基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間微信服務(wù)設(shè)想

● 文 |中國(guó)空間技術(shù)研究院 劉天雄 聶欣 謝軍 范本堯

北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 余東峰 李罡

北京理工大學(xué) 王帥 卜祥元 安建平

南京大學(xué) 趙康僆 李文峰

解放軍理工大學(xué) 呂晶 劉波

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 王宏兵

北京理工雷科電子信息技術(shù)有限公司 張磊 劉峰

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間微信服務(wù)設(shè)想

● 文 |中國(guó)空間技術(shù)研究院 劉天雄 聶欣 謝軍 范本堯

北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 余東峰 李罡

北京理工大學(xué) 王帥 卜祥元 安建平

南京大學(xué) 趙康僆 李文峰

解放軍理工大學(xué) 呂晶 劉波

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 王宏兵

北京理工雷科電子信息技術(shù)有限公司 張磊 劉峰

一、引言

隨著“一帶一路”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的提出與實(shí)踐，我國(guó)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)利益的時(shí)空界域比歷史上任何時(shí)候都更加寬廣，用戶對(duì)全球范圍內(nèi)位置報(bào)告、報(bào)文通信、搜索救援等服務(wù)提出了迫切的需求。由于軌道位置和頻率資源的限制，在2020年前后，我國(guó)衛(wèi)星通信系統(tǒng)還不具備全球范圍內(nèi)提供通信服務(wù)的能力。

在無(wú)法全球布站的情況下，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用星間鏈路技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的通信和測(cè)距功能，系統(tǒng)具有自主導(dǎo)航能力，2018年為“一帶一路”沿線國(guó)家提供基本服務(wù)，2020年形成全球服務(wù)能力[1，2]。借助北斗星間互聯(lián)互通的全球覆蓋網(wǎng)絡(luò)，可將北斗傳統(tǒng)的短報(bào)文通信服務(wù)由區(qū)域拓展到全球，同時(shí)，還可進(jìn)一步豐富服務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)圖像和語(yǔ)音等數(shù)據(jù)的傳輸。在提供定位（P）、導(dǎo)航（N）和授時(shí)（T）服務(wù)的同時(shí)，打造基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間“微信”服務(wù)，在全球范圍為用戶提供報(bào)文通信、語(yǔ)音和圖像等數(shù)據(jù)延時(shí)傳輸服務(wù)，同時(shí)為授權(quán)用戶提供位置報(bào)告、搜索救援、態(tài)勢(shì)感知、指揮監(jiān)控等特色服務(wù)，全面提升北斗系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力，破解當(dāng)前無(wú)法在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膯?wèn)題。

當(dāng)前我國(guó)正在積極發(fā)展天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)星間、星地鏈路連接在一起的不同軌道、種類、性能的飛行器及相應(yīng)地面設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)按照空間信息資源的最大有效利用原則所組成的空天地一體化綜合信息網(wǎng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備全球覆蓋的星座和星間互聯(lián)互通的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)，因此可以充分利用北斗系統(tǒng)的資源，打造基于北斗全球系統(tǒng)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，屆時(shí)北斗全球系統(tǒng)除了作為時(shí)空基準(zhǔn)提供PNT服務(wù)，所構(gòu)建的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)還將在我國(guó)經(jīng)濟(jì)、民生等各領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

二、國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通信服務(wù)現(xiàn)狀

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)有的短報(bào)文特色服務(wù)，近20年來(lái)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，取得了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也借鑒北斗系統(tǒng)導(dǎo)航通信一體化的設(shè)計(jì)理念，開(kāi)展了通信服務(wù)的實(shí)踐，尤其以歐洲Galileo系統(tǒng)提供的搜索救援（SAR）、美國(guó)GPS系統(tǒng)提供的危害告警（DASS）和日本QZSS系統(tǒng)提供的災(zāi)害報(bào)告（DC Report）為代表的導(dǎo)航通信一體化服務(wù)已經(jīng)在災(zāi)害預(yù)警和搜索救援等領(lǐng)域取得顯著成效。下面以SAR/Galileo為例，簡(jiǎn)要介紹國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通信服務(wù)的設(shè)計(jì)方案。

Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了提供PNT服務(wù)外，還支持全球搜索救援服務(wù)，簡(jiǎn)稱SAR/Galileo服務(wù)，具有前向和反向通信鏈路。前向鏈路為處于緊急狀態(tài)的用戶向Galileo衛(wèi)星發(fā)出一個(gè)406MHz的求救遇險(xiǎn)信標(biāo)信號(hào)，衛(wèi)星接收信號(hào)后將遇險(xiǎn)信號(hào)放大和變頻，以1544MHz的頻率下行播發(fā)給SARSAT地面終端站。地面站完成對(duì)信標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)、信標(biāo)信息提取并計(jì)算出信標(biāo)位置，并將結(jié)果和反向鏈路請(qǐng)求信息發(fā)送給任務(wù)控制中心。反向鏈路為本地任務(wù)控制中心把經(jīng)過(guò)位置確認(rèn)的反向鏈路請(qǐng)求信息發(fā)送給伽利略地面任務(wù)段（GMS），GMS把反向鏈路信息通過(guò)C頻段上傳給Galileo衛(wèi)星，然后衛(wèi)星利用1575.42MHz下行鏈路播發(fā)對(duì)用戶信標(biāo)確認(rèn)電文信號(hào)，從而使報(bào)警信標(biāo)用戶知道求救已經(jīng)被確認(rèn)收到。

較國(guó)際衛(wèi)星搜索救援（COSPAS-SARSAT）系統(tǒng)，SAR/Galileo服務(wù)取得兩項(xiàng)兩大技術(shù)突破，一是對(duì)上行救援信號(hào)的監(jiān)測(cè)時(shí)間從COSPAS-SARSAT系統(tǒng)的分鐘級(jí)提高到秒級(jí)；二是增加衛(wèi)星對(duì)用戶信標(biāo)的反向鏈路通信功能，從而可以使用戶確認(rèn)系統(tǒng)已經(jīng)收到求救信息。2015年底，Galileo系統(tǒng)在10顆衛(wèi)星上搭載SAR信標(biāo)載荷[3]，開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證工作，系統(tǒng)在2017年底提供服務(wù)[4]。

GPS系統(tǒng)從BLOCK-IIR后續(xù)衛(wèi)星中開(kāi)展了衛(wèi)星危險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)（DASS）試驗(yàn)驗(yàn)證工作，簡(jiǎn)稱DASS/GPS服務(wù)，其服務(wù)流程與SAR/Galileo服務(wù)基本相同[5]，NASA已在9顆GPS BLOCK -ⅡR和所有的BLOCK-ⅡF衛(wèi)星上安裝DASS載荷[6]。日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)也具有廣播災(zāi)難與危機(jī)報(bào)告（DC Report）的功能[7、8]，衛(wèi)星地面站把應(yīng)急警報(bào)發(fā)送給QZSS衛(wèi)星，衛(wèi)星通過(guò)L1-SAIF信號(hào)對(duì)地面進(jìn)行廣播，地面各種能夠接收L1-SAIF信號(hào)的終端接收到應(yīng)急警報(bào)后可以指導(dǎo)災(zāi)難救援[9、10]。

三、北斗全球空間微信服務(wù)系統(tǒng)設(shè)想

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照“先試驗(yàn)，后區(qū)域，再全球”的三步走發(fā)展規(guī)劃，其中試驗(yàn)系統(tǒng)又稱為北斗雙星定位系統(tǒng)，2000年為我國(guó)國(guó)土及周邊地區(qū)提供PNT和短報(bào)文通信服務(wù)。地面段由一個(gè)中心站和幾十個(gè)分布于全國(guó)的參考標(biāo)校站組成，空間段由兩顆GEO衛(wèi)星組成，基于衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)(RDSS)，提供有源定位及短報(bào)文服務(wù)[11]。系統(tǒng)下行為S頻段2483.5MHz～2500MHz，上行為L(zhǎng)頻段1610MHz～1626.5MHz[12]。為用戶提供每次最多120個(gè)漢字的短報(bào)文通信服務(wù)，短報(bào)文通信的傳輸時(shí)延約0.5s，通信的最高頻度為每秒一次。系統(tǒng)入站容量?jī)?yōu)于54萬(wàn)次/小時(shí)；出站容量?jī)?yōu)于18萬(wàn)次/小時(shí)[13]。2012年12月27日，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)，除了增加與GPS系統(tǒng)一致的RNSS服務(wù)外，繼承了北斗雙星定位系統(tǒng)的短報(bào)文通信服務(wù)與有源定位功能。短報(bào)文通信結(jié)合北斗定位服務(wù)已在搜索救援、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通信等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。

