星基位置报告业务研究进展

钱成 李广侠 赵陆文 （解放军理工大学通信工程学院）



星基位置报告业务研究进展

钱成 李广侠 赵陆文 （解放军理工大学通信工程学院）

Research Progress in Satellite-based Position Reporting Service

目前，基于地面移动网络技术的位置报告业务存在对地面基础设施依赖性大和覆盖范围小等诸多不足，而基于卫星系统的位置报告服务能够很好地克服这些问题，正成为解决位置信息共享问题的快速而有效的途径之一。

1　引言

随着信息技术的快速发展以及人们对信息共享的迫切需求，人们对基于位置信息服务的需求日益飙升。其中，位置报告业务（PRS）是实现位置信息共享的关键。所谓的位置报告就是将自己的位置信息和周围环境状况报告给与之相关的第三方。它被广泛地应用于抢险救灾、应急救援、交通运输、农业渔业、国防军事等诸多领域。

20世纪70年代，美国陆军和海军陆战队联合开发了可以为单兵、坦克、飞机等作战部队提供识别、通信、导航与定位服务的定位报告系统（PLRS），在基本的15km×15km覆盖范围内定位精度可以达到15m。20世纪80年代，出现了定位报告业务（LRS）的概念，它是由导航定位系统确定用户的位置，通过数据链完成位置信息的共享。而位置报告不仅包含定位报告含义，而且还包括用户发射相关信息，第三方接收并解算出用户位置，实现用户向第三方位置报告的双重含义。

当今运用最广泛的导航定位系统是“全球定位系统”（GPS），提供无线电导航业务（RNSS），利用到达时间测距原理，用户可以得到高精度、全天候的连续定位信息。但是目前这种单一的卫星导航系统并不能实现用户的位置共享，因此具有通信功能的位置报告系统是解决该问题的关键。

2　星基位置报告系统的工作原理

完成位置报告业务的方法主要包括基于双系统融合技术、多普勒定位技术、搜索与救援（SAR）载荷技术和双星定位技术等。在星基位置报告业务中，双系统主要包括卫星导航系统和卫星通信系统，搜索与救援载荷技术包括到达时间（TOA）和到达频率（FOA）。

双系统融合技术

国外的位置报告都是由“全球卫星导航系统”（GNSS）和“卫星移动通信系统”（MSS）集成而来，由用户终端内置或者外置“全球卫星导航系统”接收机完成对用户的定位，而后将用户的位置信息通过全球卫星移动通信系统转发给与之相关的第三方实现位置报告。当前国外比较主流的全球位置报告系统是欧盟的“国际移动卫星”（Inmarsat）系统+GNSS，美国的“铱”（Iridium）卫星系统+GPS，俄罗斯的VONA+GLONASS。

“国际移动卫星”系统是由国际移动卫星公司运营的全球第一个商用卫星移动通信系统，为全球移动和固定用户提供陆地、航空、海事的话音、短消息、宽带多媒体、流媒体等业务。其中，国际移动卫星－D袖珍型终端可以通过内置GPS实现导航与通信功能的融合，可以完成点对多点的双向短信息通信能力。而由美国军方掌握的“铱”卫星系统，卫星与用户之间使用L频段，采用时分多址的体制实现卫星移动通信功能，“铱”卫星系统与GPS可以构成完备的全球位置报告系统，相继在空客、波音等主要机型上实现了应用。

多普勒定位技术

多普勒定位主要应用在低轨卫星上，当卫星处于用户终端的正上方时，可以得到多普勒频移关于时间函数的一个拐点，求出这个拐点的时间和频率就可以定位了。使用多普勒定位技术的典型位置报告系统是“全球卫星搜救系统”（COSPASSARSAT）中的低轨道卫星搜救系统。当用户遇险后，用户示位标可以手动或自动激活，发射406MHz的求救信号，卫星接收到信号后对其进行变频、处理、存储，并以下行频率1544.5MHz实时转发给遍布全球的地面用户终端（LUT），地面用户终端接收、解码和多普勒定位得到遇险用户的位置，把用户的报警信息和统计数据以专用网或者通用网传输给搜救任务控制中心（MCC），该中心收集、整理、存储从地面用户终端发来的信息，通过电传、航空专用通信网（AFIN）、传真和X.25分组交换4种接口，第一时间将遇险用户的位置信息发送给距离失事点最近的搜救协调中心（RCC），该中心协调各个部门开展救援。

搜索与救援载荷技术

搜索与救援载荷主要由特高频（UHF）接收天线和L频段传输天线组成。目前，欧盟的“伽利略”（Galileo）系统计划在每颗卫星上搭载搜索与救援载荷，以现有“全球卫星搜救系统”为基础，提供搜索与救援服务，完成遇险者向施救方的位置报告。处于紧急状况的用户向Galileo卫星发射406～406.1MHz求救遇险电文信号，超高频接收天线检测发现遇险信号后，经过对信号的放大和变频后，L频段天线以1544～1545MHz频段的信号转发至中轨卫星地面用户终端（MEOLUT），此终端根据接收至少4颗卫星转发的用户报警电文的到达时间和到达频率解算出用户的位置信息，并连同相关信息一起发送给搜救任务控制中心，由该中心对信息进行整合并转发给搜救协调中心，后者派遣救援飞机、船舶对用户进行搜救。

