【科普】强大的北斗卫星短报文功能

【科普】强大的北斗卫星短报文功能

最近，小编(shang)正在努力(ban)(mo)(yu)，突然看到北斗官方消息。 事实上已经一个月了。 也许应该说是旧闻了。

，北斗短信可能会应用到手机上，而且相关芯片已经研发出来，着实让人大开眼界。 如果一款配备北斗短信的手机问世，那么我住在信号弱的地方（比如实验室）就不会害怕了。

今天，我们就来看看这背后的黑科技——比运营商还强大的北斗短信服务。

01

北斗卫星导航系统

说起北斗，大家一定都不陌生。 北斗卫星导航系统（BDS）是中国围绕国家安全和经济社会发展需要自主建设和运营的全球卫星导航系统。 为全球用户提供全天候、全天候、高精度的定位、导航和授时服务。 国家重要时空基础设施。 已广泛应用于交通运输、农林渔业、水文监测、气象预报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域。

北斗系统的发展经历了三个阶段：2000年底，北斗一号系统建成，为中国提供服务； 2012年底，北斗二号系统建成，为亚太地区提供服务； 2020年，北斗三号系统建成，向全球提供服务。 2035年之前，建成和完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

我们先简单介绍一下早期的北斗。

北斗一号只有两颗地球同步卫星和一颗备份卫星。 只能说是卫星无线电定位系统。 该系统技术难度低，投资少。

北斗一号定位系统采用主动定位。 定位时，接收机首先需要发送定位请求信号，卫星向服务区发送测距信号，接收机做出响应，然后地面中心站计算卫星与接收机之间的距离。 这样我们就得到了接收机到两颗卫星的距离，但是显然这还不足以确定接收机的位置，所以我们需要给出接收机的高度数据。 高度加上地球半径就是第三个坐标值。 地面中心站获得这两个距离后，在中心站存储的数字地图中查找满足距离条件的点，从而确定接收器的具体位置。

图片来自百度百科

主动定位是一种卫星无线电测定服务（Radio，RDSS），这意味着在定位过程中需要接收器发射信号。 缺点是隐蔽性差、解算时间长、定位精度低。 与主动定位相对应的是被动定位，即卫星无线电导航服务（Radio，RNSS）。 这里接收器只需要接收卫星的信号即可完成定位。 我们熟悉GPS定位系统及其背后的北斗二号系统。 现有的北斗三号系统和北斗三号系统都是无源定位系统。

02

北斗三号

如今，我们使用的北斗已经达到了第三阶段。 2020年6月，北斗卫星导航系统最后一颗卫星成功发射，北斗系统全球组网正式建成。 2020年7月31日上午，北斗三号全球卫星导航系统正式启动，开始为全球用户提供高质量的导航定位服务。

目前，北斗三号标称星座由24颗中地球轨道（MEO）卫星、3颗地球静止轨道（GEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（Orbit，IGSO）卫星组成。 北斗系统采用北斗坐标系（BDCS）和中国2000大地坐标系（China 2000，）的参考椭球参数。 北斗时间（BDT）是北斗系统的时间基准。 它采用国际单位制（SI）秒，并以2006年1月1日00:00:00 UTC为起始纪元。 同时，BDT通过UTC（NTSC）与国际UTC建立联系。

图片来自百度百科

北斗的主要功能是定位和授时。 这里我们简单介绍一下卫星定位技术。 常见的卫星定位技术包括单点定位（绝对定位）和相对定位。 单点定位只需要一台接收器即可完成定位，而相对定位则给出两个或多个接收器的相对位置。 我们每天都用单点定位查看地图，看看自己在哪里。 相对定位的典型定位方法是实时动态载波相位差技术（Real-time，RTK）。 由于篇幅所限，我们稍后有时间再讨论这个问题。

03

单点定位

我们简单介绍一下单点定位常用的伪距测量方法。

接收机定位时，会接收来自卫星的脉冲信号。 信号的速度就是光速。 只需将其乘以时间即可得出接收器与卫星之间的距离。 但！ 这次是不确定的。 卫星和接收器都有时钟。 理想情况下，我们只需比较卫星发送信号的时间和接收机接收信号的时间，就可以得到信号传输时间。 不过，卫星的时钟是原子钟，当然是准确的。 是的，接收器一般只使用普通的石英钟，定位非常不准确。 毕竟信号以光速传播，极小的误差就可能导致数千米的误差。

因此，在实际定位中，距离测量存在偏差。 这种偏差主要来自于接收机和卫星之间的时钟差异。 幸运的是，每个卫星的这种偏差都是相同的。 我们在测量时可以考虑这个偏差。 我们将这样的测量结果称为伪距，这意味着这样的距离不是真实的距离。 伪距可以写成以下形式：

公式中最后一项是误差，xsj 是卫星坐标，xu 是接收机坐标。 可见，伪距测量中由于时钟误差引起的误差，存在三个坐标和四个未知数。 因此，至少需要四个方程来求解。

伪距测量示意图。 图中，R为实际距离，ε为误差| 该图来源于参考资料

因此，在实际定位中，接收机需要能够接收至少四颗卫星的信号，通过求解下面这组方程即可得到接收机的坐标。

这里的原理是不是很简单明了呢？ 接下来的问题就不简单了，因为接下来我们将面临一个数学问题，如何解这个方程。

这是一个非线性方程。 在实际定位中，通常是近似的。 常用的方法有最小二乘法、卡尔曼滤波法等，这里就不介绍了，展开也不会有人看到。

通常，定位卫星可以广播两个频率的信号。 因此，可以仅使用其中一个频率进行定位，也可以同时使用两个频率进行定位。 据研究，北斗卫星导航系统单频单点伪距定位精度与其他全球系统相近，而双频单点定位精度略优于其他全球系统。

