中国北斗导航卫星系统对PNT （导航、定位、授时）应用平 ...

最近国标委成立国家级北斗卫星导航产品检测机构，这对北斗产品及PNT应用产品的建立了国家认证体系，推动北斗平台建设进入加速阶段。本文针对利用北斗系统建设中国自主PNT（导航、授时、定位）平台进行了介绍，是非常好的科普材料，通过本文我们可以了解到北斗系统的建设对国民经济的发展和保障起到非常关键的作用，PNT系统应用时北斗应用中非常重要的一个领域，相对消费电子产品（智能手机、汽车导航、平板电脑）来说，PNT系统的自主和国产化带来的意义要更为重大。

一、引言：

10 年前, 美国就根据GPS 系统能提供定位、导航、授时(positioning, navigation, and timing — PNT)三大功能及其在国防安全、科技、国家经济/贸易、人们社会生活等多方面应用, 把对GPS 导航系统的断能力; 将原先GPS 部际协调委员会升级为长久性国家级的“国家天基定位、导航和授时执行委员会”—NSPNT (national space-based positioning, Navigationand Timing), 管理美国PNT 系统。国防部和运输部部长(或其代表)担任执委会主席, 成员由国务院、商业部、国土安全部、参谋长联席会议、国家航空航天局(NASA)以及其他相关部、局相同级别的代表组成; 总统行政办公室(包括管理与预算办公室、国家安全委员会、国土安全委员会、科技政策办公室和国家经济委员会)成员, 作为执委会的观察员; 国会联邦通信委员会主席作为执委会的联络员; 执委会下设“国家天基PNT 协调办公室”, 作为参谋/秘书机构。美国的PNT 体系力图能提供实用有效、连续不断的PNT 服务, 满足增长的国家安全、经济、民用、科研和商业的需求, 保持星基PNT 军用优先和
优于他国民用星基PNT 业务的竞争力, 提升美国在星基PNT 应用领域的技术领先地位。PNT 已成为“Positioning, Navigation & Timing”的缩略语。谷歌上搜索PNT, 就能找到大量的关于美国PNT 政策和相关科学技术、工程应用文献。我国有识之士也在卫星授时、定位、导航的科研和工程应用中, 意识到PNT 一体化的内在合理性和技术上的密切相关性, 逐步认识到发展中国自主卫星定位系统, 应提到建设国家PNT 平台的层面上统一筹划。2007 上海国际导航产业与科技发展论坛上, 论坛组委会共同主席, 国家科技部高新司领导在《定位、导航和授时(PNT)——中国近期有关活动进展》报告中指出, 北斗(COMPASS)系统建设将使中国成为能提供全球PNT 服务的国家之一, 中国基于同步通信卫星的区域导航系统CAPS 将为世界提供更多的PNT 选择, 中国加入伽利略计划使欧盟在欧洲之外拓展了潜在的巨大市场, 也给中国带来了更多的PNT 服务选择[2]。严建华在2009 年提出“建立我国陆基定位、导航、授时系统研究”[3-4]。本文抛砖引玉, 拟从推动我国PNT 系统平台建设的角度, 介绍和思考北斗卫星导航系统及其PNT 应用。

二、北斗系统：（截止文献出版日期）

业已建成的“北斗卫星导航试验系统”(一代“北斗”)的基本技术路线源自于卫星通信专家陈芳允院士的“双星定位”设想。2000 年10 月31 日和12月21日发射的两颗定位卫星和2003 年5 月25 日发射的一颗备份卫星组成该系统的空间部分, 与地面控制中心站、标校站以及各类用户终端, 组建成能在中国及其周边区域的定位、授时和短报文通信的北斗卫星导航“试验系统”; 并已在测绘、电信、交通运输、渔业、水文、森林防火和国家安全、救灾应急等诸多领域发挥作用。该系统的服务区域为70°~140°E,5°~55°N。它的定位精度优于20 m, 首次定位比GPS快, 只需几秒钟; 集定位、授时、报文通信(一次最多能发送120 个汉字)的于一体, 能位置报告、态势共享, 同时解决与“何人、何时、何地”相关的“何事”问题。该系统单向授时精度为100 ns, 双向定时精度为20 ns, 比GPS 标准定位业务(SPS)的460 ns 和精密定位业务(PPS)的200 ns 都要高。在北斗“试验系统”基础上, 2007 年4 月13 日成功发射COMPASS 系统第一颗中轨道(MEO-1)卫星,拉开建设北斗“扩展的区域导航系统”帏幕。2009 年4月和2010 年1 月、6 月、10 月又发射了该系统的4颗地球同步轨道(GEO)卫星, 预计在2012 年建成由12 卫星组成的北斗(COMPASS)卫星“扩展区域导航系统”, 其服务区域为为55°~ 180°E, 55°S ~ 55°N。它采用有源与无源定位相结合体制, 兼容北斗“试验系统”的全部功能。它的定位为10 m, 单向授时精度为50 ns, 双向定时精度为10 ns, 测速精度为0.2 m/s。它将为中国及其周边地区的提供定位、导航、授时和短报文通信服务, 并进行组网和试验[5],北斗在建成“扩展的区域导航系统”基础上, 根据发展需要, 逐步扩展, 在2020 年前后建成由5 颗GEO卫星和30 颗非地球同步轨道卫星构成的全球卫星导航定位系统。该系统将提供开放服务和授权服务。开放服务将在服务区内免费提供定位(精度为10 m)、测速(精度为0.2 m/s)、授时(单向精度为50 ns)和短电文通信服务。授权服务将向授权用户提供更安全、精度更高的定位、导航(测速)、授时和通信服务以及系统完好性信息。其性能高于俄罗斯的GLONASS 卫星导航系统, 与美国的第3 代GPS性能相当[6]。

