“北斗”系统运作原理与流程

“北斗”系统运作原理与流程

    “北斗”卫星导航定位系统是全天候、全日时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，所以用户随时都可以接收到卫星广播的询问信号，服务范围以大陆地区为主。其定位原理系采用3球交会测星原理进行定位，以2颗卫星为球心，2球心至用户的距离为半径可画出2个球面另一个球面是以地心为球心，画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面3个球面的交会点即为用户的位置。

    “北斗”卫星导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三部分组成：太空部分有2枚地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括民用网管中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系统的监控管，其中，民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和运行管理；客户端是直接由用户使用的设备，即用户机，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。

    地面控制小心包括主控站、测轨站、测高站、校正站和计算中心。主要用来测量和校正导航定位参数，以便调整卫星的运行轨道、姿态，并编制星历，完成用户定位修正资料和对用户进行定位。简单的说，“北斗”卫星导航定位系统具有快速定位、简短通信和精密授时的三大主要功能。

    快速定位：目的在确定用户地理位置，为用户及主管部门提供导航服务。“北斗”卫星导航定位系统使用的卫星，以快速捕捉信号和传送大量数据见长，从用户发出定位申请，到收到结果，只需1秒钟。而在这1秒钟内，整个系统要完成发送申请信号、上传卫星、经地面控制中心计算出位置，再从卫星将定位信息送返申请用户等流程，而其中快速捕捉信号只用了几毫秒。大陆宣称这项20年前设计的快捕技术，在今天仍属世界最先进的技术。“北斗”卫星导航定位系统水平定位精度为100米，差分定位精度小于20米。定位响应时间：一类用户5秒、二类用户2秒、三类用户1秒。最短定位更新时间小于1秒，一次定位成功率95％。

    简短通信：“北斗”卫星导航定位系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字简讯通信能力。运作流程为地面控制中心接收到用户发送来的响应信号中的通信内容，进行解读后再传送给收件人客户端。一般用户1次可传输36个汉字，经核准的用户可利用连续传送方式最多可传送120个汉字。这种简讯通信服务，GPS无法提供。

    精密授时：“北斗”导航系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，定时传送最新授时信息给客户端，供用户完成与“北斗”卫星导航定位系统间时间差的修正。

    “北斗”卫星导航定位系统的工作步骤如下：

    1．地面控制中心向2枚卫星发送询问信号；

    2．卫星接收到询问信号，经卫星转发器向服务区用户播送询问信号；

    3．用户响应其中1枚卫星的询问信号，并同时向2枚卫星发送回应信号；

    4．卫星收到用户响应信号，经卫星转发器发送回地面控制中心；

    5．地面控制中心收到用户响应信号，解读出用户申请的服务内容；

    6．地面控制中心并利用数值地图计算出用户的三维坐标位置，再将相关信息或通信内容发送到卫星；

    7．卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后，经卫星转发器传送给用户或收件人。

    “北斗”系统的军事用途

“北斗”卫星导航定位系统基本上是以满足商用服务为主，虽然目前军事用途仍有限，不过其仍具有雄厚的军事应用潜力，这也是大陆未来发展重点。理由很简单，虽然大陆卫星导航定位应用近年来发展迅速，但是绝大多数的军民应用范畴都是建立在美国GPS之上。一旦发生战争，美国关闭GPS或加大民用码误差，对大陆而言，后果不堪设想，所以大陆必须末雨绸缪，发展自主的卫星导航定位系统。

    其实“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。不过，因运作方式不同，“北斗”卫星导航定位系统有一些GPS没有的军事功能，其中最重要的就是部队的指挥管制。

    由于“北斗”卫星导航定位系统的简短通信功能可进行“群呼”，如集团用户中心发出的各种指令经“北斗”指挥型用户机上传至“北斗”卫星接着转给地面控制中心，再经出站链路传至“北斗”卫星向目标用户转发，使得集团用户中心可对其下属用户进行指挥调度。另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户知道门己的测定位置，而月-共调度指挥的上层单位或其他有关单位也可得知用户所在位置。

    这项功能用在军事上，意味着可主动进行各级部队的定位，也就是说大陆各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统，除了可供自身定位导航外，高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执行有相当大的助益。换言之，大陆可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。

 “北斗”系统的限制与弱点

    由于“北斗”卫星导航定位系统是双星系统，因此，共用户接收器只能测得二维(平面)的定位数据。用户若位于海平面上，因高度为零，可以直接求得三维(平面和高度)的定位数据；但用户若位于陆地或空中，就需要利用地面控制中心的数值地图资料厍或用户自备的测高仪才能求得用户的高度，并进一步确定用户的三维坐标。若控制中心的数值地图数据库数据不够准确，尤其是要拿到非本国的地理精确数据并不容易，定位出的位置数据就会有问题。

    “北斗”卫星导航定位系统用户的定位申请要送回地面控制中心，经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料之后再发回用户。无线电信号从地面发出，经卫星返回地面的上下行时间约为0．24—0．28秒，从用户接收器应答测距信号到接收定位结果，信号经过两次上下行链路的传送，时间约需0．56秒，加上中心控制系统的计算时间，整个定位时间约需1秒钟，即用户接收器约可在1秒钟完成定位。这1秒的定位时间对飞机、导弹这种高速运动的用户嫌时间长，会加大定位的误差，因此，若要利用“北斗”卫星导航定位系统进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较适合。

