最近，小編辛 ( shang ) 苦 ( ban ) 工 ( mo ) 作 ( yu ) ，突然看到北斗官方新聞，其實(shí)已經(jīng)一個月了，或許應(yīng)該說是舊聞，北斗短報(bào)文或許可以應(yīng)用在手機(jī)上了，相關(guān)芯片已經(jīng)開發(fā)完成了，真是讓人大開眼界。如果真有搭載北斗短報(bào)文的手機(jī)問世，那以后小編如果再流落到什么信號弱的地方（比如實(shí)驗(yàn)室）就不怕了。

今天就讓我們來了解一下這背后的黑科技——比運(yùn)營商都厲害的北斗短報(bào)文服務(wù)。

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北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

說起北斗，想必大家都不陌生了。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ( Beidou Satellite Navigation System, BDS ) 是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施。在交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報(bào)、通信授時(shí)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

北斗系統(tǒng)的發(fā)展，經(jīng)歷了三個階段：2000 年年底，建成北斗一號系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)；2012 年年底，建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；2020 年，建成北斗三號系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)。在 2035 年前還將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)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(wèi)星，外加一顆備用衛(wèi)星，只能說是衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)，這種系統(tǒng)技術(shù)難度小，投資少。

北斗一號定位系統(tǒng)采用有源定位。定位時(shí)接收機(jī)首先需要發(fā)送定位請求信號，衛(wèi)星向服務(wù)區(qū)發(fā)送測距信號，由接收機(jī)做出應(yīng)答，然后再由地面中心站解算出衛(wèi)星與接收機(jī)的距離。這樣我們就得到了接收機(jī)與兩顆衛(wèi)星的距離，但很明顯，這并不足以確定接受機(jī)的位置，于是我們需要給出接收機(jī)的高程數(shù)據(jù)，海拔高程加上地球半徑即為第三個坐標(biāo)值。地面中心站在得到兩個距離后，在中心站儲存的數(shù)字地圖上搜索，尋找符合符合距離條件的點(diǎn)，以確定接收機(jī)的具體位置。

圖源自百度百科

有源定位是衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù) ( Radio Determination Satellite Service,RDSS ) ，指的就是在定位過程中需要接收機(jī)發(fā)射信號，弊端就是隱蔽性差，解算需要時(shí)間，定位精度低。與有源定位對應(yīng)的就是無源定位，就是衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù) ( Radio Navigation Satellite System,RNSS ) ，這里接收機(jī)只需要接受來自衛(wèi)星的信號即可完成定位，我們熟知的 GPS 定位系統(tǒng)以及后面的北斗二號系統(tǒng)和如今的北斗三號系統(tǒng)都是無源定位系統(tǒng)。

02

北斗三號

現(xiàn)如今，我們使用的北斗已經(jīng)來到了第三階段。2020 年 6 月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)正式完成。2020 年 7 月 31 日上午，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，開始為全球用戶提供優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航定位服務(wù)。

當(dāng)前，北斗三號標(biāo)稱星座由 24 顆中地球軌道 ( Medium Earth Orbit，MEO ) 衛(wèi)星、3 顆地球靜止軌道 ( Geosynchronous Earth Orbit，GEO ) 衛(wèi)星以及 3 顆傾斜地球同步軌道 ( Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO ) 衛(wèi)星組成。北斗系統(tǒng)采用北斗坐標(biāo)系 ( BeiDou Coordinate System，BDCS），采用 2000 中國大地坐標(biāo)系 ( China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000 ) 的參考橢球參數(shù)。北斗時(shí) ( BeiDou Time，BDT ) 作為北斗系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，其采用國際單位制 ( SI ) 秒，以 2006 年 1 月 1 日的協(xié)調(diào)世界時(shí) 00 時(shí) 00 分 00 秒作為起始?xì)v元。同時(shí)，BDT 通過 UTC ( NTSC ) 與國際 UTC 建立聯(lián)系。

圖源自百度百科

北斗的主要功能就是定位、授時(shí)。我們在這里就簡單介紹一下衛(wèi)星定位技術(shù)。常見的衛(wèi)星定位技術(shù)有單點(diǎn)定位 ( 絕對定位 ) 和相對定位。單點(diǎn)定位只需要一臺接收機(jī)即可完成定位，而相對定位給出的是兩臺或多臺接收機(jī)的相對位置。我們?nèi)粘２榭吹貓D看看自己在哪用的就是單點(diǎn)定位。相對定位典型的定位方法就是實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位差分技術(shù) ( Real - time kinematic,RTK），篇幅所限，有時(shí)間再講。

