CN101083501A - 基于时间位置和状态信息的导航通信一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明基于时间位置和状态信息的导航通信一体化系统，涉及空间定位和通信技术领域，该系统采用配备大口径天线的系统通信中心站作为中继，能够支持导航终端的信息回传业务，同时也能支持通信中心站的广播业务。即使在地面通信网络无法覆盖的区域内，利用转发式卫星导航系统自身的卫星资源，也能够很好地完成导航通信一体化的系统功能，能够精确确定在世界上任何地方的用户位置，是转发式卫星导航系统的有效补充，尤其适用于远洋航行和内陆无人区的作战、科考、探险等场合应用。

Description

基于时间位置和状态信息的导航通信一体化系统

技术领域

本发明涉及空间技术领域，是利用导航系统本身资源实现通信功能的一种系统设计，特别是一种基于时间位置和状态信息的导航通信一体化系统。

背景技术

目前的卫星导航系统只具有导航、定位、授时功能，而实际上导航用户在定位的同时需要将信息传送出去，也需要获取一些需要的信息，然而这些需求系统本身则无法实现，例如向中心报告用户的位置、接收中心向用户下达的命令等业务需求。传统的办法就是将导航定位系统与其他的通信系统相结合来完成上述功能，如卫星定位系统(GPS)与地面移动通信相结合以满足用户的通信需求。但是对于军用用户，海上舰艇、荒漠戈壁等环境大多是没有地面网络覆盖的区域，在这些区域，现有系统并不能有效地满足用户的迫切而且是关乎国防安危的需求。

北斗导航定位系统同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持，北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。但由于需要在中心站计算出用户位置，用户必须进行无线电发射，因此很容易被别人侦察。也正是因为这种主动式定位方式，系统容量小，限制了用户的数量，不能及时传输，所以无法满足军事需求。

从民用需求来讲，导航和通信的结合也是大势所趋。20世纪90年代美国的一项统计表明，约40％的911紧急呼叫来自移动电话。在实际情况中，绝大多数911呼叫者往往由于对当地环境的不熟悉或特殊限制而无法告知急救中心其确切位置，从而耽误了急救时间，造成不必要的损失。为了进一步改善公众安全系统，美国联邦通信委员会(FCC，FederalCommunication Committee)于1996年6月正式将移动电话定位列为其增强型应急救急系统(E911)实施的强制规范。美国联邦通信委员会规定，到2001年10月，所有的移动网络运营商必须以67％的概率和125米的精度，定位所有的911呼叫。本世纪初，欧洲的E112也提出了同样的带有一定倾向性的要求。相信不久的将来，我国的110和目前正悄然兴起的社会应急联动系统也都会把位置信息列入报警的服务标准之中，这无疑大大促进了卫星导航与通信的融合。卫星导航应用的两大外围基础，一个是电子地图，另一个便是无线通信，尤其是蜂窝通信。而移动位置服务概念发展的过程中，人们逐步认识到，单纯依靠网络定位方法，还不如同时利用卫星导航能力，即利用卫星定位系统(GPS)等系统配合，形成AGPS(辅助GPS技术)等的应用模式，这样会大大减轻网络需要更新改造的大额投资，并确保获得较高精度，且可以很快投入实施。用户位置信息通常是由专门的定位技术来实现的，例如蜂窝基站号(Cell ID)技术、蜂窝网络协助GPS/AGPS(Assisted GPS)技术、增强观测时间差(E-OTD，Enhanced-Observed Time Difference)技术等，通常为了应用这些技术必须对网络或移动电话，甚至两者都要进行改动。定位操作平台主要负责通过各种定位技术来获得终端的经纬度信息。

