论文部分内容阅读
[摘 要]正在组网建设的“北斗二代“系统不仅完全继承兼容”北斗一代“，在用户容量、服务区域、动态性能、定位精度和使用方式上将有重大改进和提高。”北斗二代“将RDSS和RNSS功能相结合，能够最大限度地利用北斗资源，不但可以进行双向信息联络，还能及时通报确切位置和运动状态，从而更便捷的完成军民两个领域的快速定位、系统监控等平台服务任务。本文就北斗二代的RDSS技术和RNSS技术进行分析，并就北斗二代的RDSS与RNSS组合技术的方向进行描述。
[关键词]北斗 RDSS RNSS
中图分类号：F407.42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0049-01
一、RDSS与RNSS技术
1.北斗一代的RDSS技术
“北斗一号“的导航定位，其基本原理是采用基于到达时间（TOA）的三球交会测量，利用两颗已知的地球同步轨道卫星为两球心，两球心至用户的距离半径为两球面，另一球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离为半径的球面，三个球面的交会点就是用户位置。这种导航定位方式与GPS、GLONASS所采用的被动式导航定位相比，虽然在覆盖范围、定位精度、容纳用户数量方面存在明显的不足，但其成本低廉，系统组建周期短，同时可将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起，使系统不仅可全天候、全天时提供区域有源导航定位，还能进行双向数字报文通信和精密授时。另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户能知道自己的测定位置，而且其调度指挥或其他有关单位也可掌握用户所在位置，因此特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等，而在救灾行动中起作用显现尤为明显。
2.北斗二代的RNSS技术
正在建设的”北斗二号“的卫星是无源卫星，不同于”北斗一号“的有源导航，“北斗二号”增加了RNSS系统，采用RNSS导航定位技术时，用户被动测量来自4颗导航卫星发出的信号，根据信号传输时间测定用户到这些卫星的距离，然后通过数学运算得到用户的3维坐标与速度。这可以为需要导航的用户带来极大的安全。另外，“北斗二代”的RNSS系统为被动定位，被动定位是指持有终端设备的用户无需向卫星发射定位请求，而是可以直接通过卫星发射的信号定位，因此不存在占用卫星信号带宽问题。这意味着我国北斗导航系统的用户数量将与采用被动定位的美国GPS系统一样没有数量限制，用户群可大大增加。
二、RNSS与RDSS组合技术
北斗二代系统兼具RDSS与RNSS两种业务模式。RDSS属于主动式定位系统，兼具短报文通信业务，需要用户发射信号；RNSS属于被动式定位系统，无需用户发射信号。RDSS与RNSS两种业务具有较好的互补性。”北斗二代系统的RDSS与RNSS组合技术包括从信号处理层到数据处理层的多种组合应用模式。
1.RDSS辅助RNSS快速信号捕获技术
双模用户机是指具备RDSS和RNSS功能的用户机，军用领域的双模型用户机由于需要实现长码直捕功能，需输入能达到一定精度的时间信息。常规状态下的长码捕获的时间信息可有短码捕获、同步后得到的时间信息转换而成。但是，在特定应用环境下可能系统会关闭短码支路，从而造成長码无法得到由短码交接带来的时间信息。在此种应用模式下获得的时间信息，可有用户机的RTC器件保持、以及外部输入获得。其中，由RTC器件保持的时间受制于RTC器件的时间保持精度，且有一定的时间保持限度。而外部输入信息也会遇到高精度时间信息来源以及时间信息输入的问题。
RDSS具备捕获快、获得时间信息快的特点，可采取RDSS定位获取时间信息，也可采用根据星历时间和估算时延计算的到的时间信息。下面以精度稍低的第二种方式为例进行捕获时间获取的过程及精度进行描述。
RDSS部分在达到稳定跟踪后，会在5S到15S内收集齐GEO卫星星历。并且可以从星历信息中提取到发射时刻。通过RDSS载荷所提供星历中的“上行时延”以及估算的下行传播时间，可以得到精度为10ms以内的卫星信号传播时延，从而得到精确度为10ms的接收机时间。北斗二代系统中RNSS和RDSS的时间基准已经统一，所以可直接用于RNSS捕获模块的时间校准，设置长码捕获的时间不确定度寄存器，从而缩短捕获时间，且不需要其他时间信息来源。根据该架构实现的RNSS长码首次定位时间可缩短为60s。
