北斗RDSS的前世今生

来源:森林   1月前   

了解北斗的朋友都知道,RDSS服务是北斗系统最大的特色,不止解决了中国有无卫星导航系统的问题,还将定位与位置报告相合,是中国北斗卫星导航系统区别其他卫星导航系统的主要创新,也是北斗国际竞争的一大优势。


也就是说,其他卫星导航系统只是告诉你什么时间、在什么地方,而北斗卫星导航系统除了让你知道在什么时间、什么地方之外,还可以将你的位置信息发送出去,使你想告知的其他人获知你的更多信息,解决了何人、何事、何地的问题。具有非常重要的应用价值,北斗短报文在汶川抗震救灾地震中的大量实践就充分展示了其巨大作用和意义。


最近很多朋友也反映,在北斗三号一系列官方文件中已找不到RDSS服务及相关表述,取而代之的是区域短报文服务(RSMC)和全球短报文服务(GSMC)


同时在作者参加的相关会议上,也有人提出相似的问题,还有许多人很疑惑短报文服务和RDSS的关系,也有个别人提出RDSS是短报文服务的一部分的说法!可能依据是北斗卫星导航系统应用服务体系(1.0版),RDSS定位精度包含在区域短报文服务中。

 


在此,我们认为有必要回顾一下北斗的发展历程,一起梳理RDSS的辉煌过去,展望RDSS的光明未来。


中国北斗卫星导航系统采用了RNSS和RDSS两种服务于用户位置确定的卫星无线电模式。


RNSS(Radio Navigation Satellite Service),卫星无线电导航业务。由用户接收卫星无线电导航信号,自主完成至少到4颗卫星的距离在此测量,进行用户位置,速度及航行参数计算。GPS等系统是典型的RNSS系统。

 


RDSS(Radio Determination Satellite Service),卫星无线电测定业务。用户至卫星的距离测量和位置计算不是由用户自身独立完成,而是由用户外的系统(地面中心)完成的。其特点是通过用户应答,在完成定位的同时,完成了向外部系统的用户位置报告,还可实现定位与通信的深度集成。

 





01.
卫星无线电导航的发展历程


卫星无线电导航创始于20世纪60年代。1960年代美国建设了子午仪系统(Transit) ,苏联开始设计论证蝉(Tsiklon)系统。上述两个系统均不能为用户提供精确的速度与定位信息,稳定性差,因此1973年前后,两国分别提出了GPS和GLONASS方案,基本原理均采用RNSS模式,通过对4颗以上卫星信号的伪距测量和多普勒测量,确定用户三维位置、速度矢量与定位时间。全球卫星导航系统(GNSS)自此逐渐发展起来。


1983年,北斗系统创始人之一陈芳允院士提出双星定位的构想,这是国内最早基于RDSS的定位设想。同时期,美国科学家奥内尔等人提出建设基于RDSS的地球同步轨道卫星导航系统GEOSTAR,并利用两颗卫星开展了试验工作,1991年GEOSTAR宣布破产。


中国北斗导航系统的工程建设起步于1994年,与子午仪、蝉系统相比起步晚了30多年,与GPS、GLONASS相比,也晚了20年。时间跨度之大,无论是用户需求还是导航技术均发生了跨时代的变化,但当时国家财力非常不充裕,基本卫星的经费都不能保证,因此北斗系统技术体制的选择需要非常慎重,一步就迈向类似GPS的全球星座不现实。


北斗系统的起步,身边有两个模板:优秀学生GPS当时风光正盛,没有实现梦想的GEOSTAR的已被拍死在沙滩上;按现在说法,北斗抄作业都不会,在质疑声中义无反顾举起RDSS大旗,在当时大环境下,北斗置于死地而后生,立志创新成为必然。

  




02.
北斗一号构建RDSS体制
解决了中国有无卫星导航系统的问题


经过不断试验和实践,1994年,国家批准“双星导航定位系统”立项,命名为“北斗一号”。以2颗卫星为代价,建成一个实用化卫星无线定位系统,拉开了以精确测量时间与空间为目标的卫星无线电系统建设序幕。工程目标清楚表明,定位报告与短报文通信是北斗一号的主要业务。面临的理论挑战、技术难题十分突出。