1. 系統(tǒng)方案

開(kāi)展北斗全球空間微信服務(wù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，要求在不影響北斗全球系統(tǒng)建設(shè)的前提下，特別是不能改變衛(wèi)星大的技術(shù)狀態(tài)，充分考慮衛(wèi)星、地面系統(tǒng)、用戶機(jī)可實(shí)現(xiàn)性等資源約束條件，借助北斗全球系統(tǒng)的星間鏈路，實(shí)現(xiàn)全球微信服務(wù)。北斗全球微信系統(tǒng)由用戶段、空間段、地面段組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[14]。北斗全球微信通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式繼承并優(yōu)化北斗區(qū)域報(bào)文通信系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，并針對(duì)新的業(yè)務(wù)模式開(kāi)展適應(yīng)性改造。衛(wèi)星需搭載一臺(tái)12通道全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)，其他載荷均可繼承當(dāng)前設(shè)備?；谔幚磙D(zhuǎn)發(fā)體制的全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)，主要用于實(shí)現(xiàn)地面用戶的接入、上行鏈路信息接收及與星上綜合電子系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。地面段主要包括地面控制中心，以完成全球微信系統(tǒng)衛(wèi)星載荷資源管理、系統(tǒng)維護(hù)、用戶業(yè)務(wù)控制、境內(nèi)段公網(wǎng)/專網(wǎng)信息分發(fā)及安全保障。用戶段主要為雙模用戶終端機(jī)，內(nèi)置RNSS定位模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，采用一戶一卡方式進(jìn)行管理，由地面控制中心進(jìn)行用戶權(quán)限及業(yè)務(wù)管理。

由于衛(wèi)星在地面主控站不具備連續(xù)觀測(cè)條件，接收境外用戶終端發(fā)射的入站信息后，需要利用當(dāng)前星間鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼，信息通過(guò)星間鏈路一跳或者多跳后傳遞到境內(nèi)中心站可視衛(wèi)星，然后借助現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)鏈路將信息下傳至境內(nèi)中心站，中心站再借助國(guó)內(nèi)各類通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給相關(guān)用戶，實(shí)現(xiàn)境外用戶的信息回傳報(bào)告。同時(shí)，系統(tǒng)還具備反向鏈路將應(yīng)答信息體制，利用現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)鏈路或者運(yùn)行控制系統(tǒng)鏈路，從中心站將大本營(yíng)的指揮命令和遙控指令發(fā)送給境外用戶。

2. 星座設(shè)計(jì)

北斗全球系統(tǒng)MEO衛(wèi)星軌道高度21528 km，分布于A/B/C三個(gè)軌道面，軌道傾角55°，采用walker27/3/1星座布局[15,16]。為與北斗全球系統(tǒng)的建設(shè)步伐一致，從北斗walker27/3/1星座中選取特定衛(wèi)星組成提供全球空間微信子星座。綜合考慮系統(tǒng)研制成本與周期、用戶不同仰角時(shí)覆蓋特性、通信容量和系統(tǒng)可靠性等因素，在當(dāng)前北斗全球walker27/3/1星座中選取15顆衛(wèi)星，每個(gè)軌道面選擇5顆衛(wèi)星搭載全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)，形成全球雙重覆蓋能力，如圖2所示。

為確保系統(tǒng)可靠性，考慮到不同仰角時(shí)通信性能受到雨衰、遮擋影響不同，并對(duì)不同仰角進(jìn)行了仿真，以全球二重覆蓋為目標(biāo)進(jìn)行星座方案的選取。15°仰角下，仿真得到15星子星座（具體衛(wèi)星為A1 A2 A3 A5 A7/B2 B4 B6 B7 B8/C1 C3 C4 C5 C7）可實(shí)現(xiàn)全球二重覆蓋（時(shí)間可用性99%），如圖3所示。對(duì)比國(guó)外提供全球數(shù)據(jù)和報(bào)文業(yè)務(wù)的Orbcomm系統(tǒng)，Orbcomm系統(tǒng)空間段由4個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面上8顆衛(wèi)星，總計(jì)32顆衛(wèi)星組成LEO低軌衛(wèi)星星座，衛(wèi)星軌道高度815km。Orbcomm系統(tǒng)衛(wèi)星每天的可用性取決于衛(wèi)星、地面網(wǎng)關(guān)站以及用戶的位置，每顆Orbcomm衛(wèi)星大約能覆蓋星下點(diǎn)5100km范圍?？梢?jiàn)，由于北斗系統(tǒng)衛(wèi)星采用MEO中圓軌道，相對(duì)于Orbcomm等低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)，使用較少的衛(wèi)星數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的雙重覆蓋。

