院士论坛| 谭述森:北斗系统创新发展与前景预测

测绘学报2021-11-22 15:33:16

                                                

《测绘学报》

构建与学术的桥梁        拉近与权威的距离


北斗系统创新发展与前景预测

谭述森     

北京卫星导航中心, 北京 100094

收稿日期:2017-06-20;修回日期:2017-07-04

第一作者简介: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。E-mail:zhangtqee@aliyun.com

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    

Innovative Development and Forecast of BeiDou System

TAN Shusen     

Abstract: Due to the strong demand for satellite applications and rapid development of new space technology, the cross-integration of space-based radio systems has become a trend.BeiDou system started from two satellites to build China's first generation satellite navigation and positioning system with the features of fast location reporting(RDSS)and short message communication(MSS)service.Then BeiDou technology frame combined with RNSS continuous navigation and RDSS location report, was constructed in eight years, and the coverage in Asia-Pacific was completed.Through effective satellite radio frequency compatible design and international coordination, BeiDou system is the first radio satellite system which includes RNSS, RDSS, MSS three major services, approved by International Telecommunication Union(ITU)in the world.This paper expounds the development process, technical frame, main features and prospect of BeiDou system with three major services and four key functions, in the concept of innovation and transcendence.

Key wordsBeiDou     radio determination satellite service     mobile satellite communication service     radio navigation satellite system    

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12~146~818~22
可用卫星数/颗12~146~818~22
平均PDOP1.582.771.27
水平精度RMS/m1.653.551.60
三维精度RMS/m3.447.843.03

表选项


(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
GPS363232MEO
GLONASS242823MEO
BDS352013GEO、IGSO、MEO
Galileo30120MEO
QZSS711GEO、IGSO
IRNSS7--GEO、IGSO

表选项


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
L11559~1610 MHz,共51 MHz
1979年
L21215~1260 MHz,共45 MHz
1979年
L51164~1215 MHz,共51 MHz-1102000年
B31260~1300 MHz,共40 MHz-1232000年
C5010~5030 MHz,共20 MHz
2000年
S2 483.5~2500 MHz,共16.5 MHz-1292012年
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

表选项


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)GPSⅢGLONASSGalileo
授权信号个数32223
授权信号总带宽/MHz4428613440
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。

表选项


(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

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