北斗一号RDSS服务基本过程:卫星位置已知的条件下,可以计算出用户机与两颗卫星的真实几何距离。这样,分别以两颗卫星为球心、用户机至两颗卫星的距离为半径确定两个球面;用户就在这两球面交叉线上;在地面高程已知的情况下,地球表面与上述交叉线有两个交点,一个在南半球,一个在北半球服务区,对于我国用户而言,后者即为用户位置,也就是三球交会定位原理。

 


北斗RDSS三球交会定位原理

 

2000年,中国成功发射了2颗北斗一号卫星,通过双星定位原理、定位报告业务真正实践了RDSS概念、理论与系统架构。2003年正式建成的北斗一号系统,使得中国成为是世界上第3个拥有自主卫星导航系统的国家。


通过一系列关键技术的突破与工程化实现,北斗一号取得了世界级创新成果,并形成鲜明特色:

① 两颗卫星实现大范围高精度定位授时服务,满足了中国及周边服务;

② 双向授时精度10ns;

③ 实现了大容量用户1 s快速定位报告,响应速度居国际领先水平;

④ 定位和报告在同一信道完成,用户知道“我在哪里”,还知道“我们在哪里”;

⑤ 实现了用户双向报文通信。北斗一号快速定位报告功能,完整地诠释了RDSS业务的丰富内涵和先进特色。

 

 



03.构
建RDSS+RNSS体制
建成北斗二号区域系统


2004年,“北斗二号”立项,于2012年12月建成了以实时连续导航与实时定位报告相融合的北斗技术体制,实现亚太覆盖的区域卫星导航系统,从根本上摆脱了对国外卫星导航系统的依赖。中国成为全球卫星导航核心供应商之一,为世界卫星导航领域发展作出了贡献。


北斗二号弥补了北斗一号在定位连续性、速度测量、服务完好性等方面的不足,加强和完善了RDSS服务能力。总结起来,有如下主要特点:

(1) 全球第一个RNSS与RDSS技术体制相融合的系统。解决了导航业务、卫星固定业务、卫星移动业务众多网络频率兼容与业务协调。北斗双模用户机受到广大用户青睐,成为卫星导航与通信综合应用的热门装备。


(2) 全球第一个三轨混合导航星座,按照先服务亚太、再扩至全球的思路,边建边用、突出重点的原则,构建了5颗GEO+5颗IGSO+4颗MEO卫星的混合星座。


(3)第一个具备三频完整服务能力的导航系统。北斗系统于2012年具备B1、B2、B3完整三频服务能力,与GPS实现L1、L2、L5三频服务计划相比,提前了近10年。


(4) 丰富和扩展了RDSS服务能力和内涵,利用5颗GEO卫星扩展了RDSS的服务容量;基于RDSS的精密快速定位采用地面中心处理三频观测数据,在2 min的定位报告响应时间内定位精度优于1.0 m。基于RDSS实现了用户快速跟踪与遇险救援报警。系统RDSS定位报告原理,通过用户及中心系统的观测与处理,用户定位报告精度为米级,报告响应时间小于2 s,为用户跟踪、生命救援等应用提供了性能优异的手段。

 




04.
 北斗三号系统
继承和发扬光大了RDSS的服务内涵


北斗三号继续采用RNSS与RDSS相融合技术体制,面向全球应用,谭述森院士带领团队完成了RDSS波束扩展和全球位置报告设计,提升了服务区域、用户容量等,与卫星搜救和航迹跟踪等实现手段融合,构建实现全球定位报告体系。


在RDSS设计中将网管业务特点引入到系统运行流程设计中,如用户波束切换、发射功率控制、出站速率切换、入站速率切换、编组申请与确认等设计,服务更加灵活,用户体验更加完善;吸收目前即时通信工具优点,设计了组播相关业务流程设计:组群号的生成与注销、申请权限、出站播发方式(基于广播信道的群组动态生成管理)等。


虽然在官方文件服务类型中,以区域短报文和全球短报文服务出现,这说明北斗RDSS的短报文服务太优秀太深入人心了,作为RDSS的服务分支独立表述了。

 

附表:2020北斗系统计划提供的服务类型


北斗三号短报文服务能力得到了极大提升,接收机发射功率降低到 1-3W,单次通信能力提升到 1000 汉字,服务容量提高到 1000 万次/小时以上。(北斗卫星导航系统应用服务体系1.0版)

 