利用STK軟件進(jìn)一步分析全球各大洲多個(gè)境外區(qū)域的過(guò)境時(shí)間，仿真表明全球各大洲典型位置的平均過(guò)境時(shí)間最小約為6h。由于北斗空間微信是較短時(shí)間的猝發(fā)型數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，上述過(guò)境時(shí)間保證了在一次數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，即使可能發(fā)生切換，但發(fā)生切換的概率非常低，可不進(jìn)行用戶和衛(wèi)星接入關(guān)系的切換，保證了服務(wù)的連續(xù)性。

3. 信息傳輸鏈路

信息傳輸鏈路由用戶機(jī)與MEO衛(wèi)星之間的鏈路、星間鏈路、衛(wèi)星和中心站之間的鏈路組成。星地鏈路：用戶到MEO衛(wèi)星的星地鏈路頻點(diǎn)繼承在北斗區(qū)域系統(tǒng)，上行為L(zhǎng)頻段1610 MHz～1626.5 MHz[12]，用于境外用戶上傳信息。衛(wèi)星至地面控制中心的上行、下行通信體制繼承采用當(dāng)前現(xiàn)有飛行試驗(yàn)星與運(yùn)控、測(cè)控地面站上下行通信體制。MEO衛(wèi)星到境外用戶的反向鏈路頻點(diǎn)繼承北斗區(qū)域系統(tǒng)，系統(tǒng)下行為S頻段2483.5 MHz～2500 MHz[12]，用于控制中心對(duì)用戶上行信息傳輸?shù)拇_認(rèn)、通信和指揮。星間鏈路采用Ka相控陣體制[17]，利用北斗全球系統(tǒng)雙向星間鏈路，實(shí)現(xiàn)信息的入站與出站，星間鏈路能給北斗全球微信服務(wù)的資源決定了空間微信服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、通信容量、通信頻次等系統(tǒng)指標(biāo)，是系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。

星間鏈路的雙向通信特性，以及衛(wèi)星與用戶、衛(wèi)星與地面站間的雙向通信鏈路，使得傳輸鏈路具備正向和反向雙向信息傳輸能力。

● 正向信息流程：境外用戶終端->MEO衛(wèi)星->境內(nèi)中心站可見(jiàn)MEO衛(wèi)星->中心站

● 反向信息流程：中心站->境內(nèi)中心站可見(jiàn)MEO衛(wèi)星->MEO衛(wèi)星->境外用戶終端

用戶終端在繼承北斗區(qū)域系統(tǒng)用戶機(jī)的基礎(chǔ)上（L頻點(diǎn)發(fā)射信號(hào)，S頻點(diǎn)接收信號(hào)），還需要進(jìn)一步權(quán)衡星載接收天線的增益和方向圖、入站全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)的靈敏度、上行及下行鏈路預(yù)算要有3dB余量等指標(biāo)，進(jìn)一步降低用戶終端的重量、體積和功耗，初步確定北斗全球微信服務(wù)用戶終端的發(fā)射功率為10W，可支持500bit/s的上行通信速率。

4. 傳輸協(xié)議

以不修改當(dāng)前北斗全球系統(tǒng)的星間網(wǎng)絡(luò)方案和協(xié)議為前提，同時(shí)考慮正向和反向數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)開(kāi)展了傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)，正、反向路由選擇如圖4所示。在正向傳輸時(shí)，由于同時(shí)存在多個(gè)地面可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星，可能的選擇策略包括隨機(jī)發(fā)送和基于源路由優(yōu)化的選擇，這兩種協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨機(jī)發(fā)送是指接入衛(wèi)星不做任何路由優(yōu)化，以中心站為目的直接轉(zhuǎn)發(fā)位置報(bào)告，好處是星上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星排隊(duì)擁塞等情況有較強(qiáng)的魯棒性，但可能帶來(lái)傳播路徑非最優(yōu)的問(wèn)題?；谠绰酚蓛?yōu)化的選擇策略是指根據(jù)當(dāng)前接入節(jié)點(diǎn)隊(duì)列情況、星間拓?fù)浜偷孛婵梢?jiàn)關(guān)系等，按最短到達(dá)時(shí)間/最少跳數(shù)選擇最短路徑對(duì)應(yīng)的地面可見(jiàn)衛(wèi)星，其好處是可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的選擇，但需考慮轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)額外排隊(duì)，源路由計(jì)算的最優(yōu)路徑就不再成立。

