北斗二代RDSS與RNSS組合技術(shù)分析及應(yīng)用實(shí)例

北方通用電子集團(tuán)有限公司 姜 萍 戎文強(qiáng) 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(dòng)定位系統(tǒng)，兼具短報(bào)文通信業(yè)務(wù)，需要用戶發(fā)射信號(hào)；RNSS屬于被動(dòng)式定位系統(tǒng)，無(wú)需用戶發(fā)射信號(hào)。RDSS與RNSS兩種業(yè)務(wù)具有較好的互補(bǔ)性。本文提出了RDSS與RNSS業(yè)務(wù)從信號(hào)處理層到數(shù)據(jù)處理層的多種組合應(yīng)用模式，并簡(jiǎn)要分析涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括基于時(shí)間不確定度壓縮的RDSS輔助RNSS的快速信號(hào)捕獲技術(shù)、RNSS輔助RDSS進(jìn)行發(fā)射頻率校準(zhǔn)技術(shù)、RDSS與RNSS高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的高精度時(shí)間同步技術(shù)、RDSS與RNSS組合的高精度單點(diǎn)定位技術(shù)等。各種技術(shù)可應(yīng)用于軍用和民用兩個(gè)應(yīng)用體制中，形成單一系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)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(hào)捕獲技術(shù)

雙模用戶機(jī)是指具備RDSS和RNSS功能的用戶機(jī)，軍用領(lǐng)域的雙模型用戶機(jī)由于需要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)碼直捕功能，需輸入能達(dá)到一定精度的時(shí)間信息。常規(guī)狀態(tài)下的長(zhǎng)碼捕獲的時(shí)間信息可由短碼捕獲、同步后得到的時(shí)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(huì)關(guān)閉短碼支路，從而造成長(zhǎng)碼無(wú)法得到由短碼交接帶來(lái)的時(shí)間信息。在此種應(yīng)用模式下獲得的時(shí)間信息，可由用戶機(jī)的RTC器件保持、以及外部輸入獲得。其中，由RTC器件保持的時(shí)間受制于RTC器件的時(shí)間保持精度，且有一定的時(shí)間保持限度。而外部輸入信息也會(huì)遇到高精度時(shí)間信息來(lái)源以及時(shí)間信息輸入的問(wèn)題。

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

RDSS部分在達(dá)到穩(wěn)定跟蹤后，會(huì)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(shí)刻。通過(guò)RDSS載荷所提供星歷中的“上行時(shí)延”以及估算的下行傳播時(shí)間，可以得到精確度為10ms以內(nèi)的衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)延，從而得到精確度為10ms的接收機(jī)時(shí)間。北斗二代系統(tǒng)中RNSS和RDSS的時(shí)間基準(zhǔn)已經(jīng)統(tǒng)一，所以可直接用于RNSS捕獲模塊的時(shí)間校準(zhǔn)，設(shè)置長(zhǎng)碼捕獲的時(shí)間不確定度寄存器，從而縮短捕獲時(shí)間，且不需要其他時(shí)間信息來(lái)源。根據(jù)該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的RNSS長(zhǎng)碼首次定位時(shí)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(shí)需考慮發(fā)射頻率準(zhǔn)確度，以確保發(fā)射信號(hào)可正確入站。所以在動(dòng)態(tài)較高環(huán)境下應(yīng)用的雙模用戶機(jī)，需計(jì)算由于動(dòng)態(tài)引起的多普勒疊加至RDSS發(fā)射信號(hào)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(jī)的RDSS信號(hào)跟蹤模塊送出的接收頻偏由兩部分構(gòu)成：接收機(jī)動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)尚無(wú)法將兩種漂移區(qū)分開(kāi)。而雙模用戶機(jī)中此時(shí)若RNSS已接收正常，可通過(guò)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(diǎn)定位技術(shù)

目前，RNSS系統(tǒng)的定位精度可達(dá)到水平10 m（95%），高程10m（95%）的精度指標(biāo)，如需達(dá)到更高的定位精度，可利用局域差分系統(tǒng)進(jìn)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(wú)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(wú)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(duì)北斗二代系統(tǒng)的特點(diǎn)，可構(gòu)建改進(jìn)的北斗二代局域差分系統(tǒng)，即通過(guò)RDSS通信手段傳遞北斗二代RNSS或GPS差分信息，從而擴(kuò)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(jī)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(zhuān)用差分接收ID實(shí)現(xiàn)差分信息接收。所以此方案需考慮基準(zhǔn)站用戶機(jī)的信息、發(fā)送頻度和長(zhǎng)度的可實(shí)現(xiàn)性，以及妥協(xié)策略帶來(lái)的精度誤差。

