北斗卫星导航应急通信应用研究_王华东

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摘要：本文研究北斗卫星导航应急通信系统在海上船舶监控及海难救助、气象站盲区应急通信传输以及铁路应急通信中的应用，通过北斗短报文通信模块构建终端设备，实现终端与地面应急控制中心通信传输、位置上报、应急调度指挥等。

关键词：北斗导航系统；应急通信
北斗卫星导航应急通信应用研究
+ 王华东 硕士，高级工程师，主要研究方向为计算机应用、卫星应用
引言
在“十二五”规划中，北斗卫星导航被列入战略性新兴产业之一，相关部门针对行业应用发展也制定了卫星导航产业的具体推进措施和目标。

国内卫星导航市场逐步启动，潜力巨大，国内卫星导航应用产业迅速发展。

卫星导航应用和卫星导航技术已经渗透到国家安全、经济建设以及百姓日常生活的几乎所有领域，它正在改变着人们的商业和生活工作方式。

导航卫星系统提供的导航、定位与授时服务正在或已经成为交通、金融、通信、电力等系统高效、稳定、安全运行的重要保证。

经过多年的发展，中国卫星导航应用产业化水平得到不断提升，北斗卫星导航系统已经被广泛应用到国防安全、交通运输、基础测绘、工程勘测、资源调查、地震监测、公共安全与应急管理等国民经济众多领域。

在应急救灾中发挥了重要作用，在突发事件和基础通信设施彻底破坏后，北斗卫星短报文仍能通信畅通，能对中国国土及周边地区内的动、静态用户提供快速定位、应急通信和双向短报文通信服务。

在紧急救援上，基于北斗系统的导航定位、短报文通信及位置报告等功能，实现全国范围的实时救灾、指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务功能，极大地提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。

在2008年南方冰冻灾害、汶川抗震救灾，2010年玉树抗震救灾、舟曲泥石流救灾中，北斗卫星导航系统都大显身手。

北斗的短报文通信功能，让救援部队和指挥部的联系保持顺畅，借助北斗用户机，各重灾乡镇甚至村社都建立了通信联系，在前后方之间架起了有效的信息沟通桥梁保证了整个救灾的指挥调度，在决策、搜救、医疗等工作中发挥了关键作用。

1 北斗卫星导航系统综述
BD-1卫星是全三轴稳定地球同步轨道卫星，其双星定位组网的卫星分别定点在80°E、140°E、110.5°E赤道上空。

覆盖范围是北纬5°~55°，东经70°~140°之间的亚洲心脏地区，其形状为上大下小，最宽处在北纬35°左右。

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（1）工作原理
BD-1导航系统的定位基于3球交会原理，即以2 颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上；中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面；求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的三维位置。

（2） 工作流程
基本工作流程是:首先由中心控制系统向卫星S1 和卫星S2 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2 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。

对定位申请，中心控制系统测出2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2 颗卫星的位置均是已知的，因此由上面2 个延迟量可以算出用户到第1 颗卫星的距离，以及用户到2 颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第1 颗卫星为球心的一个球面，和以2 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，又可知道用户处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。

（3） 主要特点
BD-1卫星导航系统提供2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，定位精度最高可达20 m（标校区内） , 授时精度最高可达20ns ，测速精度为0.2 m/s。

授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务信息。

BD-1系统主要有3 大功能：
1) 快速定位，为服务区域内的用户提供全天候的实时定位服务，定位精度与GPS 民用定位精度相当；
2) 精密授时，精度可达GPS 的水平；
3) 短报文通信，一次可持续传送1680 bit (约120个汉字) 或480个BCD 码的信息。

BD-1不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救和应急通信等。

（4） 时间系统
北斗的时间基准采用北斗时（BDT），BDT是一个连续的时间系统，取国际单位制（SI）秒为基本单
068（CGCS2000），CGCS2000的定义和国际地球参考系统（ITRS）相一致。

