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）

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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準時間信號，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。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??；雙星定位技術(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。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?！叭蛐l(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