• #北斗
• #短报文
• #北斗短报文
• #通信

最近，小编辛(shang)苦(ban)工(mo)作(yu)，突然看到北斗官方新闻，其实已经一个月了，或许应该说是旧闻 ，北斗短报文或许可以应用在手机上了，相关芯片已经开发完成了，真是让人大开眼界。如果真有搭载北斗短报文的手机问世，那以后小编如果再流落到什么信号弱的地方（比如实验室）就不怕了。

今天就让我们来了解一下这背后的黑科技——比运营商都厉害的北斗短报文服务。

01

北斗卫星导航系统

✦

说起北斗，想必大家都不陌生了。北斗卫星导航系统(Beidou Satellite Navigation System, BDS)是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用。

北斗系统的发展，经历了三个阶段：2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年，建成北斗三号系统，向全球提供服务。在2035年前还将建设完善更加泛在、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，外加一颗备用卫星，只能说是卫星无线电定位系统，这种系统技术难度小，投资少。

北斗一号定位系统采用有源定位。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，由接收机做出应答，然后再由地面中心站解算出卫星与接收机的距离。这样我们就得到了接收机与两颗卫星的距离，但很明显，这并不足以确定接受机的位置，于是我们需要给出接收机的高程数据，海拔高程加上地球半径即为第三个坐标值。地面中心站在得到两个距离后，在中心站储存的数字地图上搜索，寻找符合符合距离条件的点，以确定接收机的具体位置。

图源自百度百科

有源定位是卫星无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service,RDSS)，指的就是在定位过程中需要接收机发射信号，弊端就是隐蔽性差，解算需要时间，定位精度低。与有源定位对应的就是无源定位，就是卫星无线电导航业务(Radio Navigation Satellite System,RNSS) ，这里接收机只需要接受来自卫星的信号即可完成定位，我们熟知的GPS定位系统以及后面的北斗二号系统和如今的北斗三号系统都是无源定位系统。

02

北斗三号

✦

现如今，我们使用的北斗已经来到了第三阶段。2020 年 6 月，北斗卫星导航系统最后一颗卫星发射成功，北斗系统全球组网正式完成。2020 年 7 月 31 日上午，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，开始为全球用户提供优质的导航定位服务。

当前，北斗三号标称星座由 24 颗中地球轨道(Medium Earth Orbit，MEO)卫星、3 颗地球静止轨道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)卫星以及 3 颗倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO)卫星组成。北斗系统采用北斗坐标系(BeiDou Coordinate System，BDCS），采用 2000 中国大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)的参考椭球参数。北斗时(BeiDou Time，BDT)作为北斗系统的时间基准，其采用国际单位制(SI)秒，以 2006 年 1 月 1 日的协调世界时 00 时 00 分 00 秒作为起始历元。同时，BDT 通过 UTC(NTSC)与国际 UTC 建立联系。

图源自百度百科

北斗的主要功能就是定位、授时。我们在这里就简单介绍一下卫星定位技术。常见的卫星定位技术有单点定位(绝对定位)和相对定位。单点定位只需要一台接收机即可完成定位，而相对定位给出的是两台或多台接收机的相对位置。我们日常查看地图看看自己在哪用的就是单点定位。相对定位典型的定位方法就是实时动态载波相位差分技术(Real - time kinematic,RTK），篇幅所限，有时间再讲。 

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，会接受来自卫星的脉冲信号，信号速度为光速，简单乘以时间，就可以得到接收机与卫星的距离。但是！这个时间不确定。卫星和接收机都是有时钟的，理想情况下，我们只需要比较卫星发出信号的时间与接收机接收到信号的时间即可得到信号的传输时间，然而，卫星的时钟是原子钟，当然是准确的，可接收机一般只使用普通的石英钟，对于定位来说，是非常不准确的，毕竟信号以光速传播，极细微的误差就可以得到上千米的差错。

所以实际定位中，距离的测量存在偏差，这偏差主要来自于接收机与卫星的钟差。好在这个偏差对于每个卫星都是一样的。我们就可以在测量的时候考虑这个偏差，我们把这样的测量结果称为伪距，意思就是这样的距离并不是真正的距离。伪距可以写成下面的形式：

式中最后一项就是误差，xsj为卫星坐标，xu为接收机坐标。可以看到伪距测量中有三个坐标和钟差带来的误差四个未知数，因此想要求解，至少需要四个方程。

伪距测量示意图，图中R为实际距离，ε为误差 | 图源自参考资料

所以实际定位中，接收机需要能接收到至少四个卫星的信号，求解下面的方程组得到接收机的坐标。

原理到这里很简单很明了是不是，下面的问题就不简单了，因为下面就要面临一个数学问题，怎么解这个方程。

这是一个非线性方程，实际定位中，通常会对其进行近似，常用的方法有最小二乘法、卡尔曼滤波法等等，这里就不展开介绍了，展开更没人看。

通常，定位的卫星可以播发两个频率的信号，因此，定位时可以只用其中一个频率，也可以同时利用两个频率。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差不多，双频单点定位精度则略优于其他全球系统。

除了钟差，伪距定位的误差还来源于卫星星历、电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应。卫星星历是描述卫星运行轨道的信息，查看星历可以得知卫星任意时刻的位置和速度。电离层延迟和对流层延迟是脉冲信号穿过大气层时产生的误差，前者可以通过双频信号做出修正。多路径效应则是指接收机除了接受到来自卫星的信号之外，还可能会接受到来自地面或周围建筑物的反射信号，这些信号可能会发生干涉，由此产生误差。