    由于“北斗”卫星导航定位系统的客户端耍请求定位服务时，必须发出应答信号，即“有源应答”，如果使用者是军方单位就会使自身失人隐蔽性，且这个定位服务要求的信号也可被敌方定位，而遭致攻击。另外，客户端除了要和卫星一样接收来自地面控制中心的询问信号，也要发出应答信号，因此，整个系统的同一时间内服务用户的数量便受用户可使用的通信频率数量、询问信号速率和用户的响应速率等条件的限制，所以“北斗”卫星导航定位系统的用户设备容量是有限的，每秒钟只能容纳150个用户。虽然每个客户端都有专用识别码，不过一旦被破解，很容易使整个系统被敌人或有心人士以伪冒信号加以饱和，使系统瘫痪或者是传送假信息，迷惑友军。由于“北斗”卫星导航定位系统中地面控制中心扮演着系统关键角色，如：承转卫星信息、解算用户位置等，因此，一旦地而控制中心被毁，整个系统就不能运作了，这也是“北斗”系统的致命伤。

    “北斗”卫星导航定位系统使用的卫星是同步轨道卫星，这意味着落地信号功率很小，因此，用户机需要有较大天线(直径达20厘米)才能接收信号，而且因“有源应答”运作方式，所以，用户机还要包含发射机，因此在体积(普通型用户机长20厘米、宽17．5厘米、高5．2厘米)、重量、耗电量，甚至价格都远比GPS接收机来得大、重、耗电与贵，而且这么大且重的用户机，不要说是装在导弹上，就是单兵使用都是一大负担。

台湾欲反制“北斗”

    反制“北斗”卫星导航定位系统，就像海军反导弹作战一样，可分为“硬杀伤”和“软杀伤”。前者就是直接攻击导航卫星和地面控制中心，不过，因“北斗”系统使用的卫星是同步轨道卫星，轨道高达36000千米，即使是美国也无此攻击能力。不过美国倒是有攻击地面控制中心的能力，美军可以使用巡航导弹，机载防区外攻击武器，或派遣隐形战机、轰炸机，渗透大陆空防育接摧毁地面控制中心，瘫痪整个系统。但台湾的现有军力尚无法对“北斗”系统地面控制中心发动直接攻击。

    至于“软杀伤”，不外乎就是干扰。其实只要是无线电系统都会受到干扰，像天气或太阳黑子活动这种自然因素就会干扰无线电波，这将是台湾反制大陆“北斗”卫星导航定位系统的主要方式。“北斗”系统的卫星虽然远在距地表36 000千米的同步轨道上，但因卫星相对于地球是静止的，所以要干扰并不难。成功干扰同步轨道卫星最近的例子就是2002午大陆“鑫诺”一号卫星被法轮功成员从台湾发射电波予以干扰盖台，“鑫诺”一号是大陆于1998年发射的同步轨道通信卫星，位置在东经110．5度的赤道上空。卫星上有24个C频段转频器和14个KU频段转频器，当时有3个KU频段转频器受到干扰。据了解，法轮功成员是以发射电视载波方式干扰“鑫诺”一号卫星，而组装干扰卫星的发射载波器材技术不难，只要有发射卫星信号能力的电信或广播电视业者(如台湾电视台常用的SNG车)就有干扰能力，但这只是针对一般传统调制方式(QPSK调制)的卫星信号而言，对于“北斗”卫星导航定位系统采用的CDMA技术(分码多任务)，最简单的做法即为全频带扫描干扰。

    由于CDMA是使用扩频技术，扩频系统的主要优点就是具有很强的抗干扰能力，但并非完全无法被干扰。CDMA原理是不同用户使用不同的扩频编码(Spreading Code)来调制，接收器可依不同扩频编码来过滤其它用户信号而取出需要的信息。所以CDMA好比在在一间房间中，同时有一组人用中文交谈，而另一组人用英文交谈，彼此会有干扰的产生，但在中文听者的耳中英文只是较大的噪音而已，并不会影响听中文的辨识能力，因此，可以在同一时间、空间，有多组人用不同语言交谈。但当交谈人数多到一定程度时，彼此距离必须拉近才能听见，此时涵盖率相对降低，容量亦受限制。所谓容量即频宽，“北斗”系统上下传频宽只有16．5兆赫，因此很容易被干扰。

    由于“北斗”卫星导航定位系统的位置、频段、频率等技术参数都是公开信息，如：“北斗”系统3枚卫星的位置分别位为东经80度、140度、110．5度，上传使用L频段，频率为1 610—1 626．5兆赫，下传则为S频段，频率为2 483．5-2 500兆赫。即使“北斗”卫星导航定位系统使用抗干扰能力较强的CDMA扩频技术，甚至有备用频率，仍可使用全频带干扰机针对L和S频段进行全面扫描干扰，目前台湾陆军电子战连即有此干扰能力。