。對于應(yīng)急通信和海上救援來說，位置報告的響應(yīng)時間需要做到盡可能小，響應(yīng)時間越短，遇險人員的生命財產(chǎn)安全越能得到保障。響應(yīng)時間主要由用戶定位和位置共享兩個部分組成。采用雙系統(tǒng)的位置報告，用戶定位和位置共享分別由“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”和“衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)”決定；采用單系統(tǒng)的位置報告，根據(jù)系統(tǒng)星座構(gòu)型和定位方式的不同，位置報告的響應(yīng)時間也不同。

不同的位置報告系統(tǒng)的性能比較

定位精度

定位精度是指位置報告中提供給第三方的用戶空間位置坐標(biāo)與其真實值之間的接近程度。不同的位置報告系統(tǒng)的定位原理不同，得到的定位精度也不同。“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”決定了雙系統(tǒng)位置報告的定位精度，而單系統(tǒng)的位置報告定位精度是由定位方法和信號的傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)時延決定。采用多普勒定位的方式定位誤差大，其中全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)由于只使用7顆低地球軌道衛(wèi)星，不能實現(xiàn)全球覆蓋，衛(wèi)星存在不能同時看到用戶和地面用戶終端，需要對信號進行存儲，轉(zhuǎn)發(fā)時延甚至達到2h，求救信號定位最大約30min，系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于20km。

位置報告系統(tǒng)的性能比較

通過對比典型的位置報告業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可以看出，各位置報告系統(tǒng)都有明顯的優(yōu)缺點。采用雙系統(tǒng)融合的位置報告，系統(tǒng)的定位精度和響應(yīng)時間得到保證，然而都需要同時利用2套全球衛(wèi)星系統(tǒng)，建設(shè)成本巨大。采用MEO衛(wèi)星搭載搜索與救援載荷，可以充分利用衛(wèi)星資源豐富的優(yōu)點，實現(xiàn)全球覆蓋。使用到達時間差（TDOA）測向定位技術(shù)和到達頻率差（FDOA）定位技術(shù)，可以很好地解決全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的低地球軌道搜索與救援定位精度差、響應(yīng)時間大的缺點。采用雙星定位的一代“北斗”系統(tǒng)具備集定位和報告于一體的優(yōu)勢，技術(shù)成熟，實現(xiàn)成本低，但是目前只能實現(xiàn)區(qū)域性的覆蓋，無法滿足全球位置報告的需求。

4　位置報告發(fā)展趨勢

由于軍民用戶對位置報告業(yè)務(wù)能力產(chǎn)生不同的需求，越來越多的國家和組織在這一領(lǐng)域不斷探索、應(yīng)用和技術(shù)升級，主要可以分為兩大類：第一類是運用多種類型系統(tǒng)或設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)提高信息的采集和融合能力，獲取、分享用戶的位置、狀態(tài)信息，完善位置報告的內(nèi)容，提高位置報告業(yè)務(wù)性能；第二類是采用創(chuàng)新型的定位原理，在保證位置報告系統(tǒng)性能的前提下，滿足自身發(fā)展要求。

國外對位置報告的研究和應(yīng)用比較成熟，其中美軍的“藍軍跟蹤”（BFT）系統(tǒng)，針對第一代位置數(shù)據(jù)不能實時刷新、用戶容量受限和不能接入美軍的全軍指揮控制系統(tǒng)等缺點研發(fā)的第二代“藍軍跟蹤”系統(tǒng)，改變信息的傳輸路由，提高更新速率；采用ArcLight擴頻技術(shù)，提高系統(tǒng)容量；研發(fā)或升級軟件平臺，實現(xiàn)跨軍種的互通互聯(lián)。

“藍軍跟蹤”系統(tǒng)未來將發(fā)展“聯(lián)合藍軍態(tài)勢感知”（JBSFA）計劃，其目標(biāo)是增強藍軍的工作信息采集、融合、分發(fā)和位置報告的能力，實現(xiàn)最優(yōu)化“藍軍跟蹤”狀態(tài)感知，共享作戰(zhàn)者精確的位置信息和身份信息。在聯(lián)合多兵種和盟軍作戰(zhàn)環(huán)境中，除了目前的“藍軍跟蹤”系統(tǒng)設(shè)備外，還需要增加“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)、作戰(zhàn)生存規(guī)避定位器和全球個人恢復(fù)系統(tǒng)，增強防止友軍誤傷的能力，縮短響應(yīng)時間。

在航空領(lǐng)域應(yīng)用的“廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)”（ADS-B），通過機載“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”衛(wèi)星信號接收設(shè)備獲得飛機的實時位置和三維速度信息，裝備ADS-B的飛機通過數(shù)據(jù)鏈廣播自身的位置和身份標(biāo)識等信息，機載ADS-B通信設(shè)備接收其他飛機和地面的廣播信息后，經(jīng)過信息處理器顯示在座艙交通顯示器上，從而完成飛機對飛機及塔臺的位置報告。