转发式卫星导航系统(CAPS)是一种新研发的卫星导航系统，可参阅发明专利(专利申请号200410046064.1)，信号上行经6颗商用同步轨道卫星和3-4颗倾斜轨道卫星，经转发下行广播给用户，从而实现用户的导航定位。目前为实现导航定位功能，系统所使用的都是每颗通信卫星的部分转发器，特别是退役卫星的使用，仅使用了其中的一小部分转发器，而寿命末期或退役的通信卫星由于其姿态控制只实施经度方向上的控制，不作纬度方向控制，使卫星使用寿命延长10倍。这时转发器还能正常工作，但已不再适用于常规的卫星通信系统，转发器资源十分丰富，因此与基于GPS系统的位置通信系统不同，本发明所设计的导航通信一体化网络可以基于这些退役星的转发器资源进行设计，实现导航功能和通信功能的完美结合。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于时间位置和状态信息的导航通信一体化系统，利用退役同步通信卫星的军用导航通信一体化系统，在地面网络无法有效覆盖的情况下，能满足导航终端与中心站间的双向信息传递，能够精确确定在世界上任何地方的用户位置。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种基于时间位置和状态信息的导航通信一体化系统，其包括：

转发式卫星导航系统，包括至少一个转发式通信卫星，以通信卫星的剩余转发器为空间段资源，建立一个低速率的数据通信网络；

系统通信中心，具有10-12米口径的天线，有自动跟踪或简易自动跟踪控制能力，圆极化馈源，通信机有较强的数据处理和收发能力；作为整个系统的通信业务中心，完成终端定位信息回传的接收和指令信息的广播传输与转移传输服务，也是各用户中心间数据、话音卫星通信网络的构成部分；

用户终端，为固定终端或移动终端；

转发式卫星导航系统的通信卫星，分别与系统通信中心和用户终端之间实施信息回传和广播的双向通信功能，使转发式卫星导航系统用户能获得高的导航精度的同时，获得系统指令信息；在地面通信网络有效覆盖的区域，回传信息由地面网络汇总后打包上星；而在地面通信网络不能有效覆盖的区域，回传信息由通信用户终端直接上星。

所述的一体化系统，其所述用户终端的固定终端，为固定卫星接收站；移动终端，为车载终端、船载终端或手持终端。

所述的一体化系统，其所述地面网络，为固定卫星接收站与移动接收发机组成的地面移动网络。

所述的一体化系统，其还包括：

用户中心，为一种系统应用或几种应用的业务中心，以地面光纤网络与系统通信中心通信连接；与转发式卫星导航系统的转发器通信卫星和用户手持终端之间，实施信息回传的双向通信功能；

用户终端在自身定位后，将其定位信息传输给用户中心，用户中心通过各种无线传输渠道将指令信息传输给指定的某个或多个用户终端；

所述的一体化系统，其所述用户终端中的车载、船载或手持类型终端，使用全向天线直接发射上星信号的终端，其发射功率＞10W，支持50～100波特的报文通信；对于工作地点相对固定的应用场合，使用20dB以下的增益天线，并根据天线具体增益相应降低发射功率。

所述的一体化系统，其所述用户终端中，直接发射上星信号的终端，采用FDM+CDMA的技术体制，在各个载波上实行码分多址方式，并对用户分配不同的时序序列，以增加系统的通信容量。

所述的一体化系统，其所述转发器通信卫星，采用各类通信卫星，包括退役通信卫星。

本发明的系统特别适宜于通信终端的天线是“全向的”或“弱方向性的”，以及不加跟踪装置或简易的在一个自由度上跟踪卫星的通信终端的应用。

本发明的系统能够很好地完成导航通信一体化的系统功能，能够精确确定在世界上任何地方的用户位置，是转发式卫星导航系统的有效补充，尤其适用于远洋航行和内陆无人区的作战、科考、探险等应用场合。

附图说明

图1是本发明基于时间位置和状态信息的导航通信一体化系统架构示意图。

具体实施方式

物流车辆管理、战场评估、弹着点报告、作战指挥、单兵广播信息等属于这类系统。该系统分为终端回传系统(称为“入局”或“入向”链路)、广播通信链路(称为“出局”或“出向”链路)，系统结构图1所示。

