北斗系統(tǒng)我為你驕傲

劉家興

從古人跋山涉水的旅行，到商隊穿越荒漠或密林;從鄭和下西洋的壯舉，到新大陸的發(fā)現(xiàn);從飛機跨越大洲飛行，到隨時隨地獲取位置信息等，導(dǎo)航都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

20世紀(jì)末，美國開始運行著名的全球定位系統(tǒng)（GPS），俄羅斯建成了格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS），它們都實現(xiàn)了實時的定位、測速、授時服務(wù)，定位精度可達(dá)幾米到十幾米。之后，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）也開始登上歷史舞臺，成為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）俱樂部的閃亮之星。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星獨具特色，分為有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制。

所謂無源定位體制，是指用戶機不需要發(fā)射信號，只需要接收信號就能完成定位的系統(tǒng)工作機制。

我們先來看一個關(guān)于定位的故事：海盜把寶藏埋在一座無人島的地下。多年后他再次登上小島，根據(jù)方位、沙灘、巖石等地貌特征找到了三棵樹。然后在其中兩棵樹之間畫一條直線，從第三棵樹出發(fā)畫一條該直線的垂線。最終，他在兩條線的交點處挖出了寶藏。在這個故事里，海盜和他的寶藏相當(dāng)于用戶機，三棵樹相當(dāng)于導(dǎo)航衛(wèi)星，小島相當(dāng)于地面站。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的這個定位原理稱為“三球定位法”。用戶機測得自身到第一顆衛(wèi)星的距離，于是明確了它位于以第一顆衛(wèi)星為球心、以該距離為半徑的球面上?？客瑯臃椒?，用戶機又獲知自身位于以第二顆衛(wèi)星為球心的另一球面上，并進一步知道自身位于這兩個球面的相交圓上。用戶機還獲知自身位于以第三顆衛(wèi)星為球心的第三個球面上，并進一步知道自身位于第三個球面和相交圓的兩個交點上。其中一個交點位于外太空，一個交點位于地球附近，后一個交點的位置就是用戶機的位置，至此用戶機就完成了定位。

授時與我們的學(xué)習(xí)、工作和生活密不可分。比如，人們需要通過對表使手表的讀數(shù)更加準(zhǔn)確，這就是一種授時。舉個例子，街上的人們調(diào)整機械手表的時針、分針和秒針，使它們分別與城市座鐘的時針、分針和秒針保持一致。城市座鐘雖然比個人手表精準(zhǔn)，但長時間工作后指針也會出現(xiàn)一些誤差，需要靠鐘表匠根據(jù)其它鐘表的時間或天文時間進行修正。在這個場景里，機械手表就相當(dāng)于用戶機（用戶段），城市座鐘相當(dāng)于衛(wèi)星（空間段），鐘表匠和工具相當(dāng)于地面站（地面段）。

怎么測得北斗衛(wèi)星到用戶機的距離呢？辦法是衛(wèi)星向用戶機發(fā)出導(dǎo)航信號，用戶機測得信號傳播的時間，再乘以光速，就得到了二者的距離。用戶接收衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航信號，同時從自帶的時鐘上讀出信號接收的時刻，將其減去發(fā)射時刻就是信號傳播的時間了。

如何得到衛(wèi)星導(dǎo)航信號的發(fā)射時刻呢？衛(wèi)星導(dǎo)航信號承載了一些信息和符號，它們的作用類似于城市座鐘的時針、分針、秒針，可以讓用戶機獲知信號的發(fā)射時刻。城市座鐘的指針精度是1秒，而衛(wèi)星導(dǎo)航信號的發(fā)射時刻精度要高得多，不大于1納秒（1秒的十億分之一）。就拿海盜的例子來說，海盜必須知道三顆樹的位置才能找到寶藏，同樣，用戶機必須知道衛(wèi)星在信號發(fā)射時刻的位置才能定出自身位置。地面站能夠測量并計算出北斗衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，然后轉(zhuǎn)換成星歷參數(shù)發(fā)送給衛(wèi)星。星歷參數(shù)隨衛(wèi)星導(dǎo)航信號發(fā)送給用戶機，用戶機就能計算出衛(wèi)星位置。地面站還能夠克服衛(wèi)星時鐘與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時鐘之間的差異，生成衛(wèi)星時鐘修正參數(shù)發(fā)送給衛(wèi)星，就像鐘表匠修正城市座鐘那樣。用戶機從導(dǎo)航信號中獲取并利用這些修正參數(shù)，得到更為精確的衛(wèi)星信號發(fā)射時刻。

由于用戶機的時鐘不準(zhǔn)確，信號接收時刻減去發(fā)射時刻的結(jié)果不一定等于信號傳播時間。那么我們能不能像行人靠城市座鐘對表那樣，為用戶機授時呢？答案是否定的。因為衛(wèi)星與用戶機之間的距離太遠(yuǎn)了，間隔達(dá)到幾萬千米。這個距離使信號的傳播時間高達(dá)幾十毫秒，直接對表的時鐘誤差太大。扣除信號傳播時間的間接對表方法也行不通，衛(wèi)星相對地球一直處于運動當(dāng)中，即便用戶機相對地球靜止，可信號的傳播時間變化范圍最大能達(dá)到20多毫秒，誤差仍然不可接受。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的辦法是把授時和定位統(tǒng)一起來，同時實現(xiàn)。用戶機至少觀測4顆北斗衛(wèi)星，通過定位解算過程得出自身的位置信息和時鐘偏差。