三、北斗及PNT应用

北斗卫星导航系统的关键作用是提供时间/空间参考以及各种与位置相关的实时动态PNT 信息,业已成为国家信息化基础设施。它是高精度、全天时、全天候、陆海空天一体的PNT 最佳手段; 是经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重大技术平台和战略威慑基础资源; 也是建设和谐社会、服务人民大众、提升生活质量的重要工具。它与产业关广泛关联, 与通信产业、网络产业深度融合, 有效地渗透到国民经济诸多领域和人们日常生活, 成为高技术产业高成长的助推器和继移动通信、互联网后的全球电子信息产业的经济新增长点。北斗系统的PNT 应用分述如下：

3.1 在电信网数字同步、移动通信中的应用

北斗系统高精度授时功能, 可以满足电信TDM 业务时间同步要求, 解决网络设备和用户通信设备(如MODEM)交换节点间由于频差和过量漂动而引起的滑帧、滑码问题; 实现SDH 节点同步, 限制指针调整频次; 解决移动通信软切换中RNC(无线网络控制器)与Node B 之间时间不同步而导致邮件指令不匹配、通话连接不能建立等问题。今年6 月, 中国移动通信研究院的高层技术人士撰文指出, “随着移动通信术的发展, 网络对时间同步的要求越来越高。CKMA2000、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、时分长期演进(TD-LTE)基站都需要高精度的时间同步。TD-SCDMA 规定的时间同步指标为±1.5 μs”。在小型化和分布式的移动基站成为主流的3G/4G 网络中, 大量增加的微蜂窝基站和LTE基站都力求更高精度的时间同步, 所以, 中国移动公司在其北斗授时技术规范中, 要求授时精度好于100 ns[7]。通信网单位时间内可容纳的通信信息量(不被堵塞)及其可靠性, 很大程度上依赖同步网精度和可靠性, 各种移动通信制式对时钟频率同步、时间同步的要求如表1 所示。中国各移动通信公司约有30 万个移动通信基站, 都对北斗授时有应用需求。它们。此外, 与移动通信密切相关的位置服务LBS 业务, 也需要配合应用北斗系统PNT 的定位、导航功能, 才能在城郊、乡村等区域有效发挥作用。

3.2 在电力时间同步/监测监控中的应用

电力系统是与时间密切关联的大工业系统。无论电压、电流、相角、功角变化, 都是基于时间轴的函数。现代电网安全运行, 超临界发电机组并网运行,大区域电网互联, 特高压输电, 电网安全稳定运行对以计算机、通信技术为基础的电力自动化监测、监控、调度装置的时间同步提出高要求。要求微机继电保护、事件顺序(SOE)记录、RTU 远动等装置和安全稳定控制系统、能量管理系统(EMS)、电力生产管理系统等都基于统一的标准(参考)时间运行, 以满足实时数据采集时间一致性要求, 确保线路故障测距、相量和功角动态监测、发电机组和电网参数校验的准确性, 提高电网运行效率/可靠性以及对电网事故分析、稳定性控制水平。长期以来, 我国电力企业主要以美国GPS 卫星作为时间同步系统主时钟信号源。2009 年5 月, 英国《每日邮报》报道, 美国警告, GPS 卫星网可能会在2010 年瘫痪, 将对全球依靠GPS 的行业造成致命打击。为此, 国家从战略层面考虑, 提出防患对策。科技部863 项目“自主卫星导航系统精密时间传递关键技术与示范”, 支持“北斗授时单元与时间同步钟及电网应用示范”研究, 推进北斗卫星授时在配电网在线故障定位、智能变电站和电网动态监测中应用。2009 年9 月, 国家正式确立“天地互备,以北斗为主的电力授时体系”。 同时, 编制“电力系统北斗卫星授时应用接口规范和测试规范”国家标准,电力用户可用“北斗标准时间同步钟”按基本式、主从式、主备式方式联网, 组成不同等级的电网时间同步系统, 为各级电力设施和管理提供可靠北斗标准时间, 保证电网运行稳定安全。