搜索与救援载荷工作原理示意图

双星定位技术

双星定位的位置报告根据用户、卫星和中心站的闭环距离测量，结合高程地图完成用户的定位和位置报告功能。该技术在我国自主建成的“北斗”卫星导航系统中得到完美的应用。搜救协调中心通过搭载卫星无线电测定业务（RDSS）载荷的2颗地球静止轨道（GEO）卫星向地面用户广播用于询问的标准时间信号，用户接收该信号，若用户需要定位，则发送应答信号，信号分别经这2颗卫星转发至搜救协调中心，搜救协调中心分别测出经GEO卫星返回的信号时延，从而可以得到用户至2颗GEO卫星的距离，并结合高程地图解算出用户的三维坐标。这一过程相当于用户向搜救协调中心进行了位置报告，搜救协调中心保留了全部“北斗”用户的位置和时间信息，可以通过位置信息服务中心进一步完成位置报告。

双星定位工作原理示意图

3　星基位置报告系统的性能分析

覆盖能力

位置报告的覆盖能力是指系统能够提供位置报告业务的最大工作区域，主要由地面观测时的仰角和卫星上的有效载荷覆盖区域决定。位置报告的覆盖能力主要分区域覆盖和全球覆盖两大类。双系统的位置报告覆盖范围为两者覆盖区域的交集，主要受限于卫星移动通信系统覆盖范围；采用多普勒定位的位置报告系统由于使用低地球轨道（LEO）卫星，卫星轨道高度低，每颗卫星所能覆盖的范围很小，完成全球覆盖需要数十颗LEO卫星；搜索与救援技术的位置报告由于搭载在中地球轨道（MEO）卫星上，它的覆盖范围主要是由地面观测仰角决定的，随着仰角的增大，系统覆盖范围变小；双星定位技术的位置报告覆盖范围是2颗GEO卫星共同覆盖的区域，同时也受到地面仰角的影响。

响应时间

响应时间是指系统完成一次位置报告所需要的时间，它是衡量位置报告业务性能的重要指标。对于应急通信和海上救援来说，位置报告的响应时间需要做到尽可能小，响应时间越短，遇险人员的生命财产安全越能得到保障。响应时间主要由用户定位和位置共享两个部分组成。采用双系统的位置报告，用户定位和位置共享分别由“全球卫星导航系统”和“卫星移动通信系统”决定；采用单系统的位置报告，根据系统星座构型和定位方式的不同，位置报告的响应时间也不同。

不同的位置报告系统的性能比较

定位精度

定位精度是指位置报告中提供给第三方的用户空间位置坐标与其真实值之间的接近程度。不同的位置报告系统的定位原理不同，得到的定位精度也不同。“全球卫星导航系统”决定了双系统位置报告的定位精度，而单系统的位置报告定位精度是由定位方法和信号的传输、转发时延决定。采用多普勒定位的方式定位误差大，其中全球卫星搜救系统由于只使用7颗低地球轨道卫星，不能实现全球覆盖，卫星存在不能同时看到用户和地面用户终端，需要对信号进行存储，转发时延甚至达到2h，求救信号定位最大约30min，系统的定位精度优于20km。

位置报告系统的性能比较

通过对比典型的位置报告业务系统，可以看出，各位置报告系统都有明显的优缺点。采用双系统融合的位置报告，系统的定位精度和响应时间得到保证，然而都需要同时利用2套全球卫星系统，建设成本巨大。采用MEO卫星搭载搜索与救援载荷，可以充分利用卫星资源丰富的优点，实现全球覆盖。使用到达时间差（TDOA）测向定位技术和到达频率差（FDOA）定位技术，可以很好地解决全球卫星搜救系统的低地球轨道搜索与救援定位精度差、响应时间大的缺点。采用双星定位的一代“北斗”系统具备集定位和报告于一体的优势，技术成熟，实现成本低，但是目前只能实现区域性的覆盖，无法满足全球位置报告的需求。

4　位置报告发展趋势

由于军民用户对位置报告业务能力产生不同的需求，越来越多的国家和组织在这一领域不断探索、应用和技术升级，主要可以分为两大类：第一类是运用多种类型系统或设备及数据传输介质提高信息的采集和融合能力，获取、分享用户的位置、状态信息，完善位置报告的内容，提高位置报告业务性能；第二类是采用创新型的定位原理，在保证位置报告系统性能的前提下，满足自身发展要求。

