北斗卫星导航系统在TD-SCDMA系统中的应用

海底鱼

1 北斗卫星导航系统的功能　　1.1 北斗卫星导航系统功能概述
　　北斗卫星导航系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统(CNSS)，是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统由三颗(两颗工作卫星、一颗备用卫星)北斗定位卫星(北斗一号)、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。三颗星分别位于东经80˚ 、140˚和110.5˚ 的赤道上空，每颗卫星有2个波束，覆盖范围为东经70~145 ˚，北纬5~55 ˚ ，能覆盖我国全境及周边地区。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务。
　　该系统集测量技术、定位技术、数字通信和扩频技术为一体，是一种全天候的覆盖我国及周边国家和地区的区域性卫星导航、定位、通信系统。随着2003年5月25日“北斗一号”系统的第3颗卫星成功发射升空，“北斗一号”系统已经开始全面为各种用户提供稳定和可靠的应用。
　　系统具备如下主要功能：
　　定时：快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。
　　通讯：用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。
　　授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。
　　1.2 主要技术指标及工作原理
　　北斗导航系统在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段，上行为L频段(频率1610～1626.5MHz)，下行为S频段(频率2483.5～2500MHz)。其定位精度可达100 (ns)的同步精度。北斗一代系统的出站信号包括由中心控制系统经卫星至用户机的信道传输和信息在信道中的传输方式两部分。
　　在北斗一代系统中，出站信号设计成为伪随机码直接序列扩频，双信道OQPSK调制方式，采用连续帧结构信息传输方式，其中作为正交方式的I、Q两个支路的信号功率可根据实际使用情况做出调整。
　　其中所传输的信息帧，在时域的划分上分为超帧和帧两种结构，并固定帧长，即1分钟为一个超帧周期，其包含1920帧，每秒为严格的32帧。北斗一代系统卫星传播信号中，I支路用于传输定位通信标校广播和其他公用信息，每帧开始由13位巴格码加1个“0”组成，巴格码最后一位“1”下降沿所对应的为脉冲为该帧的参考时标。
　　在每个超帧传播的电文信息中，包含如下基本信息：
　　时刻---表示本超帧第一帧对应的时刻，分化值为1分钟；
　　闰秒---表示中国UTC的闰秒，表示北斗一号系统时间和中国UTC整秒差值，分化值为1秒，本系统时间从2000年1月1日0时0分0秒开始起算；
　　时差---表示北斗一号系统时间和中国UTC时差值小于1秒的部分，分化值为10纳秒。
　　北斗一号共有3颗卫星6个波束，波束服务区几何中心的经纬度分别为：
　　1波束----125度，25度；
　　2波束----115度，40度；
　　3波束----115度，25度；
　　4波束----95度，35度；
　　5波束----125度，25度；
　　6波束----115度，40度。
　　“北斗一号”卫星定位系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对于定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。
　　2 北斗卫星导航系统的产业化进程
　　我国目前正在建设由35颗卫星组成的覆盖全球的北斗二代卫星导航系统，计划近年投入商用。我国已于2007年2月3日，成功发射第四颗北斗导航试验卫星---“北斗4”。2007年4月14日，成功发射北斗导航卫星--- “北斗5” (COMPASS-M1)。建设中的中国北斗导航系统(COMPASS)空间计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50ns，测速精度0.2米／秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。在未来几年里，中国将陆续发射系列北斗导航卫星，从而满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。
　　我国非常重视北斗卫星导航系统的应用及推广。国家发展和改革委员会联合国防科学技术工业委员会于2007年11月联合发出了《关于促进卫星应用产业发展的若干意见》的文件，文件依据《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，《高技术产业发展“十一五”规划》以及《航天发展“十一五”规划》等文件，明确提出：“对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域须逐步过渡到采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制，鼓励其它行业和领域采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制。”
　　目前北斗一代卫星系统已经稳定无故障为用户提供各项服务将近5年时间；水利部门，国土资源部门，石油部门，森林防火部门等已经大规模使用北斗终端多年。并在长江三峡，南海石油钻井平台，珠穆朗玛峰等均在使用北斗终端。在本次汶川地震中北斗终端也发挥了重要的作用，四川省森林总队所携带的“北斗一号”应急灾害指挥调度系统，及时将汶川地震重灾区的灾情报告给中国人民武装警察森林部队司令部，为各级政府和救援机构在第一时间获得灾区的准确位置和灾情并评估灾后的损失程度，做出了重要贡献。
3 北斗卫星导航系统与GPS的指标对比
　　由于我国的北斗卫星导航系统与美国的GPS都是具有国家战略意义的卫星导航系统，以下将从覆盖、轨道特性、接收机灵敏度等多个方面对于两者进行对比。