北斗系统除为电力提供高精度授时外, 还为输电线路踏勘、抢修、水电站库区地形地质监测、远距离数据传输提供定位、导航和报文通信。

3.3 在金融/计算机网络时间同步中的应用

现代金融行业, 无论银行或证券交易所, 都离不开计算机和计算机联网。单个计算机业务和计算机联网业务, 如银行业务往来的发生时刻、金融交易的准确时刻、E-MAIL 信息、文件创建和访问时间、数据库处理时间、银联卡/账户的密码识别等等, 都涉及银行联网计算机之间的时间同步和频率同步。计算机网中凡是有“日戳”概念的信息都对标准时间标记提出了要求。时间戳在密码系统中保证认证和密钥协商协议中传递消息的新鲜性。网上电子商务不断发展, 在传统信息保密性、身份真实性、内容完整性和数据的不可抵赖性等安全要求之外, 还要解决信息的时效性:
1) 保证信息的时效性, 像商业情报、专利发明等, 由时间戳证明你某一时刻拥有这一信息;
2) 保证操作有时效性, 像竟标、竟拍等, 由时间戳, 可以证明其在某一时刻完成了这项活动。
其他如记录文件安全、审查和监控, 网络错误检查和复原,目录服务, 存取安全与确认, 分散式计算, 预设操作,各网统一到实时UTC 时刻等等, 凡此种种, 北斗系统授时都能满足金融/计算机网络时间同步需求。每年计算机国内销售量以百万台计, 新建的各种计算机网络, 包括全国计算机网、区域网、城市网、局域网、专业网、行业系统网、广域网等, 更是雨后春笋。金融/计算机网络产业与北斗授时关联, 将如虎添翼,安全可靠。

3.4 在广播电视/三网融合中的应用

我国的无线电广播和地面无线电数字电视在组网工作时, 都要求播发信号的频率、发射时间(时刻)严格高精度同步。我国业已实施的国家标准GB20600-2006 《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》(DTMB 标准系统), 要求数字电视地面广播的信号格式是“分层严格绝对时间同步”的,信号结构是周期的, 信道估计采用(相位)相关算法,并与自然时间(UTC 等外部TOD 时间)保持同步, DTMB要求同区域电视网各电视台之间的时间(相位)同步精度优于100 ns。最近国务院决策—广播电视网、电信网、互联网三网融合, 涉及技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合等各个层面。在技术层面, 三网共同的技术基础是数字处理技术、数字编码通信技术。正是数字技术的迅速发展和全面采用, 使电话、数据和图像信号都可以通过统一的编码在三网中进行传输和交换, 所有业务在网络中都将成为统一的“0”或“1”的比特流。要有序地对三网调制在“0”或“1”的比特流上传输的业务信息。

3.5 在渔业、交通运输中的应用

北斗系统的定位、通信功能已在我国海洋渔业寻找作业渔场和防避海事灾难、海盗、海域边界纠纷中发挥重大作用。同样, 海洋运输船舶(规定大于300 吨吨位)也需要使用北斗系统定位导航、报文通信以及指挥调度。火车机车、车皮、列车和危险品化学品的运行调度管理, 特别在高速铁路、高速公路、高速城际交通线上车辆, 与海船一样, 更加需要北斗系统精密位置时间和报文通信支持。北斗系统对于改进交通运输现代化运营方式、丰富工程勘察手段、提高运输服务水平、提升应急和安全保障能力, 提高交通运输信息化、智能化水平, 实现交通运输可持续发展, 促进综合运输体系建设, 都具有十分重要的意义。北京市奥运交通与导航定位信息服务系统, 新疆公众交通卫星导航监控系统, 船舶应用示范系统, 港口高精度实时定位调度控制示范系统, 公路基础设施安全监测系统等示范工程, 显示出北斗系统良好的应用前景。

3.6 在军事、地震、气象、科技等其他多方面的应用

北斗系统在军事国防上有诸多应用是不言而喻的。无论边防巡逻、训练演习、后勤保障、抢险救灾, 或是全军联合作战指挥、全军通信保障、武器平台作战、武器试验、网络信息化、海空军敌我识别, 以及军用通信网/侦察网/预警雷达网、多兵种武器协同作战、时间频率计量测试等等, 都需要北斗系统提供位置导航授时(PNT)和报文通信支持。北斗系统已成为建设信息化军队、打赢信息化战争的重要基础和保证, 已成为军事战斗力的有机组成部分和作战效能倍增器。