2.RNSS辅助RDSS发射频率调节技术
RDSS设备入站发射时需考虑发射频率准确度，以确保发射信号可正确入站。所以在动态较高环境下应用的双模用户机，需计算由于动态引起的多普勒叠加至RDSS发射信号频率上的频率偏移，并消除后保持一定的发射频率准确度。用户机的RDSS信号跟踪模块送出的接收频偏由两部分构成：接收机动态引起的多普勒和晶振漂移引起的频偏，要保证发射频率准确度，必须消除多普勒和晶振频偏，但是这两部分的调节方向相反，现有流行的接收机设计尚无法将两种漂移区分开。而双模用户机中此时若RNSS已接收正常，可通过RNSS获取真正的多普勒，结合RDSS的接收频偏区分多普勒和接收频偏，再调节发射频综，保证发射频率准确度。
3.RDSS与RNSS组合的高精度单点定位技术
目前，RNSS系统的定位精度可达到水平10m（95%），高程10m（95%）的精度指标，如需达到更高的定位精度，可利用局域差分系统进行误差修正。以现行较为通用的GPS差分系统为例分析DGPS系统组成，以提出RDSS和RNSS技术结合的差分定位系统设想。
现行常用的沿海无线电指向标-差分全球定位系统（RBN-DGPS）是一种新型、高精度、高全天候的导航定位系统，为公共用户提供无偿的2m内的定位精度服务。利用信标差分系统在内陆是300km的作用距离，在海上是500km的作用距离。而针对北斗二代系统的特点，可构建改进的北斗二代局域差分系统，即通过RDSS通信手段传递北斗二代RNSS或GPS差分信息，从而扩大局域差分系统的作用。由于RDSS信道容量有限，基站用户机的用户卡需有一定的频度限制，且需采用指挥用户的通播功能，也可采用专用差分接收ID实现差分信息接收。所以此方案需考虑基准站用户机的信息，发送频度和长度的可实现性，以及妥协策略带来的精度误差。
4.RDSS与RNSS组合的高精度授时技术
RDSS系统具备双向授时功能，其系统设计精度可优于10ns，与通常的GPS授时相比，可提高5到10倍，此功能可用于高动态用户的精确时间同步。
三、结束语
北斗系统由于其独特的高精度定位与短报文功能相结合的特点，可发挥单系统无法具备的强大应用范围。但是要切实推广北斗系统在军、民领域的应用，还必须解决推广策略、保密性能，用户终端兼容性以及通信带宽等问题，只有解决了这些问题，才能使北斗二代系统真正在各领域发挥应有的作用。
[关键词]北斗 RDSS RNSS
中图分类号：F407.42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0049-01
一、RDSS与RNSS技术
1.北斗一代的RDSS技术
“北斗一号“的导航定位，其基本原理是采用基于到达时间（TOA）的三球交会测量，利用两颗已知的地球同步轨道卫星为两球心，两球心至用户的距离半径为两球面，另一球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离为半径的球面，三个球面的交会点就是用户位置。这种导航定位方式与GPS、GLONASS所采用的被动式导航定位相比，虽然在覆盖范围、定位精度、容纳用户数量方面存在明显的不足，但其成本低廉，系统组建周期短，同时可将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起，使系统不仅可全天候、全天时提供区域有源导航定位，还能进行双向数字报文通信和精密授时。另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户能知道自己的测定位置，而且其调度指挥或其他有关单位也可掌握用户所在位置，因此特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等，而在救灾行动中起作用显现尤为明显。
2.北斗二代的RNSS技术
正在建设的”北斗二号“的卫星是无源卫星，不同于”北斗一号“的有源导航，“北斗二号”增加了RNSS系统，采用RNSS导航定位技术时，用户被动测量来自4颗导航卫星发出的信号，根据信号传输时间测定用户到这些卫星的距离，然后通过数学运算得到用户的3维坐标与速度。这可以为需要导航的用户带来极大的安全。另外，“北斗二代”的RNSS系统为被动定位，被动定位是指持有终端设备的用户无需向卫星发射定位请求，而是可以直接通过卫星发射的信号定位，因此不存在占用卫星信号带宽问题。这意味着我国北斗导航系统的用户数量将与采用被动定位的美国GPS系统一样没有数量限制，用户群可大大增加。
