卫星应急通信系统——北斗卫星导航系统

       中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。

       北斗卫星导航系统的方案于1983年提出，并制定了三步走的战略规划。

       第一步是建成北斗一代全天候区域性的卫星定位系统，为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务。目前中国分别于2000年10月31日、2000年12月21日、2003年5月25日及2007年2月3日发射了四颗北斗一代导航卫星，组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。

       第二步是到2012年建成覆盖亚太区域的北斗二代区域导航定位系统，目前中国共发射了16颗北斗二代导航卫星，其中14颗卫星顺利组成由5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中地球轨道卫星组成的导航网络。2012年12月27日，中国发布了《北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0》，正式开始为亚太地区的用户提供无源定位、导航、授时等各项北斗导航业务。2013年12月27日，在国务院新闻办公室召开的北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周年新闻发布会上，又发布了《北斗系统公开服务性能规范(1.0版)》和《北斗系统空间信号接口控制文件(2.0版)》两个系统文件,标志着中国北斗卫星导航系统开始走向成熟的应用阶段。

       第三步是到2020年建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统，提供全球的卫星导航、定位和授时服务。目前中国正处于第三步战略规划的快速建设过程中回。

       经过多年的建设，目前的北斗卫星导航系统已经初具规模，并开始为亚太区域的用户提供区域无源定位、导航、授时等各项业务，为战时中国的经济和国防安全提供了有效保障。随着北斗卫星导航系统的进一步建设和发展完善，北斗卫星导航系统的性能和可靠性将得到进一步的提升，并日益深入人们生活和国防建设的方方面面，发挥其巨大的影响力。

       北斗卫星导航系统主要有以下几个特点。

       (1)开放性。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。

       (2)自主性。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。

       (3)三频信号。北斗使用的是三频信号，GPS使用的是双频信号，这是北斗的后发优势。三频信号可以更好地消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度的固定效率。而且如果一个频率信号出现问题，可使用传统方法利用另外两个频率进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。北斗是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统。

       (4)有源定位及无源定位。有源定位就是接收机自己需要发射信息与卫星通信，无源定位不需要。有源定位技术只要两颗卫星就可以完成定位，但需要信息中心数字高程模型(DEM)数据库支持并参与解算。

       (5)短报文通信服务。正是基于这个功能，北斗非常适合用于短信应急通信，且这个功能为中国独有。

       (6)境内监控。卫星定位系统一般由三部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用户接收机部分。其中，地面监控部分又由三部分组成：监控站、主控站、注入站。

       北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，其空间星座由三部分组成，即空间站、地面站和用户终端。全部建设完成后空间站将由5颗GEO卫星、27颗MEO卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)共35颗卫星组成。而地面站则由主控站、注入站和监测站等对整个系统进行控制和监测的若干个地面站点组成。用户终端用来从导航卫星获取位置信息，并给用户提供定位、导航和授时等各项服务的终端。截至目前，北斗卫星导航系统在轨工作卫星有14颗，包括5颗GEO卫星、4颗MEO卫星和5颗IGSO卫星，可为中国及周边地区提供定位、授时及短报文通信(需授权)服务。性能稳定，使用方便，具有覆盖范围广、组网灵活、不易受环境影响等优势，因而也适用于灾后应急通信。

       (1)定位。北斗卫星导航系统可向公众提供标准定位和广域增强定位两种服务，其中标准定位服务精度优于10m；通过北斗GEO播发广域增强信息(轨道/钟差/电离层延迟)提供广域增强服务，其定位精度优于Im,可广泛用于灾害地点、救援人员、救灾物资等的位置定位。

       (2)授时。北斗卫星导航系统可提供优于20ns的精密授时服务，基于北斗精密授时功能，可为电网电力传输与分配、金融系统运行交易、通信基站信息传输等提供精确的时间同步服务，北斗与其他卫星导航系统的兼容特性可为用户授时需求提供互备保障，确保系统安全稳定地运行。

       (3)短报文通信。北斗卫星导航系统还可向用户提供短报文双向通信服务(需授权)，可实现在基础通信设施遭到破坏的情形下的无缝通信连接，满足减灾救灾过程的应急通信需求，实现灾情、指挥调度、位置等信息的传输。

       北斗卫星导航系统的基本工作原理是：空间站部分的各个卫星不间断地向地球发射广播信号，地面站通过接收卫星发射的信号并进行处理后确定各个卫星的运行轨迹，并将其反馈回卫星，加入卫星发射的广播信号中；用户终端接收多个卫星的广播信号后可以获得多个卫星的轨道信息，通过计算即可获得接收者本身的空间地理位置，并可以同时得到卫星原子钟时间，完成定位、导航和授时功能。