我国是个多地震、灾害频发的国家, 有建数以千计的地震台站、气象台站组网监测, 对三峡等水库/大坝、山体滑坡/泥石流等也进行精密监测, 用以预报/预防, 所有与位移、时间(时刻)相关的参量的汇总分析, 均可应用北斗系统提供的时间同步、位置信息、电文通信功能。此外, 北斗系统还能为测绘、科学研究、技术实验、商业物流、建筑工程、森林防火、水文测报、矿藏开发、资源普查、公共安全、生命救助、竞技体育等各行各业提供高精度PNT 和通信服务, 已成为我国新兴产业发展的经济新增长点。

4 北斗系统是中国PNT 体系的核心

在PNT 框架结构下, 卫星导航系统及其产业正在从“以增强军事实力为主”转变为“以增强综合国力为主要应用目的; 从“单一的GPS 时代”转变为“多星座并存兼容的GNSS/PNT 时代”——即“GNSS 泛卫星导航系统”, 包括全球星座、区域星座及相关星基增强系统—— 除GPS、GLONASS、BEIDOU、Galileo4个全球系统及其增强系统(美国的WAAS、欧洲的EGNOS和俄国的SDCM)外, 还包括日本的QZSS(准天顶卫星系统)和MSAS(多功能卫星增强系统)、印度的IRNSS( 印度无线电导航卫星系统) 和GAGAN(GPS 与GEO 静地增强导航)、尼日利亚的NICOMSAT-1 等区域系统/增强系统, 进入全球化、增强多模化; 从“以卫星导航为主”转变为“PNT(定位、导航、授时)与移动通信/网络等多信息载体融合”——充分利用非卫星导航手段, 如蜂窝移动通信(UMTS)网络、WIFI 网络、INTERNET 网络、惯性导航、伪卫星、无线电信标等, 多手段集成, 进入信息融合化、产业一体化; 从“经销产品服务为主”逐步转变为“以运营服务为主”, 进入应用规模化、服务大众化[8]; 旨在形成以GNSS 为主体的PNT 应用服务体系, 真正做到任何时候、任何地方、全时段全空间的无缝服务, 实现产业的全球化、规模化、规范化和大众化发展。在PNT 框架结构大趋势下, 北斗卫星导航系统也将以应用推广和产业发展为战略目标, 建成系统,用好系统, 并遵循如下建设原则:

1) 开放性: 北斗系统建设、发展、应用将对全世界开放, 为全球用户提供免费服务, 与世界各国深入交流合作, 推动卫星导航技术与产业的发展。
2) 自主性: 将自主建设和运行北斗系统, 可独立为全球用户提供服务。
3) 兼容性: 在全球卫星导航系统国际委员会(ICG)、国际电联(ITU)框架下, 北斗系统将与其他卫星导航系统实现兼容与互操作, 使用户能共享卫星导航发展成果。
4) 渐进性: 在建好“区域导航系统”基础上, 积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设, 完善服务质量, 实现各阶段的无缝衔接。
5) 关键性: 北斗系统应是中国PNT 体系的核心,正如GPS 是美国PNT 的核心一样。

5 结 论

北斗卫星导航“试验系统”, 解决了我国自主卫星导航系统的有无问题。北斗系统建设军民两用的战略决策, 使市场与产业的广泛需求越来越丰富,越来越多样化, 应用与服务需求逐步上升为主要矛盾。成为矛盾的重要方面; 使其发展驱动力从主要来自使命牵引转变为主要来自需求推动, 也就是更多地来自于产业、市场和用户的需求。所以, 多将需求调研作为一个重点, 有助于系统指标体系的重大调整, 使之更加切合实际, 更加实用。可以借鉴, GPS从原先只以“精度、可用性、连续性和完好性”参量为主, 转变为“高精度、可确保的可用性、可控的完好性、抗干扰功率增强、导航担保、增强安全性、后向兼容、系统自生存性”多参量考量, 并且其民用信号由1 个频率变为4 个。此外, Galileo 系统的服务理念、信号编码体制也有创新, 值得参照。在以“用”为主的思路指引下, 大力提升北斗系统用户接收机技术水平和性价比, 是中国PNT 体系核心的核心。


