關(guān)于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)標準化的幾點建議

劉基余

（武漢大學 測繪學院，武漢 430079）

1 引言

2012年10月25日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用 “長征三號丙”運載火箭，成功地發(fā)射了第16顆北斗GEO導航衛(wèi)星，而且順利入軌運行；這標志著區(qū)域覆蓋的北斗衛(wèi)星星座能夠為亞太地區(qū)提供穩(wěn)定連續(xù)的導航定位服務，亦即能夠在東經(jīng)550～1800地區(qū)，提供二維位置測量精度為10m、高程測量精度為10m、速度測量精度為0.2m/s的導航定位服務。隨之用戶迅速增多，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)標準化問題也顯得刻不容緩。本文擬對此提出幾點建議，供研討！

2 規(guī)范系統(tǒng)之名 需要用 “中央文件式”的方法促使國內(nèi)同行采用之

關(guān)于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的稱呼，在2011年12月27日我國正式宣告北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)初步建成之前，國內(nèi)多數(shù)人叫做 “北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)”，對外則稱之為 “指南針導航衛(wèi)星系統(tǒng) （Compass Navigation Satellite System，CNSS）系統(tǒng)”；例如，《2006年中國航天白皮書》宣布了未來5年興建的五大航天工程，其中之一叫做第二代 “北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它將在4年內(nèi)建設(shè)成功；又如，China National Administration of GNSS and Applications（CNAGA）提 交 給 “ICG Working Grou PA Meeting on GNSS Interoperability 30－31，July 2009”的報告為 “Compass View on Compatibility and Interoperability”；再如，在2010年5月于北京召開的 “第一中國衛(wèi)星導航學術(shù)年會”上，署名為 《中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)專項管理辦公室》發(fā)表了 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展計劃”的報告，由此可見，管理辦仍舊使用了 “中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)”之稱。即使在2012年年底，筆者讀到一篇論 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展”的文章，該文仍舊將北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)稱為 “Compass Navigation Satellite System/BeiDou（該文如此排序BeiDou，令人費解得很?。?。由此看來，需要用 “中央文件式”的方法，促使國內(nèi)同行們采用規(guī)范化的北斗系統(tǒng)名稱。

圖1 北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的主動式定位原理圖解

我國的 “北斗一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)”也稱為北斗雙星導航定位系統(tǒng)；在2011年12月27日我國正式宣告北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)初步建成之后，規(guī)范叫做 “北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)”；而 “北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)”僅稱為 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”，只不過將它分為 “區(qū)域覆蓋的”北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和 “全球覆蓋的”北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

實際上，“北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)”和 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”是存在較大差別的；僅兩者的定位原理而言，就大不相同：“北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)”采用主動式定位原理 （如圖1所示），用戶設(shè)備既要接收來自兩顆北斗試驗衛(wèi)星的導航定位信號，又要向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)該信號；進而由地面中心站解算出各個用戶的所在點位，并用通訊方式告知用戶所測得的坐標值。這種主動式定位原理，不僅需要采用高程約束解算出用戶位置，而且用戶既不能自主解算出自己所在點位的坐標值，又要向北斗試驗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)導航信號，成為他人探測的目標，極易暴露自己，不適合軍隊使用；更不能夠滿足衛(wèi)星和導彈等高動態(tài)用戶的應用需求。這相對于GPS用戶的隱蔽而自主精密定位解算、適合各類高動態(tài)用戶需求而言，就很難擴大應用市場，必須改弦更張。

“北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”是采用與GPS系統(tǒng)相同的 “被動式定位原理”；亦即，北斗用戶只需要接收來自北斗衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號，就能夠測定而自主精確地解算出自己的7維狀態(tài)參數(shù)和3維姿態(tài)參數(shù) （如圖2所示）。按照美國和俄羅斯學者們的見解，將用多普勒定位原理工作的TRANSIT系統(tǒng)和CICADA系統(tǒng)稱為第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，而將用 “被動式定位原理”工作的GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)稱為第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。由此可知，考慮到 “北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)”和 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”所用衛(wèi)星定位原理之異，將它們分別稱為北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)和北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也是一種與國際接軌之舉。

圖2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)被動式定位原理圖解

我國某中文雙月刊于2011年第3期發(fā)表了某院士的長篇特約論文，論述當代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該文稱 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的第一期工程是建設(shè)一個區(qū)域性覆蓋的CNSS系統(tǒng)；該系統(tǒng)由衛(wèi)星系統(tǒng)、工程測控系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)四大部分組成”。但是據(jù)中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告”（簡稱為“北斗發(fā)展報告”）則說，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成的。不過，按照GNSS系統(tǒng)的國際慣稱，“北斗發(fā)展報告”的 “三大部分”之說還是符合規(guī)范的；為此，筆者將北斗系統(tǒng)的三大部分繪制成如圖3所示的相互關(guān)系。