4.RDSS與RNSS組合的高精度授時(shí)技術(shù)

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

三、應(yīng)用系統(tǒng)舉例

研究分析與初步實(shí)踐證明，RNSS與RDSS組合可成為未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航的最佳選擇，以滿足日益增長(zhǎng)的導(dǎo)航定位、通信、授時(shí)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(gè)人終端及指揮網(wǎng)絡(luò)

北斗二代指揮系統(tǒng)依托我國(guó)具有自主知識(shí)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(lèi)型用戶機(jī)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(dú)立完成裝備定位、位置報(bào)告、態(tài)勢(shì)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(duì)指揮所，直接生成我方位置報(bào)告，解決現(xiàn)有普通型用戶機(jī)不支持集群應(yīng)用問(wèn)題，突破軍隊(duì)作戰(zhàn)、訓(xùn)練、搶險(xiǎn)救災(zāi)和打擊恐怖主義行動(dòng)中的裝備定位和態(tài)勢(shì)感知的瓶頸問(wèn)題，滿足軍隊(duì)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(gè)人終端可應(yīng)用RNSS和RDSS組合技術(shù)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，成為捕獲速度快、定位精度高、可具備短報(bào)文功能和其他通信功能的多功能個(gè)人位置服務(wù)終端，可完成北斗系統(tǒng)位置報(bào)告、遠(yuǎn)程地圖分發(fā)、特定場(chǎng)所形勢(shì)匯報(bào)等功能，成為適合新形勢(shì)戰(zhàn)場(chǎng)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(dòng)情況，可以通過(guò)指揮管理軟件看到各終端的上報(bào)內(nèi)容及各站之間的通信內(nèi)容。還可響應(yīng)終端的請(qǐng)求指令，進(jìn)行動(dòng)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(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)形態(tài)分析，發(fā)布通播指揮指令或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)指揮指令。

2.基于北斗二代的漁船監(jiān)控系統(tǒng)

我國(guó)是漁業(yè)大國(guó)，海洋漁業(yè)水域面積300多萬(wàn)平方公里。海洋漁業(yè)特點(diǎn)決定了海洋漁業(yè)生產(chǎn)是高風(fēng)險(xiǎn)、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(huì)出現(xiàn)船只遇到險(xiǎn)情時(shí)無(wú)法得到及時(shí)救助，以及無(wú)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(lái)，我國(guó)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的遠(yuǎn)洋漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)整合了移動(dòng)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(shí)現(xiàn)信息的無(wú)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(bào)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(shí)現(xiàn)以北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為依托的遠(yuǎn)洋漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，是我國(guó)自主研發(fā)，不受他國(guó)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(jìn)行自身位置確定，在近海時(shí)利用GSM通信網(wǎng)絡(luò)和家人互通。更重要的是，在GSM無(wú)法覆蓋的海域，當(dāng)漁船出現(xiàn)觸礁、被襲擊等危險(xiǎn)情況時(shí)，可以通過(guò)北斗與漁業(yè)管理中心聯(lián)系，上報(bào)險(xiǎn)情。管理中心可告知并調(diào)度遇險(xiǎn)船只周?chē)臐O船進(jìn)行救助，大大縮短救援時(shí)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(jī)，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(jìn)行打撈作業(yè)時(shí)，漁業(yè)管理中心可及時(shí)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(jìn)出港報(bào)告、進(jìn)入預(yù)警區(qū)域、遇險(xiǎn)報(bào)警和報(bào)文時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出不同的聲光信號(hào)或符號(hào)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(chǎng)、漁汛、漁市等信息，方便漁民海上作業(yè)。

相比移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，北斗系統(tǒng)采用衛(wèi)星作為通信中繼，可實(shí)現(xiàn)在全國(guó)范圍內(nèi)全天候、無(wú)盲區(qū)的通信覆蓋，抗人為和自然災(zāi)害影響能力強(qiáng)，不受暴雨、臺(tái)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(jiàn)效快，運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)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(wú)法將位置發(fā)送出去。北斗二代RNSS和RDSS不但能達(dá)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(shí)還可分別實(shí)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(fèi)用低廉。

四、結(jié)束語(yǔ)

北斗系統(tǒng)由于其獨(dú)特的高精度定位與短報(bào)文功能相結(jié)合的特點(diǎn)，可發(fā)揮單系統(tǒng)無(wú)法具備的的強(qiáng)大應(yīng)用范圍。但是要切實(shí)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(wèn)題，只有解決了這些問(wèn)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>