北斗背后的高科技之——软件背后的巧设计

文/ 迟惑

▲ 北斗三号卫星效果图

▲ 最后一颗北斗组网卫星等待发射 南勇摄

北斗卫星导航系统除在硬件方面有许多自主创新的成果之外，在软件设计方面也独具特色。

卫星轨道设计多样化

我们知道北斗星座是几个全球卫星导航系统当中轨道设置最复杂的，包括了3种轨道类型，即地球静止轨道、地球倾斜同步轨道和中圆轨道。

为什么要采用这样复杂的卫星轨道设计呢？这和北斗卫星早期的建设方案有关，但是最终的目标是更好地为用户提供服务。

卫星导航系统的工作主力是运行在中圆轨道上的卫星，它们在这个轨道上不断向地面发射信号。但是因为种种原因，包括宇宙射线、电离层和大气层的干扰，中圆轨道卫星所提供的信号，用户在使用的时候多少会存在一定程度的误差。为了尽量减小误差，就需要提供改正信息。

无论在美国GPS、俄罗斯格洛纳斯还是欧洲伽利略系统的建设中，出于控制成本的考虑，都没有设置这样的轨道，改正信息是由第三方通过其他类型或者地面手段来实现的，而北斗卫星为了从一开始就尽最大努力来提高用户的信号精度，在系统设计当中就考虑了3种类型的轨道。

在卫星导航技术中有一种叫做位置精度衰减因子的指标，这个指标的计算方法有点复杂，但是它的意义很明确，如果这个数字越大,精度就越差；数字越小，精度就越高。

一般来说，这个数字的大小和天空中可以见到的卫星数量，以及这些卫星的相对位置关系是有直接联系的。卫星数量越多，卫星分布得越均匀，位置精度衰减因子就越小。

如果仅仅采用中圆轨道卫星，在有些时候、有些地区所能够见到的卫星数量就不够多。特别是在所谓的城市峡谷地区和真正的山谷里，能够见到的卫星数量就很少，很多时候甚至于不能够保持导航服务。

增加静止轨道卫星和倾斜同步轨道卫星，就能够在服务区有效改善这种情况。

作为静止轨道卫星，它和地面之间是相对固定的。也就是说，在任何时候，我们只要不是处在遮挡的情况下，就一定能见到这颗卫星。

实际上，根据卫星导航的原理，我们只需要3颗卫星就能够知道自己的位置，只需要4颗卫星就能够测算出自己的速度。

那么如果有一颗静止卫星在头上，对于中圆轨道卫星的需求就大大减少了。倾斜同步轨道卫星的作用更加显著。

静止轨道卫星会被建筑物或者大树、山脉遮挡，倾斜同步轨道卫星就不一样了，它会在地球的上空画出八字形的轨迹。

对于覆盖区的绝大多数用户来说，倾斜同步轨道卫星在一天当中总会有某个时刻运行到自己的正上方，只要不待在室内就不会被遮挡。

如果部署足够数量的倾斜同步轨道卫星，那么在任何时刻，对于覆盖区的任何用户，都可以保证至少有一颗卫星在自己头顶上。

这就是中国北斗系统、日本准天顶卫星系统和印度区域导航卫星系统采用倾斜同步轨道卫星的原因。

所以，北斗卫星导航系统同时采用3种轨道，能够最大限度地给用户提供良好的服务。

增强服务提升精度

精度是卫星导航服务永恒的一个话题。虽然在前文中提到了诸多改善精度的方法，但是到了实际应用的时候，用户们还是会觉得精度不够高。

比如说，如果仅仅依靠卫星发射的导航信号，地面上用户可以实现6～10米的精度。这个数字听起来好像还算不错,但是在很多场景下根本就不够用。

最简单的就是公路导航。大家都有经验，如果关掉手机上的基站导航，仅仅使用卫星信号，我们已经能够很精确地把自己引导到正确的方向上，甚至于转弯、路口也没有问题。

但是，我们能够知道自己在哪一条车道上吗？甚至很多时候，仅仅依靠卫星导航信号，我们都不能够分辨自己是在主路上还是在辅路上。

这个问题在铁路运输上就更加突出，要知道铁路交通不仅仅有我们所熟悉的高铁，还有大量的货运列车运行在传统轨道上。

货车之间的编组和运行是铁路部门一项非常复杂的日常工作。用卫星导航技术来服务于调度工作，是卫星导航单位和铁路部门之间长期合作研究的课题。

或许有人会说，民用卫星导航信号的精度很有限，如果能够把军用卫星的信号开放给民间，精度就会得到很大的改善。比如美国GPS卫星的军用信号可以达到1米左右的精度，能够解决民用系统的很多问题。