03

單點(diǎn)定位

我們簡單介紹一下單點(diǎn)定位常用的偽距測量方法。

接收機(jī)定位時(shí)，會接受來自衛(wèi)星的脈沖信號，信號速度為光速，簡單乘以時(shí)間，就可以得到接收機(jī)與衛(wèi)星的距離。但是！這個時(shí)間不確定。衛(wèi)星和接收機(jī)都是有時(shí)鐘的，理想情況下，我們只需要比較衛(wèi)星發(fā)出信號的時(shí)間與接收機(jī)接收到信號的時(shí)間即可得到信號的傳輸時(shí)間，然而，衛(wèi)星的時(shí)鐘是原子鐘，當(dāng)然是準(zhǔn)確的，可接收機(jī)一般只使用普通的石英鐘，對于定位來說，是非常不準(zhǔn)確的，畢竟信號以光速傳播，極細(xì)微的誤差就可以得到上千米的差錯。

所以實(shí)際定位中，距離的測量存在偏差，這偏差主要來自于接收機(jī)與衛(wèi)星的鐘差。好在這個偏差對于每個衛(wèi)星都是一樣的。我們就可以在測量的時(shí)候考慮這個偏差，我們把這樣的測量結(jié)果稱為偽距，意思就是這樣的距離并不是真正的距離。偽距可以寫成下面的形式：

式中最后一項(xiàng)就是誤差，xsj 為衛(wèi)星坐標(biāo)，xu 為接收機(jī)坐標(biāo)。可以看到偽距測量中有三個坐標(biāo)和鐘差帶來的誤差四個未知數(shù)，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(shí)際距離，ε 為誤差 | 圖源自參考資料

所以實(shí)際定位中，接收機(jī)需要能接收到至少四個衛(wèi)星的信號，求解下面的方程組得到接收機(jī)的坐標(biāo)。

原理到這里很簡單很明了是不是，下面的問題就不簡單了，因?yàn)橄旅婢鸵媾R一個數(shù)學(xué)問題，怎么解這個方程。

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

通常，定位的衛(wèi)星可以播發(fā)兩個頻率的信號，因此，定位時(shí)可以只用其中一個頻率，也可以同時(shí)利用兩個頻率。據(jù)研究，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單頻單點(diǎn)偽距定位精度與其他全球系統(tǒng)差不多，雙頻單點(diǎn)定位精度則略優(yōu)于其他全球系統(tǒng)。

除了鐘差，偽距定位的誤差還來源于衛(wèi)星星歷、電離層延遲、對流層延遲以及多路徑效應(yīng)。衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)行軌道的信息，查看星歷可以得知衛(wèi)星任意時(shí)刻的位置和速度。電離層延遲和對流層延遲是脈沖信號穿過大氣層時(shí)產(chǎn)生的誤差，前者可以通過雙頻信號做出修正。多路徑效應(yīng)則是指接收機(jī)除了接受到來自衛(wèi)星的信號之外，還可能會接受到來自地面或周圍建筑物的反射信號，這些信號可能會發(fā)生干涉，由此產(chǎn)生誤差。

多路徑效應(yīng)示意圖 | 圖源自參考資料

傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位（SPP）一般只能達(dá)到十幾米或幾十米甚至更差的精度，因此并不被認(rèn)為是一種高精度的定位方法。近年來出現(xiàn)的精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）技術(shù)，利用精密衛(wèi)星軌道和精密衛(wèi)星鐘差改正，以及單臺衛(wèi)星接收機(jī)的非差分載波相位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)定位，可以獲得厘米級的精度，因而在衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)界得到了廣泛關(guān)注和重視。

至于差分載波相位定位方法，下次一定。

04

北斗短報(bào)文

終于聊到這里了。北斗短報(bào)文，這可是北斗的特色功能，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都沒有的獨(dú)一份。

北斗短報(bào)文起源于北斗一號，2003 年以來，從北斗一號開始，北斗就采用基于 RDSS 體制為用戶提供短報(bào)文通信服務(wù)，北斗二號仍然繼承了這一體制和服務(wù)。而北斗三號在兼容 RDSS 體制的基礎(chǔ)上，利用 3 顆 GEO 衛(wèi)星，采用廣義 RDSS 體制和RNSS＋短報(bào)文通信體制，升級了短報(bào)文通信服務(wù)。還可以通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)全球短報(bào)文通信。目前，北斗全球短報(bào)文通信業(yè)務(wù)已經(jīng)開通。

全球短報(bào)文通信示意圖 | 圖源自參考資料

這里的 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(jī)向衛(wèi)星發(fā)射信號，因此，北斗一號就可以像國際通信衛(wèi)星一樣完成通信任務(wù)。