       北斗卫星导航系统计划使用三个频段（Bl、B2和B3）播发导航信号，为全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。其提供的服务可分为开放服务和授权服务两种，开放服务向全球用户免费提供定位、测速和授时服务，定位精度可以达到20m,测速精度为0.2m/s,授时精度为10ns。而授权服务则是为有高精度、高可靠导航需求的用户提供定位、测速、授时和通信等服务。B1频段用来提供开放服务,其中心频率为1561.098MHz,使用伪码速率为2.046Mcps（码片速率chipspersecond）的QPSK载波调制方式，码片长度为2046oB2频段通过同时发射彼此正交的开放服务信号（I路）和授权服务信号（Q路）达到同时提供开放服务和授权服务的目的。由于I路釆用速率为2.046Mcps的普通精度伪码,而Q路釆用速率为10.23Mcps的高精度伪码，因此可以达到不同的定位精度。B2频段的中心频率为1207.14MHz,载波调制方式均为QPSK。B3频段只用来提供军用授权信号，其中心频率为1268.52MHz,釆用伪码速率为10.23Mcps的QPSK载波调制方式。

       BDS的基本工作流程是：首先由中心控制系统向卫星S1和卫星S2同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对于定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟，即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟，并从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第1颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第1颗卫星为球心的球面和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查询到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

       北斗卫星导航应急通信指挥系统集定位、导航、短报文通信功能于一体，由北斗系统、应急中心的指挥型用户机以及短报文指挥调度和GIS软件、数据库系统、应急现场的北斗手持式用户机、车载式用户机等组成。在应急通信现场，为相关应急通信人员配备成熟的单兵设备、车载设备，为参与现场抢险的救援车配备车载机，完成对现场单兵

       人员和应急抢险车辆的定位、导航和短信应急通信功能，在现场应急接入设备中内置北斗导航模块，完成现场设备对定位功能和短信收发功能的实现。

        在应急中心通信设备上，通过配置基于北斗导航的指挥型用户机设备，并在应急指挥台上开发基于北斗导航系统的具有定位、导航功能的GIS软件和SMS短报文指挥调度等软件模块，也可以结合原有的应急通信有线、无线、3G、卫星等传输网络来完成应急现场与应急中心一体的应急定位、导航功能，增加北斗导航系统所独有的短信息实时调度功能。

       基于北斗通信功能的短报文指挥调度界面，显示所属各用户终端上传的短报文信息，并对单个用户或用户群下发指挥调度信息及其他通播信息。可实现点对点通信、组播通信、实时短信接收、通信查询、预置电文等功能。

       应急中心建立基于北斗定位导航系统的应急GIS信息平台，通信平台和GIS信息平台可以起到相辅相成的作用，共同为现场抢险救援工作保驾护航。GIS平台可显示应急救援现场详细地图、救援人员、救援车辆等分布信息；可根据应急现场需要，生成导航路径；可根据北斗终端的定位信息显示不同报警状态；可实现对地图进行放大、缩小、查看等功能；具有距离量算功能等。

       (1)北斗通信模块。北斗卫星导航应急通信终端输入需要发送的北斗短信息，然后通过RS-232标准串口传输给北斗接收发射机，然后北斗接收发射机通过卫星发送给地面控制中心。北斗通信分为3个步骤。

       ①通过导航终端发送通信申请，其信号加密后通过卫星转发到地面控制中心站。

       ②控制中心站接收通信申请信号，并将获得的信号解密然后再加密，最后发送给用户。

       ③导航终端收到控制中心的电文后，解调出信号，然后再解密出电文。通过北斗通信模块，控制中心可以获得位置、速度等信息，然后存储相关信息，方便指挥人员查询分析。如果遇到紧急情况，控制中心可以发送调度指令，终端获取指令作出紧急调度。

       (2)GISo以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。GIS具有地图显示、图层控制、定位显示等功能。GIS核心是空间数据库，其中存放的是表示地理信息的空间数据，空间数据是与准确位置的坐标联系在一起的，通过与终端通信获得的位置和状态信息，然后通过地图可以将位置准确地显示出来。

       (3)数据库设计。应急地面控制中心是监控与管理中心，根据应急控制中心所要实现的功能，该数据库主要设计的表单有终端信息、用户信息、报警事件信息、北斗定位数据信息等。本系统釆用SQLServer2008数据库存储定位及状态信息，并且存储了大量的地理空间数据，可以方便査询位置及报警记录。SQLServer2008能为关键应用程序带来强大的安全特性、可靠性和扩展性。