多路径效应示意图 | 图源自参考资料

传统的单点定位（SPP）一般只能达到十几米或几十米甚至更差的精度，因此并不被认为是一种高精度的定位方法。近年来出现的精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）技术，利用精密卫星轨道和精密卫星钟差改正，以及单台卫星接收机的非差分载波相位观测数据进行单点定位，可以获得厘米级的精度，因而在卫星导航业界得到了广泛关注和重视。

至于差分载波相位定位方法，下次一定。

04

北斗短报文

✦

终于聊到这里了。北斗短报文，这可是北斗的特色功能，其他卫星导航系统都没有的独一份。

北斗短报文起源于北斗一号，2003年以来，从北斗一号开始，北斗就采用基于RDSS体制为用户提供短报文通信服务，北斗二号仍然继承了这一体制和服务。而北斗三号在兼容RDSS体制的基础上，利用3颗GEO卫星，采用广义RDSS体制和RNSS＋短报文通信体制，升级了短报文通信服务。还可以通过星间链路实现全球短报文通信。目前，北斗全球短报文通信业务已经开通。

全球短报文通信示意图 | 图源自参考资料

这里的RDSS体制就是上文提到的有源定位体制，RNSS就是无源定位。前面提到，有源定位体制需要接收机向卫星发射信号，因此，北斗一号就可以像国际通信卫星一样完成通信任务。

而到了北斗三号，我们在定位体制上进行了创新。现在用户仍可以采用广义RDSS体制进行定位，接收机接收一颗GEO卫星播发的RDSS信号和RNSS1信号，同时接收至少一颗MEO或IGSO卫星的RNSS2信号。接收机通过测量两个RNSS信号之间的时间差，然后将该参数通过GEO卫星发送给主控站。主控站利用这些参数可进行用户机位置计算和双向定时。用户机可通过GEO卫星可与主控站进行双向报文通信。除此以外，用户也可以利用北斗导航星座的RNSS信号进行用户位置解算以及单向授时。仅利用一颗GEO卫星的双向数据传输能力，进行双向报文通信。

广义RDSS体制与RNSS体制+短报文通信体制示意图 | 图源自参考资料

北斗三号的短报文通信进行了升级扩展。通信能力大大提升。目前，北斗三号的区域短报文通信服务单次短报文最大长度为14000比特，大约相当于1000汉字，全球短报文通信服务利用14颗MEO卫星实现覆盖全球的报文通信服务，单次短报文最大长度为560比特，大约相当于40个汉字。终端发射功率可降低到3W以下。短报文通信成功率也很高，根据评估，区域短报文通信成功率优于99.6%，全球短报文通信成功率由于96.46%。当然，以上不是民用数据。

短报文通信作为一种天基通信方式，它具备了卫星通信的所有优点，如全天候、全域广覆盖、可靠性高等。

    1. 快速响应能力，短消息通信时延约为0.5s，点对点通信时延为1~5ｓ；

    2. 通信抗干扰强，同时采用S/L波段卫星传输，可穿透平流层和对流层，可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。

短报文的应用是非常广泛的，举几个简单的例子吧。首先是航海和渔业。之前海上航行一旦出事故主要靠卫星电话，但卫星电话服务费高，很多小渔船不舍得用，如今也可以用北斗短报文了，不仅可以通信，还有导航定位服务；再就是勘测团队，如果需要去大漠戈壁、深山老林工作，带一个能发短报文的北斗终端，时刻保证通信想必是非常安心的。

还有一个典型应用场景就是抢险救援，其实早在汶川地震时，北斗短报文就已经展露锋芒了。当时还只是北斗一号，但在震后支离破碎的灾区，所有通信设施遭到毁坏，正是解放军官兵携带北斗终端进入灾区，不仅能导航定位，更利用短报文将灾区的信息传递出来，为后续指挥提供了重要支撑。

汶川地震中的中国人民解放军 | 图源自中国军网

现如今，北斗与各个行业都在加快融合，小编在写作时，查到许多基于北斗的行业进步。北斗，真正的国之重器。

最后，要说回本文的主题，我们日常用到北斗更多的定位导航服务，现在的手机都支持北斗定位了。但短报文似乎大家也只是听说过，不过好消息是，以后大家也可以利用手机使用北斗短报文了。今年8月，国内首颗手机北斗短报文通信射频基带一体化芯片研制成功。该芯片由中国兵器工业集团有限公司联合中国移动通信集团有限公司、中国电子科技集团有限公司以及国产手机厂商共同研发攻关。装有这一芯片的手机，可以在不换卡、不换号、不增加外部设备的情况下，使用北斗系统特有的短报文服务。这意味着，用户可以在紧急情况下通过北斗卫星信号传递信息，实现了智能手机卫星通信能力。“一机在手，永远在线”

不说了，小编搬砖了，争取早日用上搭载北斗短报文的手机！

参考资料：

[1]张莱.[北斗]系统可以实现无源定位吗?[J].兵器知识,2005(09):37-39.

[2]蔡洪亮,孟轶男,耿长江,高为广,张天桥,李罡,邵搏,辛洁,卢红洋,毛悦,袁海波,刘成,胡小工,楼益栋.北斗三号全球导航卫星系统服务性能评估：定位导航授时、星基增强、精密单点定位、短报文通信与国际搜救[J].测绘学报,2021,50(04):427-435.

[3]王腾辉. 北斗与5G联合定位方法研究[D].中国科学院大学(中国科学院国家授时中心),2021.

[4]卫吉祥. 北斗卫星导航系统精确定位方法研究[D].合肥工业大学,2021.

单点定位和相对定位

卫星导航精密单点定位（PPP）技术 (beidou.gov.cn)

【技术点·航天】北斗三号的区域短报文通信服务 

短报文之于北斗 

重磅｜全球首创！北斗三号短报文通信服务成果正式发布