圖3 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的構(gòu)成

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的坐標系是2000中國大地坐標系 （CGCS 2000，China Geodetic Coordinate System 2000），CGCS 2000為右手地固正交坐標系，其原點和軸向的定義是：原點在地球的質(zhì)量中心；Z軸指向國際地球自轉(zhuǎn)及參照系服務（IERS）參考極 （IRP）方向；X軸為IERS參考子午面 （IRM）與通過原點且同Z軸正交的赤道面的交線；Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手正交坐標系；CGCS 2000坐標系和GPS系統(tǒng)所用的WGS 84（G1150）是相容的 （如表1所示）；在坐標系的實現(xiàn)精度范圍內(nèi)，CGCS 2000坐標和 WGS 84（G1150）坐標是一致的。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間系統(tǒng)是北斗時（BDT＝Beidou Time），其秒長取為國際單位制SI秒 （國際單位制 （SI）秒長定義為：銫133原子（133Cs）基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷輻射震蕩9192631770周期所持續(xù)的時間），起算時元為2006年1月1日0時0分0秒?yún)f(xié)調(diào)世界時（UTC），BDT是一種連續(xù)時間的時間尺度，通過設(shè)在中國科學院國家授時中心 （NTSC）的標校站作BDT與UTC（NTSC）的時間比對，從而將BDT溯源到 UTC （NTSC）。BDT與 UTC（NTSC）的偏差保持在100ns以內(nèi)。BDT的時間系統(tǒng)與GPS時一樣無閏秒。BDT與國際原子時 （TAI）存在33s的偏差，亦即BDT＋33s＝TAI；北斗時與中國軍用時頻中心 （CMTC）的時間進行了比對，得知BDT相對于UTC（CMTC）的偏差小于20ns。值得注意的是，目前北斗衛(wèi)星RDSS信號給出的時間，與BDT是不相同的：它仍然采用 “北京時間”，且其起算時元為2000年1月1日0時0分0秒北京時間，亦即，兩者相差6年8小時。

表1 CGCS 2000和WGS－84的橢球基本常數(shù)比較

3 確切表述系統(tǒng)基本參數(shù) 需要普及衛(wèi)星導航技術(shù)多學科的基本概念

自2007年4月14日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功地發(fā)射第一顆北斗衛(wèi)星 （MEO衛(wèi)星）后，我國一些不同行業(yè)的學者爭先恐后地在國內(nèi)外學術(shù)期刊和相關(guān)學術(shù)會議上發(fā)表論文，介紹北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其作用。但是，筆者讀到的幾篇相關(guān)論文，深感與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實情相差太大了；例如，一篇發(fā)表在我國某英文學術(shù)期刊上的題為 “The Performance Comparison Between GPS and BeiDou－2/Compass：A Perspective from ASIA”英文論文 （簡稱為 “性能比較”）中，該文中的表3列述了未來GNSS系統(tǒng)的基本參數(shù) （如圖4所示），且不論它對GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)個別參數(shù)列述的不準確性，僅其中所列述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)參數(shù)就很有些不妥之處；例如，北斗衛(wèi)星星座包括：衛(wèi)星數(shù)為27顆，坐標系是北京1954，時間系統(tǒng)為中國UTC。令人費解的是，北斗衛(wèi)星是環(huán)繞地球運行的，它的運行軌道不斷地通過地球的質(zhì)心，怎么能夠采用參心坐標系，而且是我國早已棄用的第一代參心坐標系；據(jù)2008年6月國家測繪局局網(wǎng)站報道，經(jīng)國務院批準，根據(jù) 《中華人民共和國測繪法》，中國自2008年7月1日起啟用2000國家大地坐標系；怎么2009年后的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)仍舊采用我國第一代北京1954坐標系呢？！

圖4 “性能比較”一文的表3

依筆者的一孔之見，GNSS衛(wèi)星導航技術(shù)涉及偽噪聲編碼技術(shù)、衛(wèi)星軌道理論、微波與天線、鎖相環(huán)路技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)和大地測量技術(shù)等諸多學科，換言之，它是一種綜合性的高新技術(shù)。我們不能苛求作者樣樣精通，面面在行；但是，對一些基本參數(shù)還是應該多化幾分鐘，從因特網(wǎng)上查看查看，予以確切介紹之，特別是具有對外宣傳性的英文論文更應該嚴謹一點，以防在廣大國外同行中損壞北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的聲譽！

