基于倾斜地球同步轨道卫星的位置报告系统设计

赵陆文，缪志敏，徐 荣，戴卫恒

(1.解放军理工大学 通信工程学院，南京 210007；2.解放军理工大学 指挥信息系统学院，南京 210007)

1 引言

随着信息技术的发展及人们对于信息共享需求的日益旺盛，人们对基于位置的信息需求急剧飙升。不仅仅满足于知道“我在哪里？”，很多时候需要告诉别人“现在我在哪儿？”以及“我这儿发生了什么事情？”。比如海洋上空发生空难，仅遇险人员自己知道自身的位置没有任何意义。必须要在第一时间内把发生空难的位置及相关情况向实施救援方报告，并不断更新位置。若把第一个问题称为定位，则第二、第三个问题就是位置报告(position report)。所谓位置报告就是将用户当前所处的地理位置及相关信息报告给与之相关的第三方。在民用领域，位置报告广泛应用于个人位置跟踪、航空航海、遇险救援、交通运输、海洋渔业等方方面面。在军事领域，位置报告在决策指挥、敌我识别、单兵遇险搜救、打击效能评估、军兵种及武器平台协同作战等方面都扮演着非常重要的角色。从战场态势感知到对特种车辆实时监控、从抢险救灾到生命救援、从危险品监视到智能交通等等，位置报告已渗透到人类生活的各个领域。

2 位置报告的现状与发展趋势

2.1 典型的位置报告系统

目前已有多种技术手段实现位置报告。这些手段大同小异，基本原理都是利用全球定位系统(global position system，GPS)获取位置信息，尔后利用无线通信链路完成位置信息传输。比如目前广泛使用的出租车、公交车调度监控系统，采用GPS与蜂窝移动通信系统相结合，由GPS获取车辆的位置、速度等信息，然后通过移动通信网完成位置报告。文献[1]设计了一种GPS结合业余无线电台架构的自动位置报告系统。这种系统摆脱了移动公网的束缚，且能够实现自动位置报告，但是传输距离近，只限于在一个车队或者数千米的距离上进行位置报告。与蜂窝通信系统相比，卫星通信能够大幅提高覆盖范围。Inmarsat-D+型终端中集成了GPS终端，可以以短报文的形式，方便地传输GPS输出的位置、速度和时间信息，但是每条短报文仅能容纳64比特的用户数据[2]。美军为了解决友军定位、识别问题，采用GPS和卫星通信相结合的方式，研制开发了“蓝军跟踪系统”(blue force tracking，BFT)，在阿富汗战争和伊拉克战争了发挥出了非常出色的作用,即装备了BFT系统的部队无一误伤[3]。然而，BFT的位置数据每5 min才能刷新一次，且其覆盖范围也受租用通信卫星的覆盖范围限制。目前具有更大容量、更高刷新速率的BFT-2系统研制工作已接近尾声。

2.2 现有位置报告系统的不足

尽管目前各种位置报告系统都得到了较好的应用，但都存在一定的局限性。概况起来主要有

(1)覆盖范围有限。现有位置报告系统只能覆盖GPS和通信系统共同覆盖的区域。由于GPS基本实现全球覆盖，其覆盖范围主要受限于通信系统的覆盖范围。目前的陆地蜂窝移动通信系统仅能覆盖地球表面的2%。因此，GPS与蜂窝移动通信系统结合的位置报告方式在海洋、荒漠、原始森林等广大人烟稀少的地方都无法使用。

(2)存在“城市峡谷”效应。虽然在全球大部分地区GPS系统的可见星都在5颗以上。但是，在高楼林立的城市街道，由于建筑物遮挡，导致低仰角卫星不可见。图1给出了15°仰角情况下GPS(2013-08-24星座状态)在中国周边的覆盖情况。由图可见，在15°仰角情况下，即便是所有31颗在轨卫星都参与观测，我国及周边的很多地方，可见星的数量都无法达到4颗。实际上，全球很多地方都有类似的结果。这就是所谓的“城市峡谷”效应。

(3)存在“南山效应”。不管是Inmarsat-D+还是BFT，其位置信息报告都要利用地球静止轨道(geostationary earth orbit，GEO)卫星通信系统来完成。GEO卫星通信系统的覆盖范围主要集中在中低纬度，在高纬度地区仰角很低。对北半球用户而言，由于位于其南面的高山或建筑物的遮挡，使得GEO卫星不可见，导致无法通信，这就是所谓的“南山效应”。由于“南山效应”的存在，在城市、山地以及森林等环境下，其性能会受到影响。

图1 GPS覆盖情况(15°仰角)

(4)安全保密性能无保障。传统的位置报告，都是GPS获得位置后，再通过通信链路完成报告，所以其安全性完全依赖于通信系统的安全性。不管是公用移动通信系统还是卫星通信系统，都无法提供足够的安全保障。其安全性主要依赖于对位置信息进行加密处理。然而，由于报文长度受限，采用的加密算法不可能很复杂，所以其安全保密性无法得到足够的保证。