这种观点确实是有道理的，然而我们且不说军方会不会把自己的高精度信号开放，即便我们拥有1米精度的卫星导航信号，也不可能解决所有问题。

上文提到的公路车道判别和铁路编组都需要分米级乃至厘米级的导航精度，那么1米的精度如何能够满足这样的需求呢？

这一切都需要我们采用新的技术，也就是所谓的差分。

差分基本原理就是在地面上精确测定某一个点的坐标，然后在这个点上放置一台卫星接收机。那么卫星接收机测量信号和这个点的实际坐标之间肯定是有一些偏差的。

这个偏差的影响因素很多，如太阳活动、大气运动、周围其他电子设备的干扰等，但是其中最主要的就是大气电离层对卫星信号的折射。

电离层信号对导航精度的影响有一个特点，就是在很大范围之内，比如数百乃至上千公里之内，所引起的误差，无论是方向还是大小，基本都是一样的。

比如说我们在某一个点上测得电离层所引起的信号向东偏差了5米、向南偏差了2米、向上偏差了1米，那么这个数字对周围数百公里之内的接收机都是有参考价值的。

把这个数字送达给所有的接收机，就能非常有效地改善所有人的导航精度。如果能够实时测量偏差数据，并且不间断地发射出去，就形成了所谓的连续运行参考站。它所提供的服务就叫做“精度增强”，简称“增强”。

早在GPS应用的年代，中国的卫星导航应用部门就非常重视连续运行参考站和差分技术的开发，积累了丰富的经验和雄厚的技术实力。因此，当北斗系统的建设启动之后，增强服务也同时提上了议事日程。

从前，由于公众通信系统的建设还没有普及开，如何把增强服务提供给每个消费用户是个很大的问题。然而随着5G建设的推进，这个问题也迎刃而解。

因此，在不远的将来，我们即使拿着普通的手机，也能够享受到非常高精度的增强服务了。

▲ 北斗“汽车行驶记录仪”

▲ 北斗铁路行业综合应用示范工程项目启动

▲ 同时采用3种轨道的北斗星座

实现“星间链路”组网

时间是一个非常复杂的概念,可以说世界上没有哪一个时钟是完全准确的，哪怕是高精度的原子钟。

因为制造工艺之间的差异，不同原子钟所报出来的时间也会存在着一定的不同。大家普遍采取的方式就是用很多台原子钟一起，用彼此的计时结果来相互验证，相互修正，最后计算出一个大家都能接受的基本时间标准，再用这个时间标准来修正各台原子钟。

这个问题对于卫星导航来说也是一样的。同一颗卫星上的几台原子钟之间要相互修正，而且人们还经常要用地面原子钟计算出来的结果修正卫星原子钟的时间。

那么能不能在整个星座的几十台上百台原子钟之间也进行这样的修正呢？如果能够做到，就会有效地提高整个星座的时间精度，进一步提高导航和定位的精度。

要做到这一点，卫星之间必须能够彼此通信，这就是星间链路的用处了。

其实星间链路并不是导航卫星所专有的，它最早是为了军事卫星通信而提出来的。

在冷战期间，美国和苏联都在担心一个问题：万一哪天两国忽然发动核战争，那么地面上的所有通信基础设施都会被摧毁，两个超级大国就只剩下卫星可以用了。但是一颗卫星并不能够通联全球，地球静止轨道卫星要想通联全球，必须把信息发到地面上的一个通信站，再由这个通信站通过地面上的线路传输到另外一个通信站，再把信号发到另外一颗卫星上，如此往复，才能实现全球覆盖。