二、RNSS与RDSS组合技术
北斗二代系统兼具RDSS与RNSS两种业务模式。RDSS属于主动式定位系统，兼具短报文通信业务，需要用户发射信号；RNSS属于被动式定位系统，无需用户发射信号。RDSS与RNSS两种业务具有较好的互补性。”北斗二代系统的RDSS与RNSS组合技术包括从信号处理层到数据处理层的多种组合应用模式。
1.RDSS辅助RNSS快速信号捕获技术
双模用户机是指具备RDSS和RNSS功能的用户机，军用领域的双模型用户机由于需要实现长码直捕功能，需输入能达到一定精度的时间信息。常规状态下的长码捕获的时间信息可有短码捕获、同步后得到的时间信息转换而成。但是，在特定应用环境下可能系统会关闭短码支路，从而造成長码无法得到由短码交接带来的时间信息。在此种应用模式下获得的时间信息，可有用户机的RTC器件保持、以及外部输入获得。其中，由RTC器件保持的时间受制于RTC器件的时间保持精度，且有一定的时间保持限度。而外部输入信息也会遇到高精度时间信息来源以及时间信息输入的问题。
RDSS具备捕获快、获得时间信息快的特点，可采取RDSS定位获取时间信息，也可采用根据星历时间和估算时延计算的到的时间信息。下面以精度稍低的第二种方式为例进行捕获时间获取的过程及精度进行描述。
RDSS部分在达到稳定跟踪后，会在5S到15S内收集齐GEO卫星星历。并且可以从星历信息中提取到发射时刻。通过RDSS载荷所提供星历中的“上行时延”以及估算的下行传播时间，可以得到精度为10ms以内的卫星信号传播时延，从而得到精确度为10ms的接收机时间。北斗二代系统中RNSS和RDSS的时间基准已经统一，所以可直接用于RNSS捕获模块的时间校准，设置长码捕获的时间不确定度寄存器，从而缩短捕获时间，且不需要其他时间信息来源。根据该架构实现的RNSS长码首次定位时间可缩短为60s。
2.RNSS辅助RDSS发射频率调节技术
RDSS设备入站发射时需考虑发射频率准确度，以确保发射信号可正确入站。所以在动态较高环境下应用的双模用户机，需计算由于动态引起的多普勒叠加至RDSS发射信号频率上的频率偏移，并消除后保持一定的发射频率准确度。用户机的RDSS信号跟踪模块送出的接收频偏由两部分构成：接收机动态引起的多普勒和晶振漂移引起的频偏，要保证发射频率准确度，必须消除多普勒和晶振频偏，但是这两部分的调节方向相反，现有流行的接收机设计尚无法将两种漂移区分开。而双模用户机中此时若RNSS已接收正常，可通过RNSS获取真正的多普勒，结合RDSS的接收频偏区分多普勒和接收频偏，再调节发射频综，保证发射频率准确度。
3.RDSS与RNSS组合的高精度单点定位技术
目前，RNSS系统的定位精度可达到水平10m（95%），高程10m（95%）的精度指标，如需达到更高的定位精度，可利用局域差分系统进行误差修正。以现行较为通用的GPS差分系统为例分析DGPS系统组成，以提出RDSS和RNSS技术结合的差分定位系统设想。
现行常用的沿海无线电指向标-差分全球定位系统（RBN-DGPS）是一种新型、高精度、高全天候的导航定位系统，为公共用户提供无偿的2m内的定位精度服务。利用信标差分系统在内陆是300km的作用距离，在海上是500km的作用距离。而针对北斗二代系统的特点，可构建改进的北斗二代局域差分系统，即通过RDSS通信手段传递北斗二代RNSS或GPS差分信息，从而扩大局域差分系统的作用。由于RDSS信道容量有限，基站用户机的用户卡需有一定的频度限制，且需采用指挥用户的通播功能，也可采用专用差分接收ID实现差分信息接收。所以此方案需考虑基准站用户机的信息，发送频度和长度的可实现性，以及妥协策略带来的精度误差。
4.RDSS与RNSS组合的高精度授时技术
RDSS系统具备双向授时功能，其系统设计精度可优于10ns，与通常的GPS授时相比，可提高5到10倍，此功能可用于高动态用户的精确时间同步。
三、结束语
北斗系统由于其独特的高精度定位与短报文功能相结合的特点，可发挥单系统无法具备的强大应用范围。但是要切实推广北斗系统在军、民领域的应用，还必须解决推广策略、保密性能，用户终端兼容性以及通信带宽等问题，只有解决了这些问题，才能使北斗二代系统真正在各领域发挥应有的作用。