北斗全球卫星导航系统身怀哪些“绝技”？丨观天测地

编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。

2022年年底，中国卫星导航系统管理办公室发布消息称：据统计数据显示，民用导航平均每次定位调用的卫星数量中，北斗卫星最多，较排名第二的GPS多出30%，已超越GPS全面主导国内导航定位应用。

回顾北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）自1994年北斗一号立项开始建设到2020年7月北斗三号全面建成并面向全球用户提供服务，北斗从一个“襁褓婴儿”茁壮成长为了“青年才俊”、“国之栋梁”。这个由数以十万计的科技人员、工程人员历时26年打造的“国际巨星”，到底身怀哪些独特的“绝技”呢？

导航定位授时服务能力

北斗系统最基本的技能就是为用户提供导航定位授时服务（PNT）。这个技能是利用了卫星导航最基本的原理，将太空中4颗已知飞行轨道参数的卫星作为4个参考点，地面接收端的用户终端位置作为未知点，利用卫星发出信号的时刻T1与接收机接收到信号的时刻T2之间的时间差乘以光速，便可以得到卫星与接收机之间的距离，进而可以很容易地解算出接收机的坐标和时刻。详细原理见下图所示。

图1 卫星导航系统定位解算原理示意图

目前北斗系统所能提供的全球范围实测定位精度为水平方向优于2.5米，垂直方向优于5.0米，测速精度优于0.2米／秒，授时精度优于20纳秒。这个指标是北斗系统可以为全球用户服务的基本性能，也是北斗系统不断创新发展的结果。这种基本服务能力决定了北斗能够进入手机、可穿戴设备等大众应用领域。据统计，2022年上半年，中国境内申请入网的智能手机中，128款支持北斗定位，出货量超1.3亿部，占总出货量的98%以上。手机地图导航中，北斗定位服务日均使用量已突破1000亿次。

短报文服务能力

北斗系统是全球首个提供区域短报文通信服务和全球短报文服务的卫星导航系统。又称为RDSS系统，即用户至卫星的距离测量和位置计算不是由用户自身独立完成，而是由用户外的系统（地面中心）完成的。其特点是通过用户应答，在完成定位的同时，完成了向外部系统的用户位置报告，还可实现定位与通信的深度集成。这项国际首创的思想，真正实现了“既能够知道你在哪里，也能够知道我在哪里”独特功能。

上述功能在北斗三号中被设计为两类服务，即区域短报文服务（RSMC）和全球短报文服务（GSMC）。

区域短报文（RSMC）

区域短报文服务是利用3颗GEO卫星（即地球静止轨道卫星），实现终端用户与北斗地面运控系统之间的通信，终端位置由北斗地面运行控制中心进行解算。基本原理见下图2所示。

目前，北斗三号系统通过星上载荷扩容，能够支持文字、图片、语音等传输服务，单次短报文长度为1000个汉字。最大单次报文长度14000比特、约1000个汉字，具有区域短报文功能的智能手机已经进入市场，成为北斗服务于应急通信的一大特色服务。

图2 北斗区域短报文原理示意图

全球短报文（GSMC）

北斗三号系统全面提升了短报文通信的服务能力，服务区域从亚太地区扩展到了全球，具备为用户提供一定频度的单向位置报告服务和“端到端”双向报文通信服务的能力。基本原理如下图3所示，通过14颗MEO卫星（即中高地球轨道卫星）的星间链路完成全星座间的数据通信，进而实现全球终端数据联网通信功能。目前的服务性能为最大单次报文长度560比特、约40个汉字。

全球短报文通信能力让北斗具备为全球终端提供位置报告、应急搜救和报文通信3项基本功能，让北斗在国际舞台上尽显风采。一个典型的应用是北斗三号系统助力空间科学探测，引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星（GECAM）两颗卫星不管谁接收到信号，都会立即通知就近的北斗卫星，利用就近的北斗卫星，将信号迅速接力到离北斗地面站最近的卫星下传至地面，实现了探测数据的快速回传分析。这是北斗系统服务于空间探测领域的开端，未来将有更多深空探测工程能够借力北斗系统。

