鑽石舞台

今天就讓我們來了解一下這背後的黑科技——比運營商都厲害的北斗短報文服務。

說起北斗，想必大家都不陌生了。北斗衛星導航系統(Beidou Satellite Navigation System, BDS)是中國着眼於國家安全和經濟社會發展需要，自主建設運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用。

北斗系統的發展，經歷了三個階段：2000年年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務；2012年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；2020年，建成北斗三號系統，向全球提供服務。在2035年前還將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。

我們先簡單介紹一下早期的北斗。

北斗一號只有兩顆地球同步衛星，外加一顆備用衛星，只能說是衛星無線電定位系統，這種系統技術難度小，投資少。

北斗一號定位系統採用有源定位。定位時接收機首先需要發送定位請求信號，衛星向服務區發送測距信號，由接收機做出應答，然後再由地面中心站解算出衛星與接收機的距離。這樣我們就得到了接收機與兩顆衛星的距離，但很明顯，這並不足以確定接受機的位置，於是我們需要給出接收機的高程數據，海拔高程加上地球半徑即為第三個坐標值。地面中心站在得到兩個距離後，在中心站儲存的數字地圖上搜索，尋找符合符合距離條件的點，以確定接收機的具體位置。

圖源自百度百科

有源定位是衛星無線電測定業務(Radio Determination Satellite Service,RDSS)，指的就是在定位過程中需要接收機發射信號，弊端就是隱蔽性差，解算需要時間，定位精度低。與有源定位對應的就是無源定位，就是衛星無線電導航業務(Radio Navigation Satellite System,RNSS)，這裡接收機只需要接受來自衛星的信號即可完成定位，我們熟知的GPS定位系統以及後面的北斗二號系統和如今的北斗三號系統都是無源定位系統。

現如今，我們使用的北斗已經來到了第三階段。2020 年 6 月，北斗衛星導航系統最後一顆衛星發射成功，北斗系統全球組網正式完成。2020 年 7 月 31 日上午，北斗三號全球衛星導航系統正式開通，開始為全球用戶提供優質的導航定位服務。

當前，北斗三號標稱星座由 24 顆中地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛星、3 顆地球靜止軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)衛星以及 3 顆傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO)衛星組成。北斗系統採用北斗坐標系(BeiDou Coordinate System，BDCS），採用 2000 中國大地坐標系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)的參考橢球參數。北斗時(BeiDou Time，BDT)作為北斗系統的時間基準，其採用國際單位制(SI)秒，以 2006 年 1 月 1 日的協調世界時 00 時 00 分 00 秒作為起始曆元。同時，BDT 通過 UTC(NTSC)與國際 UTC 建立聯繫。

圖源自百度百科

北斗的主要功能就是定位、授時。我們在這裡就簡單介紹一下衛星定位技術。常見的衛星定位技術有單點定位(絕對定位)和相對定位。單點定位只需要一台接收機即可完成定位，而相對定位給出的是兩台或多台接收機的相對位置。我們日常查看地圖看看自己在哪用的就是單點定位。相對定位典型的定位方法就是實時動態載波相位差分技術(Real - time kinematic,RTK），篇幅所限，有時間再講。

我們簡單介紹一下單點定位常用的偽距測量方法。

接收機定位時，會接受來自衛星的脈衝信號，信號速度為光速，簡單乘以時間，就可以得到接收機與衛星的距離。但是！這個時間不確定。衛星和接收機都是有時鐘的，理想情況下，我們只需要比較衛星發出信號的時間與接收機接收到信號的時間即可得到信號的傳輸時間，然而，衛星的時鐘是原子鐘，當然是準確的，可接收機一般只使用普通的石英鐘，對於定位來說，是非常不準確的，畢竟信號以光速傳播，極細微的誤差就可以得到上千米的差錯。

所以實際定位中，距離的測量存在偏差，這偏差主要來自於接收機與衛星的鐘差。好在這個偏差對於每個衛星都是一樣的。我們就可以在測量的時候考慮這個偏差，我們把這樣的測量結果稱為偽距，意思就是這樣的距離並不是真正的距離。偽距可以寫成下面的形式：

式中最後一項就是誤差，xsj為衛星坐標，xu為接收機坐標。可以看到偽距測量中有三個坐標和鐘差帶來的誤差四個未知數，因此想要求解，至少需要四個方程。

偽距測量示意圖，圖中R為實際距離，ε為誤差 | 圖源自參考資料

所以實際定位中，接收機需要能接收到至少四個衛星的信號，求解下面的方程組得到接收機的坐標。

原理到這裡很簡單很明了是不是，下面的問題就不簡單了，因為下面就要面臨一個數學問題，怎麼解這個方程。

這是一個非線性方程，實際定位中，通常會對其進行近似，常用的方法有最小二乘法、卡爾曼濾波法等等，這裡就不展開介紹了，展開更沒人看。

通常，定位的衛星可以播發兩個頻率的信號，因此，定位時可以只用其中一個頻率，也可以同時利用兩個頻率。據研究，北斗衛星導航系統單頻單點偽距定位精度與其他全球系統差不多，雙頻單點定位精度則略優於其他全球系統。