后来这个设计被著名的铱星系统所借鉴，形成了人类历史上第一个不需要地面网站支持的低轨道通信系统。

在卫星导航技术的发展早期，由于成本和技术成熟度的问题，并没有引入星间链路。但是在第一代GPS运行期间，美国人就认识到星间链路是很有必要的。

▲ 星间链路示意图

于是在上世纪90年代末期，美国提出要在第二代GPS上逐步引入星间链路。引入星间链路之后一旦发生战争，GPS系统可以在长达180天的时间内，自己保持原子钟的相互校正，实现足够的导航精度。

北斗系统则采用了Ka频段的星间链路。

所谓Ka频段，就是26.5～40G赫兹之间的那一段无线电频率。地球静止轨道卫星向地面提供卫星电视和宽带上网服务也会使用这个频段。

Ka频段的带宽大、通信速度高，但是在为地面服务的时候，存在一种叫做“雨衰”的问题。就是在夏天下暴雨的时候，因为雨点的尺寸和Ka频段的波长基本一样，所以会严重干扰通信服务。

不过作为导航卫星的星间链路，Ka频段是非常合适的，因为宇宙里不会下雨。

星间链路的关键技术就是卫星之间的通信波束信号要能够彼此对准。北斗卫星的轨道位置是严格精确控制的，因此波束对准听起来很容易，但实际上这也不是一件很容易实现的事情。

北斗卫星团队能够在整个星座之间实现星间链路的组网，是一个非常了不起的成就。

▲ 北斗地基增强系统地面基准站

先进的导航电文设计

导航卫星向地面发射的信号是通过无线电波的形式来实现的。如果用导航接收机把它接收处理出来，显示在屏幕上，能看到一长串复杂的字符。

这些字符已包含了丰富的信息，总体来说有这么几个部分：卫星的空间位置，卫星的工作状态，还有卫星上原子钟的改正信息，以及大气电离层带来的信号延迟如何改正等重要信息。

当然，怎么把这些信息从2万多公里之外送到地球上，是一件很复杂的事情。

导航卫星虽然听起来和通信卫星是两类不同的航天器，但是如果从某些学科的角度来观察，它们都可以归类为通信广播服务卫星。

实际上，导航卫星向地面播发导航电文的方式就是广播，用户接收机只有接收的功能，没有反向发送信息的功能。

因此，导航电文的设计完全可以用无线通信领域的很多概念来实现。

导航电文的设计要素主要包括电文结构、电文内容、信息速率、电文校验和纠错等方面。

一般来说，导航电文采用固定帧和数据块相结合的模式。所谓固定帧，就好像我们买到的图书和杂志一样，每页纸张的大小都是固定的，那么在这一张纸上印刷文字还是图片，完全根据内容来决定。而数据块用于灵活扩展导航电文的功能，就好比杂志中的插页一样，需要多少就增加多少。

当然这也要付出相应的代价，需要用户设备拿出更多的处理器资源来处理。

导航电文的具体结构涉及到专业领域的知识，这里就不做过多的阐述了，现在讨论一下导航电文的内容。

导航电文可以分为基本信息、扩展信息和增强信息三大类型。

所谓基本信息包括了卫星的位置信息、原子钟偏差的改正信息和卫星的完好性信息等。有了这些信息，才能够实现最基本的导航服务。其中卫星位置信息又分为精密星历和历书两部分。

精密星历指的是发射电文的这一颗卫星的精确轨道位置，只有知道了这个数字，接收机才能计算出电文从天上跑到自己这里用了多长的时间。

所谓的历书就是一个相对粗略的、整个星座所有卫星大概位置的信息。有了这个信息，可以加快精密星历的计算过程，这对于高速运动体的速度和位置确定是非常有价值的。

所谓的完好性，一般指卫星的工作状况是不是良好。要知道，导航卫星并不是只有工作和不工作两种状态。有些时候由于一些技术问题，卫星会出现姿态控制精度下降，或者信号发射功率受影响的不利局面。

这种情况下的卫星虽然不是最佳状态，但信号依然有参考价值，可以提供一些不是那么精确的导航信息。在某些极端情况下，这些不算太精确的信息也是有重要价值的。

北斗卫星导航电文设计经过了几代发展，技术水平越来越高，目前已经达到世界先进水平，得到了国内外用户的肯定与称赞。