本文转载自专业期刊《电子测量与仪器学报》2010年第12期，如需原文请自行下载。

作者简介:
陈洪卿: 中国科学院研究生院硕士研究生导师，研究方向为高精度授时技术与卫星PNT 应用研究及相关标准化。


金山快盘附件：北斗系统与中国PNT应用平台.pdf（2.05MB）

最近国标委成立国家级北斗卫星导航产品检测机构，这对北斗产品及PNT应用产品的建立了国家认证体系，推动北斗平台建设进入加速阶段。本文针对利用北斗系统建设中国自主PNT（导航、授时、定位）平台进行了介绍，是非常好的科普材料，通过本文我们可以了解到北斗系统的建设对国民经济的发展和保障起到非常关键的作用，PNT系统应用时北斗应用中非常重要的一个领域，相对消费电子产品（智能手机、汽车导航、平板电脑）来说，PNT系统的自主和国产化带来的意义要更为重大。

一、引言：

10 年前, 美国就根据GPS 系统能提供定位、导航、授时(positioning, navigation, and timing — PNT)三大功能及其在国防安全、科技、国家经济/贸易、人们社会生活等多方面应用, 把对GPS 导航系统的断能力; 将原先GPS 部际协调委员会升级为长久性国家级的“国家天基定位、导航和授时执行委员会”—NSPNT (national space-based positioning, Navigationand Timing), 管理美国PNT 系统。国防部和运输部部长(或其代表)担任执委会主席, 成员由国务院、商业部、国土安全部、参谋长联席会议、国家航空航天局(NASA)以及其他相关部、局相同级别的代表组成; 总统行政办公室(包括管理与预算办公室、国家安全委员会、国土安全委员会、科技政策办公室和国家经济委员会)成员, 作为执委会的观察员; 国会联邦通信委员会主席作为执委会的联络员; 执委会下设“国家天基PNT 协调办公室”, 作为参谋/秘书机构。美国的PNT 体系力图能提供实用有效、连续不断的PNT 服务, 满足增长的国家安全、经济、民用、科研和商业的需求, 保持星基PNT 军用优先和
优于他国民用星基PNT 业务的竞争力, 提升美国在星基PNT 应用领域的技术领先地位。PNT 已成为“Positioning, Navigation & Timing”的缩略语。谷歌上搜索PNT, 就能找到大量的关于美国PNT 政策和相关科学技术、工程应用文献。我国有识之士也在卫星授时、定位、导航的科研和工程应用中, 意识到PNT 一体化的内在合理性和技术上的密切相关性, 逐步认识到发展中国自主卫星定位系统, 应提到建设国家PNT 平台的层面上统一筹划。2007 上海国际导航产业与科技发展论坛上, 论坛组委会共同主席, 国家科技部高新司领导在《定位、导航和授时(PNT)——中国近期有关活动进展》报告中指出, 北斗(COMPASS)系统建设将使中国成为能提供全球PNT 服务的国家之一, 中国基于同步通信卫星的区域导航系统CAPS 将为世界提供更多的PNT 选择, 中国加入伽利略计划使欧盟在欧洲之外拓展了潜在的巨大市场, 也给中国带来了更多的PNT 服务选择[2]。严建华在2009 年提出“建立我国陆基定位、导航、授时系统研究”[3-4]。本文抛砖引玉, 拟从推动我国PNT 系统平台建设的角度, 介绍和思考北斗卫星导航系统及其PNT 应用。

二、北斗系统：（截止文献出版日期）

业已建成的“北斗卫星导航试验系统”(一代“北斗”)的基本技术路线源自于卫星通信专家陈芳允院士的“双星定位”设想。2000 年10 月31 日和12月21日发射的两颗定位卫星和2003 年5 月25 日发射的一颗备份卫星组成该系统的空间部分, 与地面控制中心站、标校站以及各类用户终端, 组建成能在中国及其周边区域的定位、授时和短报文通信的北斗卫星导航“试验系统”; 并已在测绘、电信、交通运输、渔业、水文、森林防火和国家安全、救灾应急等诸多领域发挥作用。该系统的服务区域为70°~140°E,5°~55°N。它的定位精度优于20 m, 首次定位比GPS快, 只需几秒钟; 集定位、授时、报文通信(一次最多能发送120 个汉字)的于一体, 能位置报告、态势共享, 同时解决与“何人、何时、何地”相关的“何事”问题。该系统单向授时精度为100 ns, 双向定时精度为20 ns, 比GPS 标准定位业务(SPS)的460 ns 和精密定位业务(PPS)的200 ns 都要高。在北斗“试验系统”基础上, 2007 年4 月13 日成功发射COMPASS 系统第一颗中轨道(MEO-1)卫星,拉开建设北斗“扩展的区域导航系统”帏幕。2009 年4月和2010 年1 月、6 月、10 月又发射了该系统的4颗地球同步轨道(GEO)卫星, 预计在2012 年建成由12 卫星组成的北斗(COMPASS)卫星“扩展区域导航系统”, 其服务区域为为55°~ 180°E, 55°S ~ 55°N。它采用有源与无源定位相结合体制, 兼容北斗“试验系统”的全部功能。它的定位为10 m, 单向授时精度为50 ns, 双向定时精度为10 ns, 测速精度为0.2 m/s。它将为中国及其周边地区的提供定位、导航、授时和短报文通信服务, 并进行组网和试验[5],北斗在建成“扩展的区域导航系统”基础上, 根据发展需要, 逐步扩展, 在2020 年前后建成由5 颗GEO卫星和30 颗非地球同步轨道卫星构成的全球卫星导航定位系统。该系统将提供开放服务和授权服务。开放服务将在服务区内免费提供定位(精度为10 m)、测速(精度为0.2 m/s)、授时(单向精度为50 ns)和短电文通信服务。授权服务将向授权用户提供更安全、精度更高的定位、导航(测速)、授时和通信服务以及系统完好性信息。其性能高于俄罗斯的GLONASS 卫星导航系统, 与美国的第3 代GPS性能相当[6]。