BDS与GPS的比较如表2.3所示。 

表2.3   BDS与GPS的比较

基于北斗卫星导航系统和无线传感器网络（WSN）的三级指挥系统层次结构如图2.25所示。

图2.25   系统总体结构示意图

        第一级为北斗指挥机，该接收机基于北斗一代卫星导航系统，具有发送/接收短信的功能，当自然灾害导致地基通信系统出现故障时，北斗一代卫星导航指挥机可以通过卫星短信方式，继续与外界通信。第二级由北斗卫星导航双模机组合WSN网关构成，北斗导航双模机可实现定位和信息的远距离发送与接收功能，WSN网关具有收集短距离WSN节点传输信息的功能，收集位置坐标信息。第三级由北斗无源定位手持机和WSN节点组成，利用北斗接收机得到精确位置，利用WSN网络节点，将定位及其他相关信息传递到网关。

众多WSN节点结合手持用户机使用，可以将位置信息上报到WSN网关，网关与节点间的距离较近，可通过无线传感网络方式进行传输，这类网络传输距离近，但是不需要额外建立地基的中继站，在灾害发生时，网络可迅速建立。网关收集各个网络节点的位置信息进行汇总，利用北斗双模机，通过短信方式传递给北斗指挥机，指挥机根据位置信息，再通过短信方式下发命令，通过网关下发到各子网节点，实现指挥控制功能。

       (1)北斗指挥控制子系统设计。北斗指挥控制子系统由指挥型北斗用户机、北斗卫星终端、指挥信息系统构成。北斗卫星终端通过指挥型北斗用户机获得指挥控制中心自身定位信息，以及其下辖用户机位置信息，并提供定位信息接口、简短报文发送接口等功能。指挥型北斗用户机可直接定位获得当前位置或通过简短报文的形式向指挥控制中心上报情况。

       其中指挥系统的核心软件设计如下，系统软件釆用C/S结构，包含北斗接口软件、用户管理软件、定位管理软件、命令发送软件和图形显示软件，包括如下内容。

       ①北斗接口软件。它负责对指挥型北斗用户机进行控制，并向业务软件提供定位、信息查询、信息收发等接口。该软件还可以对北斗机的波束、天线高度、当地海拔等参数进行设置。北斗接口软件通过网络连接指挥控制系统服务器，将所连接的指挥型北斗用户机的下属用户信息保存在数据库中。

       ②用户管理软件。根据数据库中所辖用户机的信息，对特定用户机和部队或物资进行关联管理。

       ③定位管理软件。指挥人员通过定位管理软件由北斗接口软件向北斗用户机发出申请后，直接将定位信息以军标或部队番号形式在电子地图上显示。

       ④命令发送软件。指挥人员通过命令发送软件由北斗接口软件向指定用户(机)发送指挥命令，也可以通过图上作业在电子地图上选取用户向其发送指挥命令。另外命令发送软件也可以接收来自所辖用户的上报信息。

       ⑤图形显示软件。图形显示软件将收到的定位信息或指挥命令在计算机屏幕上通过电子地图直观地显示出来，方便指挥人员查看。

各软件之间的数据流程如图2.26所示。

       (2)WSN体系结构设计。WSN体系结构包括大量WSN节点、WSN网关和应用接口等，如图2.27所示。

       它由一定数目的节点以无线自组织的方式构成网络。WSN节点具有一定的数据处理和通信能力，负责搜集周围环境的各种信息，然后通过多跳、无线通信的方式向汇聚节点发送数据。汇聚节点具有较强的数据处理和通信能力。 

图2.26   软件数据流程

 

图2.27   WSN体系结构示意图

       网关是WSN与有线设备连接的中转站，它将WSN节点传输来的所有数据通过无线通信方式传送给终端用户。同时也负责发送上层命令(如查询、分配ID地址等)，接收下层节点的请求和数据，具有数据融合、请求仲裁和路由选择等功能。

       在应急救灾指挥应用中，专业识读器、各类传感器或者手动输入釆集到的有效信息通过统一编码与格式化后传输到WSN节点，无源定位手持机的定位信息也可以传输到WSN节点。WSN节点将编码与格式化后的信息通过无线网络汇聚到网关，然后可以通过北斗卫星链路以短信的方式发送到指挥所。同时，指挥所下达的命令可以通过北斗卫星链路下发到北斗双模机，并通过网关发送给下属节点。实现了系统指挥控制信息的上传和下达。系统应用网络架构如图2.28所示。

      系统的主要特点如下。

      (1)强大的指挥调度功能，实时管理多个(50〜200)终端用户。

      (2)可以对所管辖用户群发或单发短信息电文，方便用户组成广域的位置报告和通信系统。

图2.28   系统应用网络架构图

       (3)通过传感器节点相互间的协作，系统可以实时、全面地获得终端信息。

       (4)使用无源定位手持机，提升了系统的经济性与小型化建设。