CGCS2000的实现称为中国2000地球参考框架（CTRF2000），CTRF2000参考于ITRF97，历元为2000.0。

CTRF2000由三个层次框架点组成。

第一层次：连续运行参考站（28个点）形成CGCS2000的基本骨架，精度约为３mm；第二层次：2000国家GPS大地控制网（2500多个点），精度约为３cm级；第三层次：全国天文大地网（约５0000个点），大地经纬度精度约为0.3ｍ，大地高精度优于0.5ｍ。

CTRF2000第一、二层参考框架与国际地球参考框架（ITRF）的一致性约为几厘米，所以对于大多数用户来说，坐标系精度实现范围内，可以不考虑CTRF2000和ITRF的坐标转换。

2 应急救援应用
（1） 在海上船舶监控及海难救助方面的应用如果将北斗系统广泛投入航海应用，那么就可以充分发挥其导航通信一体化的强大作用，不仅可以减少船舶分别在导航和通信两方面的投入，更为重要的是，可以大大增强船舶远航的安全性。

把远程监控功能引入北斗系统后，作为担负着执法、执勤和维权使命的海警部队，将通过北斗系统的远程监控子系统实时监测本辖区任何装载北斗系统终端的船舶状况，一旦遇到自然灾害、船舶交通事故、病伤员急救、海盗等情况，海警部队即可命令其最便于救助的海上警力或其他救援力量实施救援。

（2） 气象站盲区应急通信传输
近年来，国内不少地区建设了自动气象站，但其中一些自动气象站处于通用分组无线业务/码分多址等网络的通信盲区或通信信号不稳定的地带，无法保证稳定的数据传输。

造成部分资料的丢失，用北斗自动气象监测系统较好地解决了气象数据的远
位，以周和周内秒为单位连续计数，不闰秒，并通过北斗导航电文播发。

BDT起算历元时间为2006年1月1日（星期日）０时０分０秒的协调世界时（UTC），BDT与UTC的时间偏差保持在100ns内，BDT与UTC之间的闰秒信息会在导航电文中播报。

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（5） 坐标系统
北斗坐标系统采用2000中国大地坐标系
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程测报问题。

因为北斗可以提供全天候、全天时和大范围的实时短报文通信，上下行频率采用L、S频段，这不仅能有效避免地面各种噪声的影响而且易穿透对流层、平流层、电离层等外层空间，穿透衰减小。

再加上采用扩频调制和卷积编码，进一步保证了数据的可靠传输。

（3） 在铁路应急通信中应用
随着中国高速铁路运行规模迅速发展，高速铁路运营范围已逐渐由经济发达地区迅速在全国范围内铺开。

伴随着列车时速的提高，对铁路运输安全的关注程度也不断加强，对可能的险情发生后的快速处置也提出了更高的要求，铁路应急通信系统已同数调系统一样成为高速铁路的基础通信设施。

如果在应急通信人员和抢险救灾人员在奔赴应急抢险现场的过程中就能够把行进方位、路线实时发回到应急指挥中心的显示大屏上，而且能够实时把路上人员组织情况、救援物资、车辆分布情况等相关的信息在不依靠其它公共网络的情况下发送到指挥中心，同时指挥中心也能够把欲下达的指令、气象信息、正在酝酿的抢险措施等随时掌握的信息在队伍行进的过程中实时发送到应急通信和抢险人员，无疑对应急通信和抢险过程有很好的促进作用。

北斗导航系统是中国自主研发的卫星导航系统，不受其他国家的控制，是可靠性较高的导航系统，这就更增大了北斗卫星导航系统在铁路应急通信中应用的可能性。

3 技术实现方案
北斗卫星导航应急通信指挥系统集定位、导航、短报文通信功能于一体，由北斗系统、应急中心的指挥型用户机以及短报文指挥调度和GIS系统软件、数据库系统、应急现场的北斗手持式用户机、车载式用户机等组成。

在应急通信现场，为相关应急通信人员配备成熟的
单兵设备、车载设备，为参与现场抢险的救援车配备车载机，完成对现场单兵人员和应急抢险车辆的定位、导航和短信应急通信功能，在现场应急接入设备中内置北斗导航模块，完成现场设备对定位功能和短信收发功能的实现。