而到了北斗三號，我們在定位體制上進(jìn)行了創(chuàng)新。現(xiàn)在用戶仍可以采用廣義 RDSS 體制進(jìn)行定位，接收機(jī)接收一顆 GEO 衛(wèi)星播發(fā)的 RDSS 信號和 RNSS1 信號，同時(shí)接收至少一顆 MEO 或 IGSO 衛(wèi)星的 RNSS2 信號。接收機(jī)通過測量兩個 RNSS 信號之間的時(shí)間差，然后將該參數(shù)通過 GEO 衛(wèi)星發(fā)送給主控站。主控利用這些參數(shù)可進(jìn)行用戶機(jī)位置計(jì)算和雙向定時(shí)。用戶機(jī)可通過 GEO 衛(wèi)星可與主控站進(jìn)行雙向報(bào)文通信。除此以外，用戶也可以利用北斗導(dǎo)航星座的 RNSS 信號進(jìn)行用戶位置解算以及單向授時(shí)。僅利用一顆 GEO 衛(wèi)星的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，進(jìn)行雙向報(bào)文通信。

廣義 RDSS 體制與 RNSS 體制 + 短報(bào)文通信體制示意圖 | 圖源自參考資料

北斗三號的短報(bào)文通信進(jìn)行了升級擴(kuò)展。通信能力大大提升。目前，北斗三號的區(qū)域短報(bào)文通信服務(wù)單次短報(bào)文最大長度為 14000 比特，大約相當(dāng)于 1000 漢字，全球短報(bào)文通信服務(wù)利用 14 顆 MEO 衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的報(bào)文通信服務(wù)，單次短報(bào)文最大長度為 560 比特，大約相當(dāng)于 40 個漢字。終端發(fā)射功率可降低到 3W 以下。短報(bào)文通信成功率也很高，根據(jù)評估，區(qū)域短報(bào)文通信成功率優(yōu)于 99.6%，全球短報(bào)文通信成功率由于 96.46%。當(dāng)然，以上不是民用數(shù)據(jù)。

短報(bào)文通信作為一種天基通信方式，它具備了衛(wèi)星通信的所有優(yōu)點(diǎn)，如全天候、全域廣覆蓋、可靠性高等。

1. 快速響應(yīng)能力，短消息通信時(shí)延約為 0.5s，點(diǎn)對點(diǎn)通信時(shí)延為 1~5ｓ；

2. 通信抗干擾強(qiáng)，同時(shí)采用 S/L 波段衛(wèi)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(shè)備要求低、設(shè)備價(jià)格低、性價(jià)比高。

短報(bào)文的應(yīng)用是非常廣泛的，舉幾個簡單的例子吧。首先是航海和漁業(yè)。之前海上航行一旦出事故主要靠衛(wèi)星電話，但衛(wèi)星電話服務(wù)費(fèi)高，很多小漁船不舍得用，如今也可以用北斗短報(bào)文了，不僅可以通信，還有導(dǎo)航定位服務(wù)；再就是勘測團(tuán)隊(duì)，如果需要去大漠戈壁、深山老林工作，帶一個能發(fā)短報(bào)文的北斗終端，時(shí)刻保證通信想必是非常安心的。

還有一個典型應(yīng)用場景就是搶險(xiǎn)救援，其實(shí)早在汶川地震時(shí)，北斗短報(bào)文就已經(jīng)展露鋒芒了。當(dāng)時(shí)還只是北斗一號，但在震后支離破碎的災(zāi)區(qū)，所有通信設(shè)施遭到毀壞，正是解放軍官兵攜帶北斗終端進(jìn)入災(zāi)區(qū)，不僅能導(dǎo)航定位，更利用短報(bào)文將災(zāi)區(qū)的信息傳遞出來，為后續(xù)指揮提供了重要支撐。

現(xiàn)如今，北斗與各個行業(yè)都在加快融合，小編在寫作時(shí)，查到許多基于北斗的行業(yè)進(jìn)步。北斗，真正的國之重器。

最后，要說回本文的主題，我們?nèi)粘Ｓ玫奖倍犯嗟亩ㄎ粚?dǎo)航服務(wù)，現(xiàn)在的手機(jī)都支持北斗定位了。但短報(bào)文似乎大家也只是聽說過，不過好消息是，以后大家也可以利用手機(jī)使用北斗短報(bào)文了。今年 8 月，國內(nèi)首顆手機(jī)北斗短報(bào)文通信射頻基帶一體化芯片研制成功。該芯片由中國兵器工業(yè)集團(tuán)有限公司聯(lián)合中國移動通信集團(tuán)有限公司、中國電子科技集團(tuán)有限公司以及國產(chǎn)手機(jī)廠商共同研發(fā)攻關(guān)。裝有這一芯片的手機(jī)，可以在不換卡、不換號、不增加外部設(shè)備的情況下，使用北斗系統(tǒng)特有的短報(bào)文服務(wù)。這意味著，用戶可以在緊急情況下通過北斗衛(wèi)星信號傳遞信息，實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)衛(wèi)星通信能力。" 一機(jī)在手，永遠(yuǎn)在線 "

不說了，小編搬磚了，爭取早日用上搭載北斗短報(bào)文的手機(jī)！