對(duì)于反向鏈路，由于全球空間微信系統(tǒng)的用戶終端集成RNSS定位模塊，用戶終端的定位結(jié)果信息通過(guò)空間微信服務(wù)報(bào)告給中心站。這樣，以用戶地理位置作為位置管理的位置信息就成了必然選擇。將業(yè)務(wù)與管理信息合二為一，可減少管理信息造成的信道資源浪費(fèi)，提高信道資源有效利用。通過(guò)移動(dòng)性管理信息我們可以獲取前向接入衛(wèi)星信息，同時(shí)考慮存在多重覆蓋和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等問(wèn)題，還采用多星廣播方式增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5.數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)類型在繼承北斗區(qū)域系統(tǒng)短報(bào)文通信數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展至快速位置報(bào)告、非實(shí)時(shí)語(yǔ)音、圖像等數(shù)據(jù)傳輸，典型信息類型及數(shù)據(jù)量如表1所示。

接入方式分為隨機(jī)接入、預(yù)約通信和境外星上存儲(chǔ)入境轉(zhuǎn)發(fā)三種，隨機(jī)接入方式用于全球位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)，用戶終端隨機(jī)選擇快速位置報(bào)告信道向地面控制中心發(fā)送一幀快速位置報(bào)告幀，地面控制中心在接收到用戶幀并確認(rèn)其完整性與用戶ID的合法性后，按原路徑向用戶終端發(fā)送位置報(bào)告應(yīng)答幀。預(yù)約通信方式用于語(yǔ)音和圖像數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，用戶終端向地面控制中心發(fā)起接入請(qǐng)求，地面控制中心為用戶分配信道和時(shí)長(zhǎng)并將其返回給用戶，用戶按照分配信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。對(duì)于數(shù)據(jù)量巨大，且對(duì)時(shí)延不敏感的數(shù)據(jù)，可采用星上存儲(chǔ)，入境轉(zhuǎn)發(fā)的方式。當(dāng)衛(wèi)星不在中心站可視范圍內(nèi)，通過(guò)星上存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，待衛(wèi)星入境后再下傳至中心站。

參考災(zāi)情信息北斗短報(bào)文傳輸編碼與解碼技術(shù)規(guī)范[18]，設(shè)計(jì)北斗全球微信數(shù)據(jù)幀格式，如圖5所示，其中電文內(nèi)容根據(jù)用戶機(jī)傳輸信息而具有不同長(zhǎng)度，平均約為350bits。基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間“微信”服務(wù)，在全球范圍為用戶提供報(bào)文通信、語(yǔ)音、圖像等數(shù)據(jù)延時(shí)傳輸服務(wù)，同時(shí)為授權(quán)用戶提供位置報(bào)告、搜索救援、態(tài)勢(shì)感知、指揮監(jiān)控等特色服務(wù)。

四、服務(wù)性能評(píng)估

參考國(guó)外短數(shù)據(jù)通信衛(wèi)星系統(tǒng)的代表（Orbcomm系統(tǒng)）的短報(bào)文通信服務(wù)能力評(píng)估模式，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值仿真，以全球位置報(bào)告業(yè)務(wù)為例，對(duì)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間微信服務(wù)的性能進(jìn)行評(píng)估，主要包括系統(tǒng)容量和傳播時(shí)延。

1.系統(tǒng)容量

當(dāng)MEO衛(wèi)星搭載一臺(tái)12通道全球數(shù)據(jù)通信接收機(jī)，入站業(yè)務(wù)量為5.876愛(ài)爾蘭。在考慮全球位置報(bào)告業(yè)務(wù)幀為350bits時(shí)，由于用戶上行鏈路信息速率為500 bit/s，一次用戶上行入站信號(hào)持續(xù)時(shí)間為350/500=0.75s，則單星每秒可以容納入站次數(shù)約為7.83次，每小時(shí)入站次數(shù)為28204次。整個(gè)系統(tǒng)按入站二重覆蓋考慮，15顆MEO衛(wèi)星用戶上行注入總?cè)萘靠蛇_(dá)21.15萬(wàn)次/小時(shí)。

從衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度和鏈路信息速率等方面比較，Orbcomm系統(tǒng)提供的服務(wù)容量高于北斗全球微信系統(tǒng)。但是，北斗全球微信服務(wù)北斗全球系統(tǒng)PNT服務(wù)之外的“增值”服務(wù)，且其建設(shè)周期、運(yùn)行維護(hù)成本遠(yuǎn)低于Orbcomm系統(tǒng)。

2.傳播時(shí)延

下面以隨機(jī)發(fā)送策略下，利用Opnet Modeler通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件計(jì)算全球位置報(bào)告業(yè)務(wù)交付時(shí)延（位置報(bào)告業(yè)務(wù)經(jīng)星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心站的時(shí)間），仿真計(jì)算中，全球位置報(bào)告業(yè)務(wù)的星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)采用節(jié)點(diǎn)路由，由接入衛(wèi)星根據(jù)星間鏈路拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算最快到達(dá)的路徑，并實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告由接入衛(wèi)星經(jīng)星間鏈路到地面中心站的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程。

仿真結(jié)果表明，在沒(méi)有擁塞的情況下，位置報(bào)告平均交付時(shí)間為2.88s，超過(guò)75%的包在3s時(shí)間內(nèi)到達(dá)，99.7%的包在9s時(shí)間內(nèi)到達(dá)，最長(zhǎng)時(shí)延15s，仿真結(jié)果如圖6所示。根據(jù)參考文獻(xiàn)[19]的數(shù)據(jù)，Orbcomm系統(tǒng)對(duì)于小于6個(gè)字節(jié)的短消息，50%能夠在1min內(nèi)完成傳輸，90%在4min內(nèi)完成，而98%小于15min。可見(jiàn)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全球微信服務(wù)的位置報(bào)告業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延方面與Orbcomm系統(tǒng)的短報(bào)文通信業(yè)務(wù)能力相當(dāng)。

五、結(jié)論與展望

1）繼承和發(fā)展北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)。利用北斗系統(tǒng)星間鏈路技術(shù)，將北斗區(qū)域系統(tǒng)的短報(bào)通信服務(wù)范圍由我國(guó)國(guó)土及周邊擴(kuò)大到全球，將單純短報(bào)通信服務(wù)拓展為空間微信，實(shí)現(xiàn)圖像和語(yǔ)音等數(shù)據(jù)的傳輸。北斗全球系統(tǒng)在提供PNT服務(wù)的同時(shí)，為用戶提供報(bào)文通信、語(yǔ)音級(jí)圖像延時(shí)傳輸、位置報(bào)告、災(zāi)害廣播、搜索救援態(tài)勢(shì)感知、特色服務(wù)是可行的。在2020年前后北斗全球組網(wǎng)時(shí)，就可以利用北斗空間微信服務(wù)解決全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)安全傳輸問(wèn)題。

2）提升和加強(qiáng)北斗空間微信能力。因此影響北斗全球微信服務(wù)能力的瓶頸主要在于星間鏈路的分配給以位置報(bào)告業(yè)務(wù)為代表的空間微信服務(wù)的資源，隨著激光星間鏈路技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，北斗全球位置報(bào)告服務(wù)的通信能力將大大得到提升[20]。2017年4月12日，我國(guó)發(fā)射了首顆高通量通信衛(wèi)星，在地球同步靜止軌道上開(kāi)展了對(duì)地雙向激光通信時(shí)延，通信速率高達(dá)2.4Gbit/s[21，22]，因此，未來(lái)北斗系統(tǒng)利用激光通信技術(shù)建設(shè)星間激光鏈路是可行的，屆時(shí)北斗的空間微信服務(wù)能力將更加強(qiáng)大。

3）研究和建設(shè)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)將成為國(guó)家信息化重要基礎(chǔ)設(shè)施[23]，目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的唯一具備全球覆蓋能力的星座系統(tǒng)，且衛(wèi)星之間具有互聯(lián)互通能力的星間鏈路，北斗系統(tǒng)的空間資源理應(yīng)得到充分利用，可以作為未來(lái)我國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)天基骨干網(wǎng)的子網(wǎng)或者試驗(yàn)網(wǎng)，借助北斗空間微信服務(wù)深入研究天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)問(wèn)題，無(wú)疑將進(jìn)一步支撐乃至加速我國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展。

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