在2009年10月21日～22日的 “Stanford’s 2009PNT Challenges and Opportunities Symposium”會上，某某專家報告了 “Status of Compass/BeiDou Development”（簡稱為 “北斗現(xiàn)況”）該報告的第11頁介紹的北斗衛(wèi)星導航信號的基本參數(shù)如圖5所示，由此可見，北斗衛(wèi)星是采用4個載波頻率（1 561.098MHz，1 589.742MHz，1 207.140MHz，1 268.520MHz）發(fā)射導航信號。但是，China National Administration of GNSS and Applications（CNAGA）提 交 給 “ICG Working Group A：Meeting on GNSS Interoperability 30～31，July 2009”的報告 “Compass View on Compatibility and Interoperability”（簡稱為 “指南針的相容性”）給出如圖6所示的北斗衛(wèi)星導航信號的基本參數(shù)，該圖表明，北斗衛(wèi)星是采用3個載波頻率（1 575.420MHz，1 191.795MHz，1 268.520MHz）發(fā)射導航信號。盡管1 561.098MHz與1 589.742 MHz的均值為1 575.420MHz，后者是GPS第一導航信號 （L1）的載波頻率，但是，用3個載波頻率和4個載波頻率發(fā)射北斗衛(wèi)星導航信號，還是大不一樣吧！怎么同為2009年而由不同作者發(fā)表的報告相差如此之大呢？國內(nèi)外讀者該相信哪一位作者的數(shù)據(jù)是真實的？這給我們讀者出了一道大難題！“北斗網(wǎng)”在2011年年末發(fā)布的 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件 （測試版）”中，也只給出了 “B1信號基本特性和參數(shù)”（如表2所示），并沒有公開B2、B3信號的基本特性和參數(shù)。

圖5 “北斗現(xiàn)況”一文的第11頁PPT頁面

圖6 “指南針的相容性”一文的第3頁PPT頁面

依筆者之見，不管出于何種保密考慮，北斗衛(wèi)星區(qū)域覆蓋星座用幾種載波頻率和什么載波頻率發(fā)射北斗衛(wèi)星導航信號，還是應該準確無誤地告知讀者們；該很好保密的是軍用測距碼及其導航電文的密鑰！

表2 北斗衛(wèi)星B1信號的基本特性和參數(shù)

在2008年12月于美國Pasadena召開的 “International Committee on GNSS”會上，China Satellite Navigation Project Center的報告 “Compass/Beidou Navigation Satellite System Development”（簡稱為 “北斗發(fā)展”），第15頁介紹了如圖7所示的北斗衛(wèi)星導航信號特性。筆者認為，這種論述是很值得商榷的；北斗衛(wèi)星導航信號是一種已調(diào)波，當用BOC調(diào)制 （如第二個導航信號）時，其各個信號分量如圖8所示。

圖7 “北斗發(fā)展”一文的第15頁PPT頁面

圖8 BOC調(diào)制波形圖解

由圖8可見：（1）“北斗發(fā)展”一文中的頻率（Frequencies）應該是北斗衛(wèi)星導航信號的載波頻率，亦即 “Carrier Frequencies”；（2）“北斗發(fā)展”一文中的 （Signals）應該是北斗衛(wèi)星導航信號的測距碼，亦即 “Ranging codes”； （3） “北斗發(fā)展”一 文 中 的 B1 （QPSK）， B1－MBOC， B1－2（QPSK），B2 （QPSK），B2－BOC，B3 （QPSK），B3－BOC，L5（QPSK）等沒有確切地表述各個測距碼的名稱；依筆者之見，采用下列表述也許較好；例 如，B2－C2 碼 （QPSK） 和 B2－P2 碼（BOC）；等等。

北京航空航天大學計算機學院計算機科學技術(shù)系翁敬農(nóng)教授在題為 “Update of Compass（Beidou）and its Applications”一文 （簡稱為 “指南針系統(tǒng)更新”）給出的北斗衛(wèi)星區(qū)域覆蓋星座的導航信號特性如圖9所示。由此看來，翁敬農(nóng)教授已在國際上公開了北斗衛(wèi)星區(qū)域覆蓋星座用3個載波頻率發(fā)送導航信號的現(xiàn)況。

圖9 “指南針系統(tǒng)更新”一文的導航信號特性表

4 發(fā)揮因特網(wǎng)的準快作用 及時公告北斗衛(wèi)星星座的基本技術(shù)參數(shù)

在“Proceedings of the Surveying and Spatial Sciences Biennial Conference 2011”上，筆者讀到Craig Roberts的 論 文 “How will all the new GNSS signals hel PRTK surveyors？”，該文的Figure 5列述了GNSS系統(tǒng)的時間系統(tǒng)和坐標系 （如圖10所示），由此圖可見，在Compass系統(tǒng)欄內(nèi)，是兩個大問號。由此看來，在2012年12月27日我國正式宣告北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成之后，強化北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本參數(shù)的適時發(fā)布，是非常必要的！筆者認為，應該面對目前的衛(wèi)星導航現(xiàn)實，宜從宣傳 “北斗衛(wèi)星實用參數(shù)”入手，讓廣大用戶了解 “北斗”，興趣 “北斗”，才能夠逐步擴展北斗應用天地！

