劉家興

從古人跋山涉水的旅行，到商隊(duì)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(jī)跨越大洲飛行，到隨時(shí)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(guó)開(kāi)始運(yùn)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的定位、測(cè)速、授時(shí)服務(wù)，定位精度可達(dá)幾米到十幾米。之后，我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）也開(kāi)始登上歷史舞臺(tái)，成為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）俱樂(lè)部的閃亮之星。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)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(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。

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

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

我們先來(lái)看一個(gè)關(guān)于定位的故事：海盜把寶藏埋在一座無(wú)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(shù)。然后在其中兩棵樹(shù)之間畫(huà)一條直線，從第三棵樹(shù)出發(fā)畫(huà)一條該直線的垂線。最終，他在兩條線的交點(diǎn)處挖出了寶藏。在這個(gè)故事里，海盜和他的寶藏相當(dāng)于用戶機(jī)，三棵樹(shù)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(gè)定位原理稱為“三球定位法”。用戶機(jī)測(cè)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ǎ脩魴C(jī)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(jìn)一步知道自身位于這兩個(gè)球面的相交圓上。用戶機(jī)還獲知自身位于以第三顆衛(wèi)星為球心的第三個(gè)球面上，并進(jìn)一步知道自身位于第三個(gè)球面和相交圓的兩個(gè)交點(diǎn)上。其中一個(gè)交點(diǎn)位于外太空，一個(gè)交點(diǎn)位于地球附近，后一個(gè)交點(diǎn)的位置就是用戶機(jī)的位置，至此用戶機(jī)就完成了定位。

授時(shí)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(guò)對(duì)表使手表的讀數(shù)更加準(zhǔn)確，這就是一種授時(shí)。舉個(gè)例子，街上的人們調(diào)整機(jī)械手表的時(shí)針、分針和秒針，使它們分別與城市座鐘的時(shí)針、分針和秒針保持一致。城市座鐘雖然比個(gè)人手表精準(zhǔn)，但長(zhǎng)時(shí)間工作后指針也會(huì)出現(xiàn)一些誤差，需要靠鐘表匠根據(jù)其它鐘表的時(shí)間或天文時(shí)間進(jìn)行修正。在這個(gè)場(chǎng)景里，機(jī)械手表就相當(dāng)于用戶機(jī)（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(cè)得北斗衛(wèi)星到用戶機(jī)的距離呢？辦法是衛(wèi)星向用戶機(jī)發(fā)出導(dǎo)航信號(hào)，用戶機(jī)測(cè)得信號(hào)傳播的時(shí)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(lái)的導(dǎo)航信號(hào)，同時(shí)從自帶的時(shí)鐘上讀出信號(hào)接收的時(shí)刻，將其減去發(fā)射時(shí)刻就是信號(hào)傳播的時(shí)間了。

如何得到衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻呢？衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)承載了一些信息和符號(hào)，它們的作用類似于城市座鐘的時(shí)針、分針、秒針，可以讓用戶機(jī)獲知信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻。城市座鐘的指針精度是1秒，而衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)射時(shí)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(lái)說(shuō)，海盜必須知道三顆樹(shù)的位置才能找到寶藏，同樣，用戶機(jī)必須知道衛(wèi)星在信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的位置才能定出自身位置。地面站能夠測(cè)量并計(jì)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(hào)發(fā)送給用戶機(jī)，用戶機(jī)就能計(jì)算出衛(wèi)星位置。地面站還能夠克服衛(wèi)星時(shí)鐘與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘之間的差異，生成衛(wèi)星時(shí)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(jī)從導(dǎo)航信號(hào)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(hào)發(fā)射時(shí)刻。

由于用戶機(jī)的時(shí)鐘不準(zhǔn)確，信號(hào)接收時(shí)刻減去發(fā)射時(shí)刻的結(jié)果不一定等于信號(hào)傳播時(shí)間。那么我們能不能像行人靠城市座鐘對(duì)表那樣，為用戶機(jī)授時(shí)呢？答案是否定的。因?yàn)樾l(wèi)星與用戶機(jī)之間的距離太遠(yuǎn)了，間隔達(dá)到幾萬(wàn)千米。這個(gè)距離使信號(hào)的傳播時(shí)間高達(dá)幾十毫秒，直接對(duì)表的時(shí)鐘誤差太大?？鄢盘?hào)傳播時(shí)間的間接對(duì)表方法也行不通，衛(wèi)星相對(duì)地球一直處于運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，即便用戶機(jī)相對(duì)地球靜止，可信號(hào)的傳播時(shí)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(shí)和定位統(tǒng)一起來(lái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)。用戶機(jī)至少觀測(cè)4顆北斗衛(wèi)星，通過(guò)定位解算過(guò)程得出自身的位置信息和時(shí)鐘偏差。