图3 北斗全球短报文原理示意图

国际搜救服务

国家搜救系统（COSPAS-SARSAT）是由美国、苏联、法国和加拿大于1979年联合开发的全球范围的公益性卫星遇险报警系统，于1985年宣布投入使用，其目的在于提供准确、及时、可靠的遇险报警和定位服务，帮助搜救机构协助遇险人员得到及时有效的救助。截至2020年，共有45个国家（或地区、组织）参与系统建设。根据中国交通运输部提出的在北斗中轨导航卫星上搭载搜救载荷需求，北斗系统按照 COSPAS-SARSAT 相关标准进行了空间段、地面段和用户段的任务建设，主要包括北斗搜救载荷研制及发射组网、中国中轨道卫星搜救地面系统、北斗中轨搜救地面支持系统（包含北斗返向链路信息处理系统BDS RLSP）。2022年11月16日，中国政府与COSPAS-SARSAT四个理事国签署了《北斗系统加入国际中轨道卫星搜救系统合作意向声明》，标志着北斗系统正式加入国际中轨道卫星搜救系统。目前，北斗系统已有6颗卫星搭载搜救载荷，实现全球一重覆盖。 

图4 北斗国际搜救服务示意图

精密单点定位服务（PPP）

精密单点定位（PPP，Precise Point Positioning）是利用载波相位观测值以及IGS（International GNSS Service）等组织提供的高精度卫星星历和卫星钟差来进行高精度单点定位的方法。该技术主要是利用单个GNSS接收机伪距和载波相位观测值，加上高精度轨道和钟差产品，利用模型修正法或者参数估计法对各种误差项进行修正，以此来解算高精度的位置坐标。精密单点定位服务（PPP）也是北斗三号一大特色服务，基本原理为使用北斗三号PPP-B2b信号作为数据广播信道，由北斗三号的3颗GEO卫星在我国及周边地区播发北斗三号系统和其他全球卫星导航系统的轨道和钟差等改正信息，可以为用户提供公开、免费的静态厘米级、动态分米级高精度服务。 

图5 北斗PPP服务原理示意图

星基增强服务（BD-SBAS） 

星基增强系统是通过地面差分站对导航卫星进行监测，获取原始定位数据并发送给主控站进行处理，计算出各个卫星的定位修正信息并发送给GEO卫星，再把这些定位修正信息发送给用户接收机，进行位置解算结果修正，从而提高定位精度和完好性。对于民航等高价值用户，需要提供增强和完好性服务，一旦系统发生问题导致服务能力降级，在定位精度下降超过阈值时，系统应在一定时间内向用户报警，确保用户使用安全。

北斗星基增强服务是按照国际民航标准要求，提供高精度、高完好性的导航服务。支持单频及双频多星座两种增强服务模式，满足国际民航组织技术要求。目前，北斗星基增强系统服务平台已基本建成，正面向民航、海事、铁路等高完好性用户提供试运行服务。

图6 北斗星基增强服务原理示意图

地基增强服务(CORS)

地基增强是通过建设地面监测站网，获得北斗长期观测数据，将这些数据汇聚至数据处理中心，数据处理中心根据观测值求算这个区域的钟差、轨道、电离层等误差信息，当用户终端进入这个区域后，数据中心将这些信息播发给这些终端，使得终端能快速获取高精度位置信息。原理见下图7所示。

北斗的全国地基增强系统由中国兵器集团和阿里共同建设，即现在的千寻科技。据科技日报报道“千寻的北斗高精度服务月调用次数破千亿”，这充分说明了有海量的用户在应用北斗、依赖北斗，北斗开始成为公众生活的重要组成部分了。

图7 北斗地基增强原理示意图

参考文献：

1. 冉承其. 北斗卫星导航系统建设与发展[J]. 卫星应用, 2015.

2. 国务院新闻办公室厅.《新时代的中国北斗白皮书》.2022年11月

3. http://www.beidou.gov.cn/yw/xwzx/202103/t20210303_22004.html.

来源：中国科学院空天信息创新研究院

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