三、北斗及PNT应用

北斗卫星导航系统的关键作用是提供时间/空间参考以及各种与位置相关的实时动态PNT 信息,业已成为国家信息化基础设施。它是高精度、全天时、全天候、陆海空天一体的PNT 最佳手段; 是经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重大技术平台和战略威慑基础资源; 也是建设和谐社会、服务人民大众、提升生活质量的重要工具。它与产业关广泛关联, 与通信产业、网络产业深度融合, 有效地渗透到国民经济诸多领域和人们日常生活, 成为高技术产业高成长的助推器和继移动通信、互联网后的全球电子信息产业的经济新增长点。北斗系统的PNT 应用分述如下：

3.1 在电信网数字同步、移动通信中的应用

北斗系统高精度授时功能, 可以满足电信TDM 业务时间同步要求, 解决网络设备和用户通信设备(如MODEM)交换节点间由于频差和过量漂动而引起的滑帧、滑码问题; 实现SDH 节点同步, 限制指针调整频次; 解决移动通信软切换中RNC(无线网络控制器)与Node B 之间时间不同步而导致邮件指令不匹配、通话连接不能建立等问题。今年6 月, 中国移动通信研究院的高层技术人士撰文指出, “随着移动通信术的发展, 网络对时间同步的要求越来越高。CKMA2000、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、时分长期演进(TD-LTE)基站都需要高精度的时间同步。TD-SCDMA 规定的时间同步指标为±1.5 μs”。在小型化和分布式的移动基站成为主流的3G/4G 网络中, 大量增加的微蜂窝基站和LTE基站都力求更高精度的时间同步, 所以, 中国移动公司在其北斗授时技术规范中, 要求授时精度好于100 ns[7]。通信网单位时间内可容纳的通信信息量(不被堵塞)及其可靠性, 很大程度上依赖同步网精度和可靠性, 各种移动通信制式对时钟频率同步、时间同步的要求如表1 所示。中国各移动通信公司约有30 万个移动通信基站, 都对北斗授时有应用需求。它们。此外, 与移动通信密切相关的位置服务LBS 业务, 也需要配合应用北斗系统PNT 的定位、导航功能, 才能在城郊、乡村等区域有效发挥作用。

3.2 在电力时间同步/监测监控中的应用

电力系统是与时间密切关联的大工业系统。无论电压、电流、相角、功角变化, 都是基于时间轴的函数。现代电网安全运行, 超临界发电机组并网运行,大区域电网互联, 特高压输电, 电网安全稳定运行对以计算机、通信技术为基础的电力自动化监测、监控、调度装置的时间同步提出高要求。要求微机继电保护、事件顺序(SOE)记录、RTU 远动等装置和安全稳定控制系统、能量管理系统(EMS)、电力生产管理系统等都基于统一的标准(参考)时间运行, 以满足实时数据采集时间一致性要求, 确保线路故障测距、相量和功角动态监测、发电机组和电网参数校验的准确性, 提高电网运行效率/可靠性以及对电网事故分析、稳定性控制水平。长期以来, 我国电力企业主要以美国GPS 卫星作为时间同步系统主时钟信号源。2009 年5 月, 英国《每日邮报》报道, 美国警告, GPS 卫星网可能会在2010 年瘫痪, 将对全球依靠GPS 的行业造成致命打击。为此, 国家从战略层面考虑, 提出防患对策。科技部863 项目“自主卫星导航系统精密时间传递关键技术与示范”, 支持“北斗授时单元与时间同步钟及电网应用示范”研究, 推进北斗卫星授时在配电网在线故障定位、智能变电站和电网动态监测中应用。2009 年9 月, 国家正式确立“天地互备,以北斗为主的电力授时体系”。 同时, 编制“电力系统北斗卫星授时应用接口规范和测试规范”国家标准,电力用户可用“北斗标准时间同步钟”按基本式、主从式、主备式方式联网, 组成不同等级的电网时间同步系统, 为各级电力设施和管理提供可靠北斗标准时间, 保证电网运行稳定安全。