比较内容	北斗	GPS
覆盖范围	东经约70°一140°，北纬5°一55°	覆盖全球的全天候导航系统
卫星数量及轨道特性	一代3颗地球同步轨道卫星；轨道高度36000km；二代35颗卫星	6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°； 轨道高度22000km，绕地球一周11小时58分。
定位机制	二维定位，需要初始输入高程数据才能进行三维定位。	三维定位
授时方式	可实现单星稳定平滑授时；同时也可采用解算授时。	解算授时
PPS秒脉冲工作方式	连续实时校正相位输出；同时兼容RTC守时模式	连续实时校正相位输出；同时兼容RTC守时模式
时间输出格式	NMEA0183格式；其它时间格式	NMEA0183格式；其它时间格式
授时组网方式	各站独立工作； 网络同步可靠性高； 抗灾能力强； 易维护	各站独立工作； 网络同步可靠性高； 到达地面的卫星信号较强 抗灾能力强； 易维护
授时精度	北斗一代 ±100ns，北斗二代±50ns	±50ns
授时可靠性	采用地球同步轨道卫星做观测量，在移动静态应用中，可以确保永远接收到同一颗卫星，从而保证整个授时应用中不需要发生卫星切换，进而保证授时稳定性和可靠性	采用低轨运动卫星，容易发生卫星切换和定位精度突跳
造价成本	高，单向授时10000元左右	较低，800元左右
与基站连接容易性	现有基站有专门的插槽，可在现有基站保持正常工作状态下实现热插拔工作	现有基站有专门的插槽，可在现有基站保持正常工作状态下实现热插拔工作
自主常识产权	完全自主常识产权	常识产权归美国军方所有
接收机灵敏度	-130dBm	-133dBm
系统扩频增益	30dBm	30dBm
抗干扰能力	具备针对移动工作频点规避抑制设计	具备一般抗干扰； 不具备针对移动工作频点规避抑制设计
指令遥控功能	具备（特指双向通信功能）	不具备
可升级能力	具备（可升级到北斗二代）	不具备

　　从上表中大家可以看出，在时间精度、模块造价成本等方面北斗一代相比GPS还存在差距，但是随着北斗二代建设步伐的加速及北斗产业能力的提高，北斗卫星通信系统的优势将逐步显现。
　　4 北斗卫星导航系统在移动通信领域的应用
　　北斗卫星导航系统所具备的高精度授时的能力，使得其在移动通信网中具有广泛的应用前景。移动通信网在通信网计费、网络管理系统、七号信令网、CMNET网络安全认证以及今后可能存在的一些移动新业务(如VOIP、位置定位等)中都对时间同步提出了要求。
　　从上表可以看出，TD-SCDMA及其演进方向的LTE系统对于时间同步的要求格外严格，从依据3GPP中规定，在TD-SCDMA系统中，基站系统之间需要准确的时间同步。3GPP规范25.123中规定TD-SCDMA小区同步精确度需优于3s， 3GPP规范25.402 NodeB工作时钟精度要求优于0.05ppm，因而TD-SCDMA系统对时间同步的精度要求应该为3s。如果RNC和Node B之间没有时间同步，可能导致在选择器中发生邮件指令不匹配，从而使通话连接不能建立起来。因而在移动通信网中必须采用GPS或北斗卫星导航系统这样高精度卫星授时才能保证时间同步的要求。
　　当作为同步时间源时，无源北斗授时原理与GPS的应用原理是非常相近的，只是根据北斗系统的时标系统由地面系统产生和上行时延的连续发播机制来实现高精度的授时机制。具体原理如下：
　　基站的北斗授时接收机采用100M晶振产生秒脉冲，同时利用该晶振产生的计数单元完成对3颗卫星的同步伪距测量，本地晶振采用的为短稳不高于1ns的普通晶振。北斗系统采用基于UTC时刻的BDT时标系统，因此对系统授时基准的统一计算由北斗系统的地面运控系统统一给出，对于基于接收机的时标系统，统一按照BDT时标考虑。
　　基于BDT时标的精确到分钟的时标信号，可以通过北斗卫星信号传输的超帧帧头准确获取，可以认为不存在误差。本地接收机利用3星无源定位原理，实时解算出本地时标与BDT时标的每秒钟的钟差改正。利用该改正值传输给硬件脉冲产生同步电路，调整PPS的输出相位就可以完成高精度的授时输出。
　　在TD-SCDMA中采用北斗作为同步时间源时，需要对于目前的基站设备进行相应改造，以其能够同时支撑GPS/北斗双授时。以下为大唐的基站设备改造作为示例：
　　一般而言，在基站时钟板上有二个位置，一个是GPS模块的位置，另一个是北斗的位置。二个模块分别引出端口接射频馈线，二个模块各自输出PPS经过一个二选一逻辑输出，二个模块的TOD接口也分别输出给一个二选一逻辑输出。TOD接口的二选一逻辑可以进行轮询。本示例中的射频馈线是分别输出的，如果要用共天线，功分器需要外接。GPS和北斗接收机的下一级是数字锁相环(PLL)，TOD接口的消息中包括输出信号的质量，数字锁相环根据GPS和北斗的输出质量确定使用哪个时钟系统，方法就是用二选一逻辑进行选择。
　　由于目前TD-SCDMA主设备的生产厂商较多，各个厂商的基站设计方式也有所不同，因而改造的工作量也有所不同。但可以明确的是，基站侧采用北斗作为时间同步源的工程改造量较小。
　　5 结论
　　从上文的分析中大家可以看出，目前国家已明确了在对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域必须逐步过渡到采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制，因而北斗卫星导航系统在移动通信将发挥重要的作用。预见在不久的将来，随着TD-SCDMA系统商用进程的加速及我国北斗导航系统的完善，我国自行研制的时间同步技术将会在拥有自主常识产权的第三代移动通信网络中得到广泛应用。