除了鐘差，偽距定位的誤差還來源於衛星星曆、電離層延遲、對流層延遲以及多路徑效應。衛星星曆是描述衛星運行軌道的信息，查看星曆可以得知衛星任意時刻的位置和速度。電離層延遲和對流層延遲是脈衝信號穿過大氣層時產生的誤差，前者可以通過雙頻信號做出修正。多路徑效應則是指接收機除了接受到來自衛星的信號之外，還可能會接受到來自地面或周圍建築物的反射信號，這些信號可能會發生干涉，由此產生誤差。

多路徑效應示意圖 | 圖源自參考資料

傳統的單點定位（SPP）一般只能達到十幾米或幾十米甚至更差的精度，因此並不被認為是一種高精度的定位方法。近年來出現的精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP）技術，利用精密衛星軌道和精密衛星鐘差改正，以及單台衛星接收機的非差分載波相位觀測數據進行單點定位，可以獲得厘米級的精度，因而在衛星導航業界得到了廣泛關注和重視。

至於差分載波相位定位方法，下次一定。

終於聊到這裡了。北斗短報文，這可是北斗的特色功能，其他衛星導航系統都沒有的獨一份。

北斗短報文起源於北斗一號，2003年以來，從北斗一號開始，北斗就採用基於RDSS體制為用戶提供短報文通信服務，北斗二號仍然繼承了這一體制和服務。而北斗三號在兼容RDSS體制的基礎上，利用3顆GEO衛星，採用廣義RDSS體制和RNSS＋短報文通信體制，升級了短報文通信服務。還可以通過星間鏈路實現全球短報文通信。目前，北斗全球短報文通信業務已經開通。

全球短報文通信示意圖 | 圖源自參考資料

這裡的RDSS體制就是上文提到的有源定位體制，RNSS就是無源定位。前面提到，有源定位體制需要接收機向衛星發射信號，因此，北斗一號就可以像國際通信衛星一樣完成通信任務。

而到了北斗三號，我們在定位體制上進行了創新。現在用戶仍可以採用廣義RDSS體制進行定位，接收機接收一顆GEO衛星播發的RDSS信號和RNSS1信號，同時接收至少一顆MEO或IGSO衛星的RNSS2信號。接收機通過測量兩個RNSS信號之間的時間差，然後將該參數通過GEO衛星發送給主控站。主控站利用這些參數可進行用戶機位置計算和雙向定時。用戶機可通過GEO衛星可與主控站進行雙向報文通信。除此以外，用戶也可以利用北斗導航星座的RNSS信號進行用戶位置解算以及單向授時。僅利用一顆GEO衛星的雙向數據傳輸能力，進行雙向報文通信。

廣義RDSS體制與RNSS體制+短報文通信體制示意圖 | 圖源自參考資料

北斗三號的短報文通信進行了升級擴展。通信能力大大提升。目前，北斗三號的區域短報文通信服務單次短報文最大長度為14000比特，大約相當於1000漢字，全球短報文通信服務利用14顆MEO衛星實現覆蓋全球的報文通信服務，單次短報文最大長度為560比特，大約相當於40個漢字。終端發射功率可降低到3W以下。短報文通信成功率也很高，根據評估，區域短報文通信成功率優於99.6%，全球短報文通信成功率由於96.46%。當然，以上不是民用數據。

短報文通信作為一種天基通信方式，它具備了衛星通信的所有優點，如全天候、全域廣覆蓋、可靠性高等。

1. 快速響應能力，短消息通信時延約為0.5s，點對點通信時延為1~5ｓ；

2. 通信抗干擾強，同時採用S/L波段衛星傳輸，可穿透平流層和對流層，可保證極端天氣條件下的通信；

3. 設備要求低、設備價格低、性價比高。

短報文的應用是非常廣泛的，舉幾個簡單的例子吧。首先是航海和漁業。之前海上航行一旦出事故主要靠衛星電話，但衛星電話服務費高，很多小漁船不捨得用，如今也可以用北斗短報文了，不僅可以通信，還有導航定位服務；再就是勘測團隊，如果需要去大漠戈壁、深山老林工作，帶一個能發短報文的北斗終端，時刻保證通信想必是非常安心的。

還有一個典型應用場景就是搶險救援，其實早在汶川地震時，北斗短報文就已經展露鋒芒了。當時還只是北斗一號，但在震後支離破碎的災區，所有通信設施遭到毀壞，正是解放軍官兵攜帶北斗終端進入災區，不僅能導航定位，更利用短報文將災區的信息傳遞出來，為後續指揮提供了重要支撐。

汶川地震中的中國人民解放軍 | 圖源自中國軍網

現如今，北斗與各個行業都在加快融合，小編在寫作時，查到許多基於北斗的行業進步。北斗，真正的國之重器。

最後，要說回本文的主題，我們日常用到北斗更多的定位導航服務，現在的手機都支持北斗定位了。但短報文似乎大家也只是聽說過，不過好消息是，以後大家也可以利用手機使用北斗短報文了。今年8月，國內首顆手機北斗短報文通信射頻基帶一體化芯片研製成功。該芯片由中國兵器工業集團有限公司聯合中國移動通信集團有限公司、中國電子科技集團有限公司以及國產手機廠商共同研發攻關。裝有這一芯片的手機，可以在不換卡、不換號、不增加外部設備的情況下，使用北斗系統特有的短報文服務。這意味着，用戶可以在緊急情況下通過北斗衛星信號傳遞信息，實現了智能手機衛星通信能力。「一機在手，永遠在線」

不說了，小編搬磚了，爭取早日用上搭載北斗短報文的手機！