在应急中心通信设备上，通过配置基于北斗导航的指挥型用户机设备，并在应急指挥台上开发基于北斗导航系统的具有定位、导航功能的GIS软件和SMS短报文指挥调度等软件模块，也可以结合原有的应急通信有线、无线、3G、卫星等传输网络来完成应急现场与应急中心一体的应急定位、导航功能，增加北斗导航系统所独有的短信息实时调度功能。

基于北斗通信功能的短报文指挥调度界面，显示所属各用户终端上传的短报文信息，并对单个用户或用户群下发指挥调度信息及其他通播信息。

可实现点对点通信、组播通信、实时短信接收、通信查询、预置电文等功能。

应急中心建立基于北斗定位导航系统的应急GIS信息平台，通信平台和GIS信息平台可以起到相辅相成的作用，共同为现场抢险救援工作保驾护航。

GIS平台可
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显示应急救援现场详细地图、救援人员、救援车辆等分布信息；可根据应急现场需要，生成导航路径；可根据北斗终端的定位信息显示不同报警状态；可实现对地图进行放大、缩小、查看等功能；可具有距离量算功能等。

（1） 北斗通信模块
北斗卫星导航应急通信终端输入需要发送的北斗短信息，然后通过RS232标准串口传输给北斗接收发射机，然后北斗接收发射机通过卫星发送给地面控制中心。

北斗通信分为3个步骤：1)通过导航终端发送通信申请，其信号加密后通过卫星转发到地面控制中心站；2) 控制中心站接收通信申请信号，并将获得的信号解密然后再加密，最后发送给用户；3)导航终端收到控制中心的电文后，解调出信号，然后再解密出电文。

通过北斗通信模块，控制中心可以获得位置、速度等信息，然后存储相关信息，方便指挥人员查询分析。

如果遇到紧急情况，控制中心可以发送调度指令，终端获取指令做出紧急调度。

（2） 地理信息系统(GIS)
GIS全称为地理信息系统，是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。

GIS 具有地图显示、图层控制、定位显示等功能。

GIS核心是空间数据库，其中存放的是表示地理信息的空间数据，空间数据是与准确位置的坐标联系在一起的，通过与终端通信获得的位置和状态信息，然后通过地图可以将位置准确的显示出来。

（3） 数据库设计
应急地面控制中心是监控与管理中心，根据应急控制中心所要实现的功能，该数据库主要设计的表单有终端信息、用户信息、报警事件信息、北斗定位数据信息等。

本系统采用SQL Server2008 数据库存储定位及状
态信息，并且存储了大量的地理空间数据，可以方便查询位置及报警记录。

SQL Server 2008能为关键应用程序带来强大的安全特性、可靠性和扩展性。

4 技术优势及有益效果
（1） 稳定的业务服务
北斗卫星导航应急通信系统空间段工作于Ｌ、Ｓ波段，受强降雨、雪、雾等恶劣天气影响而引起的信号衰减效应很小，可以充分保证系统的信号传输不受天气衰减效应影响，系统的处理能力基本满足全天候业务处理需求。

（2） 自主知识产权
北斗系统的知识产权为我国所有，系统运行维护不受国际环境变化的影响并具有很好的加密功能，可以有效保障用户关键业务数据在处理、存储、传输过程中的安全性。

5 结束语
北斗卫星导航应急通信系统安全性高，它的出现为我国灾情信息的采集、灾害应急指挥提供了一个有力的技术支撑手段，该系统既有导航定位功能，又有短报文通信功能，使用该系统不需再建通信链路，不需租用卫星信道，不仅使用方便，而且在我国偏远贫困、通信不通畅的山区进行使用更具有明显的应用优势。

可以预见，北斗卫星导航应急通信系统在我国灾害应急管理领域的应用将推动我国灾害应急管理的现代化水平，提高我国灾害应急决策的科学性、时效性。

参考文献
[1]朱伟康，张建飞，傅俊璐 北斗卫星导航系统在远洋船舶上应用的研究 无线电工程 2008 NO.9
[2]李鹤峰，党亚民，秘金钟，薛树强 北斗卫星导航系统的发展、优势及建议 导航定位学报 2013 NO.2。