定位和授時(shí)的結(jié)果具體表現(xiàn)為用戶機(jī)位于XX緯度、XX經(jīng)度和XX高度，本地時(shí)間比北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間“快”（超前）或“慢”（滯后）了XX納秒。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，“北斗二號(hào)”系統(tǒng)的無(wú)源定位精度優(yōu)于10米，無(wú)源授時(shí)精度優(yōu)于50納秒。北斗差分系統(tǒng)利用一個(gè)或多個(gè)位置已知且配備北斗接收機(jī)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(wú)源定位的測(cè)速原理又是什么呢？

用戶機(jī)在完成定位之后，可以進(jìn)一步完成精確測(cè)速。測(cè)速采用的基本原理是多普勒效應(yīng)，它能反映信號(hào)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(guò)來(lái)時(shí)，我們聽(tīng)到汽笛的音調(diào)變高，而當(dāng)它高速遠(yuǎn)離我們時(shí)，汽笛的音調(diào)變低。利用多普勒效應(yīng)，交警能通過(guò)測(cè)量脈沖信號(hào)從汽車上反射回來(lái)的頻率確定汽車是否超速。

用戶機(jī)可通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星的速度、測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的頻率，利用多普勒效應(yīng)確定自身的運(yùn)動(dòng)速度。測(cè)速的副產(chǎn)品是用戶機(jī)的時(shí)鐘漂移，也就是與系統(tǒng)時(shí)間相比，本地時(shí)間每天“變快”或“變慢”的時(shí)間。經(jīng)測(cè)試，北斗二號(hào)系統(tǒng)的測(cè)速精度優(yōu)于0.2米/秒。

有源定位體制是指用戶機(jī)需要發(fā)射信號(hào)才能完成定位的系統(tǒng)工作機(jī)制。有源定位體制下的定位和授時(shí)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)特的功能，其優(yōu)點(diǎn)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(wú)源定位體制需要6～24顆衛(wèi)星）、運(yùn)行成本低、建設(shè)速度快、滿足低端定位需求、授時(shí)精度高等。

有源定位的過(guò)程是：1、地面站持續(xù)發(fā)射出站信號(hào)，出站信號(hào)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(jī)廣播。2、用戶機(jī)接收出站信號(hào)，將某一路出站信號(hào)的接收時(shí)刻作為生成信號(hào)的起始時(shí)刻，向多顆地球靜止軌道衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射入站信號(hào)，衛(wèi)星分別將入站信號(hào)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(hào)，入站信號(hào)的接收時(shí)刻減去出站信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻，就是信號(hào)往返的傳播時(shí)間。這個(gè)時(shí)間的一半正是信號(hào)單程的傳播時(shí)間，乘以光速就是信號(hào)單程的傳播距離。信號(hào)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(jī)的距離。一般用戶機(jī)位于地球表面，這樣由兩顆衛(wèi)星構(gòu)成兩個(gè)球面，由地球形成第三個(gè)球面，地面站可利用三球定位原理計(jì)算用戶位置。如果用戶機(jī)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(hào)中，通過(guò)地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶廣播。5、用戶接收出站信號(hào)，獲知自身位置信息?！氨倍范?hào)”導(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(bào)告功能是指在有源定位過(guò)程中，定位需求由地面站發(fā)出，用戶機(jī)應(yīng)答。在出站信號(hào)和入站信號(hào)中承載短報(bào)文信息，實(shí)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(bào)文通信功能。

那么，有源定位體制的授時(shí)原理又是什么呢？

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

雙向授時(shí)的原理是：首先，用戶機(jī)通過(guò)入站信號(hào)發(fā)出授時(shí)申請(qǐng);其次，地面站通過(guò)一顆地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶機(jī)發(fā)射出站信號(hào)，用戶機(jī)測(cè)得出站信號(hào)的傳播時(shí)間，將出站信號(hào)的接收時(shí)刻作為生成信號(hào)的起始時(shí)刻，通過(guò)同一顆衛(wèi)星向地面站發(fā)射入站信號(hào)，地面站測(cè)得入站信號(hào)的傳播時(shí)間;最后，地面站將出站信號(hào)傳播時(shí)間減去入站信號(hào)傳播時(shí)間，再除以2，就得到了用戶機(jī)時(shí)間與北斗系統(tǒng)時(shí)間的差值?！氨倍范?hào)”導(dǎo)航系統(tǒng)的有源雙向授時(shí)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(lái)極大便利和無(wú)限可能，其功能擴(kuò)展和應(yīng)用潛力有待我們進(jìn)一步的挖掘！