定位和授時的結(jié)果具體表現(xiàn)為用戶機位于XX緯度、XX經(jīng)度和XX高度，本地時間比北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時間“快”（超前）或“慢”（滯后）了XX納秒。實測結(jié)果顯示，“北斗二號”系統(tǒng)的無源定位精度優(yōu)于10米，無源授時精度優(yōu)于50納秒。北斗差分系統(tǒng)利用一個或多個位置已知且配備北斗接收機的基準(zhǔn)站，即可改善用戶定位精度，使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度提高到1米甚至幾毫米。

那么，無源定位的測速原理又是什么呢？

用戶機在完成定位之后，可以進一步完成精確測速。測速采用的基本原理是多普勒效應(yīng)，它能反映信號的頻率和速度之間的關(guān)系。例如，當(dāng)火車從遠(yuǎn)處高速行駛過來時，我們聽到汽笛的音調(diào)變高，而當(dāng)它高速遠(yuǎn)離我們時，汽笛的音調(diào)變低。利用多普勒效應(yīng)，交警能通過測量脈沖信號從汽車上反射回來的頻率確定汽車是否超速。

用戶機可通過計算衛(wèi)星的速度、測量衛(wèi)星導(dǎo)航信號的頻率，利用多普勒效應(yīng)確定自身的運動速度。測速的副產(chǎn)品是用戶機的時鐘漂移，也就是與系統(tǒng)時間相比，本地時間每天“變快”或“變慢”的時間。經(jīng)測試，北斗二號系統(tǒng)的測速精度優(yōu)于0.2米/秒。

有源定位體制是指用戶機需要發(fā)射信號才能完成定位的系統(tǒng)工作機制。有源定位體制下的定位和授時是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨特的功能，其優(yōu)點是所需衛(wèi)星數(shù)量少（只需要2到3顆地球靜止軌道衛(wèi)星，而無源定位體制需要6～24顆衛(wèi)星）、運行成本低、建設(shè)速度快、滿足低端定位需求、授時精度高等。

有源定位的過程是：1、地面站持續(xù)發(fā)射出站信號，出站信號經(jīng)不少于兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，向地面用戶機廣播。2、用戶機接收出站信號，將某一路出站信號的接收時刻作為生成信號的起始時刻，向多顆地球靜止軌道衛(wèi)星同時發(fā)射入站信號，衛(wèi)星分別將入站信號轉(zhuǎn)發(fā)至地面控制中心站。3、地面站接收經(jīng)兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的入站信號，入站信號的接收時刻減去出站信號的發(fā)射時刻，就是信號往返的傳播時間。這個時間的一半正是信號單程的傳播時間，乘以光速就是信號單程的傳播距離。信號單程傳播距離扣除衛(wèi)星到中心站的距離，就是衛(wèi)星到用戶機的距離。一般用戶機位于地球表面，這樣由兩顆衛(wèi)星構(gòu)成兩個球面，由地球形成第三個球面，地面站可利用三球定位原理計算用戶位置。如果用戶機在入站電文載入自身準(zhǔn)確的高度信息，則地面站可以得到更準(zhǔn)確的第三球面。4、地面站將用戶位置信息加密后錄入出站信號中，通過地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶廣播。5、用戶接收出站信號，獲知自身位置信息?！氨倍范枴睂?dǎo)航系統(tǒng)的有源定位精度為50～100米。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的位置報告功能是指在有源定位過程中，定位需求由地面站發(fā)出，用戶機應(yīng)答。在出站信號和入站信號中承載短報文信息，實現(xiàn)了以地面站為樞紐的、用戶和地面站之間、用戶和用戶之間的短報文通信功能。

那么，有源定位體制的授時原理又是什么呢？

有源定位體制下有單向授時和雙向授時兩種授時方法。單向授時的原理是：地面站發(fā)射出站信號，一顆地球靜止軌道衛(wèi)星將出站信號轉(zhuǎn)發(fā)給用戶機;用戶機測得出站信號的傳播時間，扣除地面站到衛(wèi)星的距離、衛(wèi)星到用戶機的距離、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)時延等，就得到了用戶機時間與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時間的差值，即用戶機“快”或“慢”的時間?！氨倍范枴睂?dǎo)航系統(tǒng)的有源單向授時精度優(yōu)于100納秒。

雙向授時的原理是：首先，用戶機通過入站信號發(fā)出授時申請;其次，地面站通過一顆地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶機發(fā)射出站信號，用戶機測得出站信號的傳播時間，將出站信號的接收時刻作為生成信號的起始時刻，通過同一顆衛(wèi)星向地面站發(fā)射入站信號，地面站測得入站信號的傳播時間;最后，地面站將出站信號傳播時間減去入站信號傳播時間，再除以2，就得到了用戶機時間與北斗系統(tǒng)時間的差值?！氨倍范枴睂?dǎo)航系統(tǒng)的有源雙向授時精度優(yōu)于20納秒。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為我們的學(xué)習(xí)、工作和生活帶來極大便利和無限可能，其功能擴展和應(yīng)用潛力有待我們進一步的挖掘！