(5)多系统集成降低了可用性。传统位置报告系统至少为两个系统的集成。因此，其可用性就要同时受多个系统的制约。比如基于蜂窝移动通信系统的位置报告系统，在突发自然灾害、战争等情况下，蜂窝移动通信网基础设施容易受到损坏。因此这种方式在抢险救灾、应急救援等情况下往往无法使用。

2.3 位置报告的发展趋势

鉴于位置报告在国民经济和国家安全中都具有极其重要的地位，最近几年，世界上的大国和强国，都在探索能够在同一系统中实现位置、速度、时间以及实时通信服务的有效途径。美国正着手GPS现代化升级，希望能实现导航与通信一体化集成[4]。伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)提供的搜索救援(search and rescue，SAR)系统，在用户遇到紧急情况时，信标机发出求救信号，经卫星转发至遍布全球的地面站，由地面站计算出用户的位置，再传输至搜救协调中心，实现搜索救援的位置报告[5]。由我国自主设计的北斗卫星导航系统，为位置报告提供了新的解决思路。北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)提供的卫星无线电测定业务(radio determination satellite service，RDSS)，可以在短报文通信的同时，进行位置和时间的报告，很好地克服了紧急报告中经常出现的时间、地点不全的缺陷。但现系统只在GEO卫星上搭载了RDSS载荷，使得位置报告的覆盖区域只限于中国及周边地区，对北纬55°以北高纬度地区几乎没有覆盖[6]。

随着国家海外战略利益的拓展和未来战争的需要，迫切需要位置报告的区域向远洋以及两极(尤其是北极)扩展，以满足“军事行动到哪里，位置报告就要到哪里”的要求。基于此，文献[7]提出了S频段RDSS业务向全球拓展的观点，文献[8]提出了在BDS的倾斜地球同步轨道(inclined geo-synchronous orbits， IGSO)卫星上搭载RDSS载荷进行覆盖区域“北扩”的观点。IGSO卫星与GEO卫星相比，主要的优点在于能够很好地覆盖高纬度区域，乃至南北两极。目前，BDS的星座包括3颗IGSO，能够对高纬度地区形成较好覆盖，但在高纬度区域也只能提供单重覆盖。由于BDS的GEO卫星只能覆盖北纬0～55°区域，因此，即便IGSO卫星搭载了RDSS载荷，也无法以传统的双星定位方式实现位置报告。因此，建议采用广义RDSS(comprehensive RDSS，CRDSS)方式实现位置报告。

3 基于IGSO的CRDSS位置报告系统

3.1 CRDSS系统基本工作原理

BDS的副总设计师谭述森先生在文献[9]、文献[10]中提出了CRDSS的概念。所谓CRDSS实质上是将双星RDSS、三星RDSS以及四星卫星无线电导航业务(radio navigation satellite service，RNSS)业务综合为一体的系统。

其观测方程如下

(1)

图2 CRDSS定位原理示意图

在实际应用中，还可以采用CRDSS差分定位原理来确定用户位置。所谓CRDSS差分定位是指是由用户测量来自GEO卫星RNSS信号与其它卫星RNSS导航信号的时差，MCC利用时差值来实现位置解算，具体原理如下。

(2)

(3)

(4)

式中，T0表示MCC经RDSS卫星至用户的双向传输时延，由MCC观测；t0表示MCC到RDSS卫星的传输时延，由于卫星位置已知，t0为已知量。用户机将测得的时差值

通过入站链路反馈给MCC，MCC根据卫星星历和钟差、电离层校正参数及用户观测量，完成对

(5)

式中,c表示光速。

将式(6)代入式(1)，便可解算出用户位置。由此可见，差分定位无需高程辅助，且用户只需测量时差，实现简单。在实际使用中，所有全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)系统的开放信号均可用作RNSS信号来使用。

3.2 系统基本组成

图3给出了基于IGSO卫星的位置报告系统的基本组成框图。从图可以看出与传统RDSS系统相比，基于IGSO卫星的位置报告系统除了同样有空间段、MCC、用户终端外，还有位置信息的二次报告部分(图中虚线框所示)。空间段由RNSS卫星和CRDSS卫星组成。RNSS卫星可以是包括BDS、GPS在内的任何GNSS卫星，CRDSS卫星是以RDSS为工作主体，同时兼有RNSS功能的GEO卫星或IGSO卫星。因此，系统的星座为IGSO+GEO+MEO混合星座。位置信息的二次报告部分包括位置信息服务中心以及与之相连的通信网络和位置信息接收终端。MCC收到用户的位置报告信息后，进行位置解算和相应信息处理。若接收端是CRDSS用户终端，则直接利用系统出站链路，将位置信息发送给CRDSS接收终端；若接收端为移动用户，则由位置信息服务中心通过移动通信网络传输；若接收端为固定用户，则由位置信息服务中心通过地面有线网络(包括Internet、各种专用网络等)传输。