除时钟误差外，伪距定位误差还来自卫星星历、电离层延迟、对流层延迟和多径效应等。 卫星星历是描述卫星轨道的信息。 通过查看星历，您可以随时了解卫星的位置和速度。 电离层延迟和对流层延迟是脉冲信号穿过大气层引起的误差。 前者可以通过双频信号进行校正。 多径效应意味着接收器除了接收来自卫星的信号外，还可能接收来自地面或周围建筑物的反射信号。 这些信号可能会干扰，从而导致错误。

多径效应示意图| 图表来源于参考资料

传统的单点定位（SPP）一般只能达到十几米、几十米甚至更差的精度，因此不被认为是高精度的定位方法。 近年来出现的精密单点定位（Point，PPP）技术利用精密卫星轨道和精密卫星钟改正，以及单个卫星接收机的非差分载波相位观测数据进行单点定位，可以达到厘米级- 级精度。 ，从而受到卫星导航行业的广泛关注和重视。

至于差分载波相位定位方式，我下次一定会这么做。

04

北斗短信

谈话终于说到这里了。 北斗短报文是北斗独有的功能，是其他卫星导航系统所不具备的。

北斗短消息起源于北斗一号。2003年以来，从北斗一号开始，北斗采用RDSS系统为用户提供短消息通信服务。 北斗二号仍然继承了这一系统和服务。 北斗三号在兼容RDSS系统的基础上，采用3颗GEO卫星，采用通用RDSS系统和RNSS+短报文通信系统，对短报文通信业务进行升级。 还可以通过星间链路实现全球短消息通信。 目前，北斗全球短信通信服务已上线。

全球短信通讯示意图| 图表来源于参考资料

这里的RDSS系统就是上面提到的主动定位系统，RNSS就是被动定位。 如前所述，主动定位系统需要接收器向卫星传输信号。 因此，北斗一号可以像国际通信卫星一样完成通信任务。

北斗三号，我们在定位系统上做了创新。 现在用户仍然可以使用通用的RDSS系统进行定位。 接收器接收GEO卫星广播的RDSS信号和RNSS1信号，并同时接收至少一颗MEO或IGSO卫星的RNSS2信号。 接收器测量两个RNSS信号之间的时间差，然后通过GEO卫星将该参数发送到主控站。 主控站可以利用这些参数来计算用户计算机的位置并进行双向授时。 用户计算机可通过GEO卫星与主控站进行双向消息通信。 此外，用户还可以利用北斗导航星座的RNSS信号进行用户位置计算和单向授时。 仅利用一颗GEO卫星的双向数据传输能力进行双向消息通信。

广义RDSS系统和RNSS系统+短信通信系统示意图| 图来自参考资料

北斗三号短报文通信进行了升级和扩展。 沟通能力大大提高。 目前，北斗三号区域短消息通信服务单条短消息最大长度为14000比特，约相当于1000个汉字。 全球短报文通信服务利用14颗MEO卫星实现报文通信服务全球覆盖。 子短消息的最大长度为560位，大约相当于40个汉字。 终端发射功率可降至3W以下。 短信沟通的成功率也很高。 据评估，区域短信通信成功率优于99.6%，全球短信通信成功率为96.46%。 当然，以上并不是民间数据。

短报文通信作为一种天基通信方式，具有卫星通信的所有优点，如全天候、覆盖范围广、可靠性高等。

1、快速响应能力，短消息通信延时0.5s左右，点对点通信延时1~5s；

2、通信抗干扰性强，采用S/L频段卫星传输，可穿透平流层、对流层，保证极端天气条件下的通信；

3、设备要求低，设备价格低，性价比高。

短信的应用非常广泛。 让我们举几个简单的例子。 首先是航海和钓鱼。 过去，海上航行一旦发生事故，主要依靠卫星电话。 但卫星电话资费较高，很多小渔船不愿意使用。 如今，北斗短信也能用了，不仅可以通讯，还可以做导航定位服务； 然后是调查小组。 如果你需要在戈壁滩或者深山老林里工作，带上一个可以发送短信保证随时通讯的北斗终端一定很放心。

另一个典型的应用场景是应急救援。 事实上，早在汶川地震时，北斗短信就已经显示出其优势。 当时只有北斗一号，但在震后支离破碎的灾区，所有通讯设施都被摧毁。 携带北斗终端进入灾区的是解放军战士。 他们不仅可以导航定位，还可以利用短信传递灾区的信息。 随后的指挥提供了重要的支持。

汶川地震中的中国人民解放军| 图片来自中国军事网

如今，北斗正在加速与各行业融合。 小编在写的时候，发现了很多基于北斗的行业进步。 北斗，真正的国家重要武器。

最后回到本文的主题，我们每天使用的北斗定位导航服务越来越多。 现在所有手机都支持北斗定位。 但似乎大家都只听说过短信，不过好消息是，未来大家也可以在手机上使用北斗短信了。 今年8月，我国首款手机北斗短信通信射频基带集成芯片研制成功。 该芯片由中国兵器工业集团有限公司、中国移动通信集团有限公司、中国电子科技集团有限公司与国内手机厂商联合研发。 搭载该芯片的手机无需换卡、无需换号、无需添加外部设备，即可使用北斗系统特有的短信服务。 这意味着用户可以在紧急情况下通过北斗卫星信号传输信息，实现智能手机的卫星通信能力。 “一机在手，永远在线”

话不多说，小编继续前进，争取早日用上配备北斗短信的手机！