附表:北斗系统RSMC服务主要性能指标


附表:北斗系统GSMC服务主要性能指标





05.
RDSS与短报文的关系


RDSS是北斗系统的特点和亮点,是区别于GPS、GLONASS和Galileo系统的重要特色,可为中国本土及周边区域提供快速定位、位置报告、短报文通信和高精度授时服务,因此短报文通信是RDSS服务的重要部分,是RDSS为实现位置报告衍生出的重要功能,在实际应用中获得了大家的一致认可和喜爱。


北斗短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能。北斗短报文两种数据类型,一种是通常汉字通信采用的ASCII 码的方式,另一种为BCD码方式。北斗短报文通信与其它的卫星通信方式相比,“北斗”卫星通信的实际链路中并没有实现链路控制功能,这为用户的灵活使用提供了充足的空间。短报文不仅可点对点双向通信,而且其提供的指挥端机可进行一点对多点的广播传输,为各种平台应用提供了极大便利。


但短报文通信不足以概括北斗特色北斗系统最大的特色在于RDSS服务,将导航和通信相结合一体化实现了位置报告。RDSS的快速定位能力,开机2秒即可完成初次定位,应用在应急搜救上很有优势,终端设备不需要长时期开机,尤其适用航空航海个人救生包,不需要提前开机,跳伞后自动打开电源,2秒后完成搜救请求,由中心系统计算位置向搜救中心报告谁?在何时?何地?的遇险生存状况,寿命期内只占用很少的服务资源,可以大范围推广应用。

 




06.
北斗RDSS的典型应用


  • 海洋渔业

航线全程位置监视

渔船越界安全告警、防碰撞告警

口岸出入调度管理

海事紧急求救

 


  • 交通运输

铁路行业:机车远程监测与诊断系统、铁路沿线自然灾害预警和实时监控

特种车辆监视:“两客一危”即客运班车、旅游包车、长途危险品运输车在运输监管中的应急保障平台

 


  • 灾害减轻和救援

森林防火、防洪告警、地质监测

救援调度、队伍协同

简短通信

 


近20年来,北斗RDSS业务在我国海洋渔业、生命救援、态势监控、应急通信等领域发挥重要作用;北斗RDSS业务的部分性能指标(响应时延、双向授时精度),至今世界领先;RDSS业务是北斗的最大特色,通信+导航融合的现实典范。

 




07.
北斗RDSS发展展望


从国内外卫星导航系统应用情况及发展趋势来看,除了精度、连续性、完好性等更高的方向外,位置报告已逐步发展成为卫星导航系统所必须的重要功能之一。位置报告功能是传统导航定位解算功能的延伸,是“导航定位服务”的自然体现。在导航系统多年应用实践中,人们认识到,仅仅知道“我在哪里”还远远不够,基于RDSS的位置报告系统还有更强的生命力。


随着RDSS应用的拓展,谭述森院士提出广义卫星无线电定位业务(CRDSS),基本概念是通过一颗有双向往返测距功能的转发式RDSS卫星,完成测量控制中心(MCC)至用户往返距离和测量,用户完成该卫星与其他任意两颗导航卫星的伪距差测定,通过MCC 计算处理,即可同时完成用户的位置确定与向控制中心(MCC)的位置报告。在地球静止轨道(GEO)上适当布设两颗RDSS 转发式卫星,就能完成全球陆上、海上70%覆盖区的个人位置服务,近地卫星85%覆盖区域的位置服务。与采用GPS 定位和通信手段进行位置报告相比,其费效比显著提高,将传统卫星无线电导航(RNSS)业务至少需4 颗卫星才能定位变为3 星定位。在同样星座卫星数下,有机会选择更低的DOP值,从而提高定位精度,更大的优点是降低了用户机的造价,减轻了用户负担。


2014年马航MH370失联事件后,谭总联合工程院多位院士联合提出了北斗全球系统RDSS航行跟踪及遇险救援方案。同时美国于2015年,在IMO、ITU等国际组织会议场合,提出了全球水上安全与遇险救援系统(GMDSS)现代化的建议。北斗RDSS位置报告业务,未来将着力挖掘航行追踪与紧急救援应用,成为我国自主可控的全球海空安全监控体系重要组成部分,为世界生命救援领域作出北斗应有贡献。


你知道他就在那里,所有的过往都得以安放,他是北斗的成长背景,而短报文是他的甲乙丙丁。


最后以陈芳允先生的诗与北斗圈的各位同仁共勉。


人生路必曲,仍须立我志。
竭诚为国兴,努力不为私。

(来源:中国无线电之父——陈芳允先生,九三学社2019-01-13)