图3 基于IGSO卫星的位置报告系统组成框图

4 性能仿真与分析

4.1 覆盖性能

IGSO卫星兼有GEO卫星的优点，同时克服了其高纬度区始终是低仰角的问题，其覆盖区域可以与GEO形成很好的互补。要以CRDSS方式实现位置报告，若不采用星间链路，则用户和MCC必须要能对卫星实现共视。经计算，当IGSO卫星运行在地心纬度55°N的地球上空时，和三亚站仍然是可视的，说明以目前国内地面站设置情况，不需要星间链路也能够支持高纬度地区使用位置报告业务。当仰角为5°时，IGSO卫星还能够覆盖南北两极。

IGSO卫星能使系统在覆盖高纬度区域的同时，获得更高的平均仰角，较好地弥补Walker星座存在的“城市峡谷”问题。缓解城市、峡谷、山区、丛林地区卫星信号易被遮蔽、阻挡的问题，提高系统的可用度。图4给出了3颗IGSO与GPS对我国及周边的覆盖情况。由图4可见，增加IGSO卫星后，在仰角为15°情况下，我国及周边至少有4颗星覆盖。而仅有GPS时，很多区域的可见星都在4颗以下(见图1)；当仰角增加至25°时，绝大部分地区已降为4重或4重以下覆盖。显然若在现有GNSS系统的所有卫星中进行选择，可见星数量将会有所增加。图5给出了25°仰角下，3颗IGSO和GPS以及BDS的中圆地球轨道(medium earth orbits; MEO)卫星共同覆盖下的可见星数。由图可见，在两个系统共同覆盖下，即便在25°仰角下，绝大部分地方的可见星数量都在7颗以上，很好地解决了高仰角情况下的“城市峡谷”问题，实现了高仰角情况下的位置报告。

图4 不同仰角下IGSO与GPS共同覆盖情况

图5 IGSO、MEO和GPS卫星共同覆盖情况(25°仰角)

4.2 几何精度因子值

采用IGSO卫星构建位置报告系统，在扩大服务区的同时，也改善了系统的几何精度因子(geometric dilution of precision，GDOP)。GPS目前在轨卫星31颗，在最低仰角为5°的情况下，其平均GDOP值(取最好的4颗星，下同)在全球大部分地方为2.6左右，在高纬度地区和局部区域达3.0以上。增加IGSO卫星后，在中国及周边区域，GDOP值由2.6降至2.4以下，南北两极的GDOP值由3.2降至3.0。仿真结果如图6所示。

图6 GPS和IGSO共同覆盖下的GDOP值(仰角5°)

随着最低仰角的增加，星座的GDOP值将进一步增加，定位精度也随之降低。通过多系统的兼容互操作，联合使用BDS、GPS、格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system,GLONASS)，将来还可能包括Galileo的公开RNSS信号，降低高仰角下的GDOP值。图7给出了最低仰角为15°情况下，3颗IGSO和GPS以及北斗系统MEO卫星共同覆盖下的GDOP值。由图可见，在中国及周边地区，即使在15°的最低仰角下，平均GDOP值也不超过3.0。而在相同的仰角下，仅有GPS覆盖时，GDOP值在4.0～6.2之间。

图7 BDS和GPS共同覆盖下的GDOP值(15°仰角)

4.3 系统主要特色

基于IGSO的CRDSS的位置报告系统，集中了RDSS以及IGSO卫星星座的特点，其特色明显：

(1)拓展了覆盖区域。克服了传统位置报告系统在高纬度地区和高仰角情况下，可见星数量不够或者星座构型不好的不足，拓展了位置报告的服务区域；

(2)卫星资源丰富。可充分利用全球GNSS公开资源，极大地改善了星座布局和构型，提高了位置报告的精度。即便个别卫星发生故障，也不会影响系统的正常工作，提高了系统的可用性；

(3)安全保密性好。利用CRDSS功能实现位置报告，传输内容只有时差值等参数，无位置信息，信息即便被截获也无法获得具体内容，安全保密性好。在军事应用中，可以实现隐蔽位置报告；

(4)响应时间短。继承了RDSS响应时间短的突出优点，用户机无需接收星历信息，缩短了位置报告的时间，一般可在1 s内完成位置报告。

5 结束语

基于IGSO的CRDSS位置报告系统，可以充分利用现有GNSS系统卫星资源，具有覆盖区域广、星座构型好、安全保密性强、响应时间短等突出优点，不管在军用还是在民用领域都有很好的应用前景，对BDS也是一个有益的补充。

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