北斗系统除为电力提供高精度授时外, 还为输电线路踏勘、抢修、水电站库区地形地质监测、远距离数据传输提供定位、导航和报文通信。

3.3 在金融/计算机网络时间同步中的应用

现代金融行业, 无论银行或证券交易所, 都离不开计算机和计算机联网。单个计算机业务和计算机联网业务, 如银行业务往来的发生时刻、金融交易的准确时刻、E-MAIL 信息、文件创建和访问时间、数据库处理时间、银联卡/账户的密码识别等等, 都涉及银行联网计算机之间的时间同步和频率同步。计算机网中凡是有“日戳”概念的信息都对标准时间标记提出了要求。时间戳在密码系统中保证认证和密钥协商协议中传递消息的新鲜性。网上电子商务不断发展, 在传统信息保密性、身份真实性、内容完整性和数据的不可抵赖性等安全要求之外, 还要解决信息的时效性:
1) 保证信息的时效性, 像商业情报、专利发明等, 由时间戳证明你某一时刻拥有这一信息;
2) 保证操作有时效性, 像竟标、竟拍等, 由时间戳, 可以证明其在某一时刻完成了这项活动。
其他如记录文件安全、审查和监控, 网络错误检查和复原,目录服务, 存取安全与确认, 分散式计算, 预设操作,各网统一到实时UTC 时刻等等, 凡此种种, 北斗系统授时都能满足金融/计算机网络时间同步需求。每年计算机国内销售量以百万台计, 新建的各种计算机网络, 包括全国计算机网、区域网、城市网、局域网、专业网、行业系统网、广域网等, 更是雨后春笋。金融/计算机网络产业与北斗授时关联, 将如虎添翼,安全可靠。

3.4 在广播电视/三网融合中的应用

我国的无线电广播和地面无线电数字电视在组网工作时, 都要求播发信号的频率、发射时间(时刻)严格高精度同步。我国业已实施的国家标准GB20600-2006 《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》(DTMB 标准系统), 要求数字电视地面广播的信号格式是“分层严格绝对时间同步”的,信号结构是周期的, 信道估计采用(相位)相关算法,并与自然时间(UTC 等外部TOD 时间)保持同步, DTMB要求同区域电视网各电视台之间的时间(相位)同步精度优于100 ns。最近国务院决策—广播电视网、电信网、互联网三网融合, 涉及技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合等各个层面。在技术层面, 三网共同的技术基础是数字处理技术、数字编码通信技术。正是数字技术的迅速发展和全面采用, 使电话、数据和图像信号都可以通过统一的编码在三网中进行传输和交换, 所有业务在网络中都将成为统一的“0”或“1”的比特流。要有序地对三网调制在“0”或“1”的比特流上传输的业务信息。

3.5 在渔业、交通运输中的应用

北斗系统的定位、通信功能已在我国海洋渔业寻找作业渔场和防避海事灾难、海盗、海域边界纠纷中发挥重大作用。同样, 海洋运输船舶(规定大于300 吨吨位)也需要使用北斗系统定位导航、报文通信以及指挥调度。火车机车、车皮、列车和危险品化学品的运行调度管理, 特别在高速铁路、高速公路、高速城际交通线上车辆, 与海船一样, 更加需要北斗系统精密位置时间和报文通信支持。北斗系统对于改进交通运输现代化运营方式、丰富工程勘察手段、提高运输服务水平、提升应急和安全保障能力, 提高交通运输信息化、智能化水平, 实现交通运输可持续发展, 促进综合运输体系建设, 都具有十分重要的意义。北京市奥运交通与导航定位信息服务系统, 新疆公众交通卫星导航监控系统, 船舶应用示范系统, 港口高精度实时定位调度控制示范系统, 公路基础设施安全监测系统等示范工程, 显示出北斗系统良好的应用前景。

3.6 在军事、地震、气象、科技等其他多方面的应用

北斗系统在军事国防上有诸多应用是不言而喻的。无论边防巡逻、训练演习、后勤保障、抢险救灾, 或是全军联合作战指挥、全军通信保障、武器平台作战、武器试验、网络信息化、海空军敌我识别, 以及军用通信网/侦察网/预警雷达网、多兵种武器协同作战、时间频率计量测试等等, 都需要北斗系统提供位置导航授时(PNT)和报文通信支持。北斗系统已成为建设信息化军队、打赢信息化战争的重要基础和保证, 已成为军事战斗力的有机组成部分和作战效能倍增器。