2012 年 3 月 8 日， 筆 者 在 http：//baike.baidu.com（百度百科）網(wǎng)上查閱到長達1 900余字的 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”一文 （簡稱為“北斗系統(tǒng)”），該文在 “九、系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理”中，給出了2012年2月25日發(fā)射的第11顆北斗衛(wèi)星的工作狀況；這說明，該文所用的資料是直至2012年2月的。遺憾的是，該文的文字論述和插圖均有多處錯誤；例如，“北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的工作過程是：首先由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星I和衛(wèi)星II同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務區(qū)內(nèi)的用戶廣播?！彼e誤地將北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的導航定位原理當成了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) （請見上文的圖1、2）；又如，錯誤地將星座當成了系統(tǒng) （請見上文的圖3），而且將GPS現(xiàn)行星座作為北斗衛(wèi)星工作星座，稱之為 “北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)示意圖”（如圖11所示，實際上，系統(tǒng)示意圖應為上文的圖3）；等等。類似 “北斗系統(tǒng)”的文章和報道，網(wǎng)上還可查看不少，此處不一一予以列出。由此看來，自2012年12月27日我國正式宣告北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成之后，讀者們極需要正確無誤的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)介紹文章，為了推廣應用，極需要確知北斗衛(wèi)星工作星座的基本參數(shù)，這個重任毫無疑問是應該由北斗政府網(wǎng)站 （http：//www.beidou.gov.cn/）來承擔。

圖10 GNSS系統(tǒng)的時間系統(tǒng)和坐標系

筆者與研究生們的交流中獲悉，他們認為，目前 “北斗網(wǎng)”的一般性而隨處可獲的信息多，技術(shù)含金量高而適應性強的文章少。筆者經(jīng)常查閱GPS/GLONASS工作星座的現(xiàn)況及其一些重要的技術(shù)參數(shù)，很易于從相關(guān)網(wǎng)站上找到所需的數(shù)據(jù)資料。因此，筆者建議，“北斗網(wǎng)”也應該及時發(fā)布北斗衛(wèi)星工作星座的工作狀況；而且建議以表格形式列述下列欄目予以發(fā)布：衛(wèi)星類型 （MEO、GEO、IGSO）、發(fā)射日期、BeiDou編號、所在軌道、衛(wèi)星時鐘類型、開始工作日期、中止工作日期和備注 （如該衛(wèi)星在測試中或該衛(wèi)星在維護中等），以及北斗衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)等。

圖11 “北斗系統(tǒng)”一文錯誤地將GPS星座當成了北斗衛(wèi)星星座

5 結(jié)束語

自2012年12月27日我國正式宣告北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成之后，國內(nèi)外用戶急需了解北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。直至寫作本文時，我們讀到不少誤解北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的中英文的論文和報道，而損壞北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的聲譽。衛(wèi)星導航技術(shù)是一種涉及多學科的高新技術(shù)，我們不能苛求作者樣樣精通，面面在行。因此，作為政府網(wǎng)站的“北斗網(wǎng)”，就應該義不容辭地宣傳報道北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展，普及衛(wèi)星導航技術(shù)多學科的基本概念，促進不同行業(yè)的作者們和讀者們的共識；及時發(fā)布北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，促進北斗衛(wèi)星導航定位技術(shù)在國內(nèi)外的推廣應用，致使北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠與已運行三十余年的GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)并駕齊驅(qū)，成為這兩個前輩系統(tǒng)強力競爭對手，打碎GPS系統(tǒng)的霸主地位，期望在2015年形成2000億元左右的北斗產(chǎn)業(yè)，到2020年達到4000億元的衛(wèi)星導航市場份額。此外，在國外衛(wèi)星導航廠商僅基帶芯片就擁有2000多項專利的情況下，如何加速我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導航核心技術(shù)研發(fā)，也是很值得關(guān)注的大問題。正因為此，筆者才提出了上述幾點建議，供研討。

［1］中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件：測試版［EB/OL］.（2011－12－27）［2012－12－16］.http：//wenku.baidu.com/view/62ae76757fd5360cba1adb11.html.

［2］魏子卿.2000中國大地坐標系［J］.大地測量與地球動力學，2008，28（6）：1－5.

［3］劉基余.北斗衛(wèi)星區(qū)域覆蓋星座及其應用［J］.數(shù)字通信世界，2012（專刊）：50－54.