隨著“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”的快速發(fā)展，在中軌道衛(wèi)星星座上搭載生命救援載荷成為全球衛(wèi)星搜索與救援系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。美國正在設(shè)計和建設(shè)下一代GPS，希望能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航和通信的集成。在衛(wèi)星上搭載“遇險報警衛(wèi)星系統(tǒng)”（DASS）有效載荷，將遇險信號從緊急信號塔臺發(fā)送給搜索與救援行動方。

在創(chuàng)新型定位原理方面的位置報告，主要是由譚述森先生提出的廣義衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（CRDSS）定位報告原理，它改進了傳統(tǒng)的雙星定位原理，可以使用雙星定位位置報告、三星定位位置報告和多星定位位置報告。其中，三星定位不需要高程地圖，由搜索任務(wù)控制中心分別計算3顆衛(wèi)星到用戶間的距離完成用戶的定位。在實際應(yīng)用過程中，可以采用CRDSS的差分定位原理來完成位置報告。用戶選擇1顆仰角較高的衛(wèi)星，即同時具有RNSS載荷及RDSS載荷的衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)入站時差觀測信息。用戶通過測量廣義衛(wèi)星的RDSS/RNSS信號與另外2顆衛(wèi)星RNSS信號到達的時差，經(jīng)廣義衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給搜救任務(wù)控制中心，該中心完成經(jīng)廣義衛(wèi)星至用戶的雙向傳輸時延T的測量，結(jié)合星歷、鐘差和電離層校正參數(shù)等信息完成時差信息，完成用戶的定位和向搜救任務(wù)控制中心的位置報告。

此外，國內(nèi)學(xué)者劉穎等人從需求角度討論了在傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星上增加RDSS功能實現(xiàn)位置報告的必要性；趙陸文等人則提出基于IGSO衛(wèi)星的位置報告系統(tǒng)，采用廣義衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)定位原理，廣義衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)衛(wèi)星選擇以衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)為工作主體，同時兼有衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)功能的GEO衛(wèi)星或者IGSO衛(wèi)星，使用GEO+IGSO+MEO混合星座完成用戶向搜救任務(wù)控制中心的位置報告。

廣義衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)工作原理示意圖

5　總結(jié)與展望

本文介紹了星基位置報告系統(tǒng)工作原理并對其性能進行分析，可知國外雙系統(tǒng)位置報告中采用低地球軌道衛(wèi)星作為移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)時，使用衛(wèi)星較多，而使用地球靜止軌道衛(wèi)星實現(xiàn)通信功能又具有“城市峽谷”和“南山效應(yīng)”等不足；基于多普勒定位的位置報告定位精度差，而且低地球軌道衛(wèi)星覆蓋范圍小，不能夠?qū)崟r轉(zhuǎn)發(fā)用戶求救信號，影響搜救的效率；而基于搜索與救援載荷技術(shù)的位置報告很好的利用了中地球軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢，覆蓋范圍廣，定位算法簡單，定位精度較高，因此在中地球軌道衛(wèi)星上實現(xiàn)位置報告的功能越來越受到研究者的青睞；“北斗”雙星定位的位置報告覆蓋范圍太小，然而結(jié)合廣義衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)的工作原理，繼續(xù)發(fā)揚“北斗”系統(tǒng)的衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)，同時融合衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，可以提供全球的位置報告業(yè)務(wù)。

在位置報告不斷發(fā)展的同時，未來將會朝著系統(tǒng)建設(shè)成本低、可用性強、位置報告更新頻度快的方向發(fā)展，主要概況以下幾個方面：第一，位置報告必須滿足全球連續(xù)覆蓋的發(fā)展需求；第二，從雙系統(tǒng)向單系統(tǒng)發(fā)展，在單一的全球衛(wèi)星系統(tǒng)下，能夠兼具定位和報告的能力；第三，端到端通信的速率增大，系統(tǒng)允許用戶同時在線的數(shù)量加大；第四，由地球靜止軌道衛(wèi)星和低地球軌道衛(wèi)星向基于中地球軌道衛(wèi)星的位置報告系統(tǒng)發(fā)展。

結(jié)合國外位置報告系統(tǒng)發(fā)展的經(jīng)驗和趨勢，中國如果要建設(shè)自己的位置報告系統(tǒng)可以采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的融合來實現(xiàn)全球位置報告。而短期內(nèi)，受到技術(shù)和平臺的限制，建議繼承和發(fā)揚衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)，通過衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)結(jié)合衛(wèi)星星座和衛(wèi)星載荷的合理配置，首先實現(xiàn)高遮蔽角下的全球位置報告。

祁首冰/本文編輯