我国是个多地震、灾害频发的国家, 有建数以千计的地震台站、气象台站组网监测, 对三峡等水库/大坝、山体滑坡/泥石流等也进行精密监测, 用以预报/预防, 所有与位移、时间(时刻)相关的参量的汇总分析, 均可应用北斗系统提供的时间同步、位置信息、电文通信功能。此外, 北斗系统还能为测绘、科学研究、技术实验、商业物流、建筑工程、森林防火、水文测报、矿藏开发、资源普查、公共安全、生命救助、竞技体育等各行各业提供高精度PNT 和通信服务, 已成为我国新兴产业发展的经济新增长点。

4 北斗系统是中国PNT 体系的核心

在PNT 框架结构下, 卫星导航系统及其产业正在从“以增强军事实力为主”转变为“以增强综合国力为主要应用目的; 从“单一的GPS 时代”转变为“多星座并存兼容的GNSS/PNT 时代”——即“GNSS 泛卫星导航系统”, 包括全球星座、区域星座及相关星基增强系统—— 除GPS、GLONASS、BEIDOU、Galileo4个全球系统及其增强系统(美国的WAAS、欧洲的EGNOS和俄国的SDCM)外, 还包括日本的QZSS(准天顶卫星系统)和MSAS(多功能卫星增强系统)、印度的IRNSS( 印度无线电导航卫星系统) 和GAGAN(GPS 与GEO 静地增强导航)、尼日利亚的NICOMSAT-1 等区域系统/增强系统, 进入全球化、增强多模化; 从“以卫星导航为主”转变为“PNT(定位、导航、授时)与移动通信/网络等多信息载体融合”——充分利用非卫星导航手段, 如蜂窝移动通信(UMTS)网络、WIFI 网络、INTERNET 网络、惯性导航、伪卫星、无线电信标等, 多手段集成, 进入信息融合化、产业一体化; 从“经销产品服务为主”逐步转变为“以运营服务为主”, 进入应用规模化、服务大众化[8]; 旨在形成以GNSS 为主体的PNT 应用服务体系, 真正做到任何时候、任何地方、全时段全空间的无缝服务, 实现产业的全球化、规模化、规范化和大众化发展。在PNT 框架结构大趋势下, 北斗卫星导航系统也将以应用推广和产业发展为战略目标, 建成系统,用好系统, 并遵循如下建设原则:

1) 开放性: 北斗系统建设、发展、应用将对全世界开放, 为全球用户提供免费服务, 与世界各国深入交流合作, 推动卫星导航技术与产业的发展。
2) 自主性: 将自主建设和运行北斗系统, 可独立为全球用户提供服务。
3) 兼容性: 在全球卫星导航系统国际委员会(ICG)、国际电联(ITU)框架下, 北斗系统将与其他卫星导航系统实现兼容与互操作, 使用户能共享卫星导航发展成果。
4) 渐进性: 在建好“区域导航系统”基础上, 积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设, 完善服务质量, 实现各阶段的无缝衔接。
5) 关键性: 北斗系统应是中国PNT 体系的核心,正如GPS 是美国PNT 的核心一样。

5 结 论

北斗卫星导航“试验系统”, 解决了我国自主卫星导航系统的有无问题。北斗系统建设军民两用的战略决策, 使市场与产业的广泛需求越来越丰富,越来越多样化, 应用与服务需求逐步上升为主要矛盾。成为矛盾的重要方面; 使其发展驱动力从主要来自使命牵引转变为主要来自需求推动, 也就是更多地来自于产业、市场和用户的需求。所以, 多将需求调研作为一个重点, 有助于系统指标体系的重大调整, 使之更加切合实际, 更加实用。可以借鉴, GPS从原先只以“精度、可用性、连续性和完好性”参量为主, 转变为“高精度、可确保的可用性、可控的完好性、抗干扰功率增强、导航担保、增强安全性、后向兼容、系统自生存性”多参量考量, 并且其民用信号由1 个频率变为4 个。此外, Galileo 系统的服务理念、信号编码体制也有创新, 值得参照。在以“用”为主的思路指引下, 大力提升北斗系统用户接收机技术水平和性价比, 是中国PNT 体系核心的核心。


本文转载自专业期刊《电子测量与仪器学报》2010年第12期，如需原文请自行下载。

作者简介:
陈洪卿: 中国科学院研究生院硕士研究生导师，研究方向为高精度授时技术与卫星PNT 应用研究及相关标准化。


金山快盘附件：北斗系统与中国PNT应用平台.pdf（2.05MB）