国外对位置报告的研究和应用比较成熟，其中美军的“蓝军跟踪”（BFT）系统，针对第一代位置数据不能实时刷新、用户容量受限和不能接入美军的全军指挥控制系统等缺点研发的第二代“蓝军跟踪”系统，改变信息的传输路由，提高更新速率；采用ArcLight扩频技术，提高系统容量；研发或升级软件平台，实现跨军种的互通互联。

“蓝军跟踪”系统未来将发展“联合蓝军态势感知”（JBSFA）计划，其目标是增强蓝军的工作信息采集、融合、分发和位置报告的能力，实现最优化“蓝军跟踪”状态感知，共享作战者精确的位置信息和身份信息。在联合多兵种和盟军作战环境中，除了目前的“蓝军跟踪”系统设备外，还需要增加“铱”卫星系统、作战生存规避定位器和全球个人恢复系统，增强防止友军误伤的能力，缩短响应时间。

在航空领域应用的“广播式自动相关监视系统”（ADS-B），通过机载“全球卫星导航系统”卫星信号接收设备获得飞机的实时位置和三维速度信息，装备ADS-B的飞机通过数据链广播自身的位置和身份标识等信息，机载ADS-B通信设备接收其他飞机和地面的广播信息后，经过信息处理器显示在座舱交通显示器上，从而完成飞机对飞机及塔台的位置报告。

随着“全球卫星导航系统”的快速发展，在中轨道卫星星座上搭载生命救援载荷成为全球卫星搜索与救援系统的发展趋势。美国正在设计和建设下一代GPS，希望能够实现导航和通信的集成。在卫星上搭载“遇险报警卫星系统”（DASS）有效载荷，将遇险信号从紧急信号塔台发送给搜索与救援行动方。

在创新型定位原理方面的位置报告，主要是由谭述森先生提出的广义卫星无线电测定业务（CRDSS）定位报告原理，它改进了传统的双星定位原理，可以使用双星定位位置报告、三星定位位置报告和多星定位位置报告。其中，三星定位不需要高程地图，由搜索任务控制中心分别计算3颗卫星到用户间的距离完成用户的定位。在实际应用过程中，可以采用CRDSS的差分定位原理来完成位置报告。用户选择1颗仰角较高的卫星，即同时具有RNSS载荷及RDSS载荷的卫星作为转发入站时差观测信息。用户通过测量广义卫星的RDSS/RNSS信号与另外2颗卫星RNSS信号到达的时差，经广义卫星转发给搜救任务控制中心，该中心完成经广义卫星至用户的双向传输时延T的测量，结合星历、钟差和电离层校正参数等信息完成时差信息，完成用户的定位和向搜救任务控制中心的位置报告。

此外，国内学者刘颖等人从需求角度讨论了在倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星上增加RDSS功能实现位置报告的必要性；赵陆文等人则提出基于IGSO卫星的位置报告系统，采用广义卫星无线电测定业务定位原理，广义卫星无线电测定业务卫星选择以卫星无线电测定业务为工作主体，同时兼有卫星无线电导航业务功能的GEO卫星或者IGSO卫星，使用GEO+IGSO+MEO混合星座完成用户向搜救任务控制中心的位置报告。

广义卫星无线电测定业务工作原理示意图

5　总结与展望

本文介绍了星基位置报告系统工作原理并对其性能进行分析，可知国外双系统位置报告中采用低地球轨道卫星作为移动卫星通信系统时，使用卫星较多，而使用地球静止轨道卫星实现通信功能又具有“城市峡谷”和“南山效应”等不足；基于多普勒定位的位置报告定位精度差，而且低地球轨道卫星覆盖范围小，不能够实时转发用户求救信号，影响搜救的效率；而基于搜索与救援载荷技术的位置报告很好的利用了中地球轨道卫星的优势，覆盖范围广，定位算法简单，定位精度较高，因此在中地球轨道卫星上实现位置报告的功能越来越受到研究者的青睐；“北斗”双星定位的位置报告覆盖范围太小，然而结合广义卫星无线电测定业务的工作原理，继续发扬“北斗”系统的卫星无线电测定业务，同时融合卫星无线电导航业务，可以提供全球的位置报告业务。

在位置报告不断发展的同时，未来将会朝着系统建设成本低、可用性强、位置报告更新频度快的方向发展，主要概况以下几个方面：第一，位置报告必须满足全球连续覆盖的发展需求；第二，从双系统向单系统发展，在单一的全球卫星系统下，能够兼具定位和报告的能力；第三，端到端通信的速率增大，系统允许用户同时在线的数量加大；第四，由地球静止轨道卫星和低地球轨道卫星向基于中地球轨道卫星的位置报告系统发展。

结合国外位置报告系统发展的经验和趋势，中国如果要建设自己的位置报告系统可以采用卫星无线电测定业务和卫星无线电导航业务的融合来实现全球位置报告。而短期内，受到技术和平台的限制，建议继承和发扬卫星无线电测定业务，通过卫星无线电测定业务结合卫星星座和卫星载荷的合理配置，首先实现高遮蔽角下的全球位置报告。

祁首冰/本文编辑