从设备组成上看，系统由空间段、通信中心、用户中心和用户终端组成。

空间段资源：采用各类通信卫星，但采用退役星(专利申请号：200610055909.2)使系统建设和运行成本大幅度下降。以CAPS退役通信卫星的剩余转发器为空间段资源，建立一个低速率的数据通信网络。

通信中心：建有10-12米口径的天线，有自动跟踪或简易自动跟踪控制能力，圆极化馈源，系统有较强的数据处理能力和收发能力。

系统的通信中心可以和系统导航中心共处一地，共用天馈线和射频系统，也可以在异地另行建设。该中心作为整个系统的通信业务中心，完成终端定位信息回传的接收和指令信息的广播传输与转移传输服务，该中心也将是各用户中心间数据、话音卫星通信网络的重要一员。

考虑到系统应用的卫星资源为逐渐进入倾斜轨道的残值卫星，故通信中心的地面站的天馈线系统均采用具有伺服跟踪功能。

用户中心：用户中心为一种系统应用或几种应用的业务中心。终端在确定自身定位后，通过系统通信中心将其定位信息转发给用户中心；用户中心可以通过各种有线或无线传输渠道将指令信息传输给指定的某个或多个终端。

考虑到系统应用的卫星资源为进入逐渐进入倾斜轨道的残值卫星，故用户中心的地面站或车载站的天馈线系统均采用具有伺服跟踪功能。

用户终端：具有通信功能的用户终端指具有简短报文上行能力的终端，发射功率10W以上，支持简单低速率50bps的报文通信。用户终端从功能上可以分为以下3种：

1)单发型用户

发送回传短报文信息

2)单收型用户

接收由通信站发送并经卫星转发的报文

3)收发型用户

接收由通信站发送并经卫星转发的报文

发送回传短报文信息

从终端的载体上分又可以分为车载型，船载型，固定型，手持性4种，满足不同场合的应用需求。

根据用户终端采用的天线的不同类型，系统的通信能力有所不同：

1)导航定位终端的回传(入局)系统I，通信终端的天线方向图是“半球形”的，发射功率10W量级，可传送的信息速率在50-100波特。

2)导航定位终端的回传(入局)系统II，通信终端的天线方向图是“扇面形”的。发射功率10W或数瓦量级，可传送的信息速率为数百波特至数千波特。

3)单兵广播系统I(出局)，通信终端的天线方向图是“半球”型的。

如果这种业务是纯广播业务的上行站，设在系统用户端，不必集中到通信中心站。一个转发器的通信传输能力在50-100波特。

4)单兵广播系统II(出局)通信终端的天线方向性是“扇面的”(如10°×30°)。天线增益10dB～15dB，仰角方向按工作地点的纬度确定，方向指向作适当调整。如果是与入局系统II配合使用，则天线收、发功能在一个天线上实现，一个转发器的信息传输能力，可达到1K波特。

1终端回传通信子系统

终端信息回传通信是通信系统要完成的首要任务。其工作模式有：

●对于高速飞行导弹而言，仅在落地前发射一次或几次突发信息载波；

●对于车载和船载终端而言，由于其供电充足，隐蔽性要求相对较低，故可以按照需要采用连续发射方式、定时发射方式、指令发射方式(终端得到用户中心指令后发射)和现场控制发射方式；

●对于手持用户而言，受供电条件的限制，除了上述的定时发射方式、指令发射方式外，还可以根据自身情况采取自主发射方式。

2指令短报文广播通信子系统

由用户中心发向终端的指令短报文的传输将由两部分组成，一是导航信息广播系统，二是由系统卫星VAST综合业务网完成的用户中心至系统通信中心的传输。系统也可以利用在导航中心站与用户中心站之间的地面光纤线路完成该业务至导航中心站的传输。

广播链路是从通信中心站信号上行，经转发器变频广播下行至用户中心所组成的链路，是一种卫星单向通信广播链路，卫星链路由上行线和下行线组成。其实现方式与CAPS本身的定位信息传送基本一致。射频发射设备在多载波工作时必须进行4dB左右的功率回退，在选择卫星系统的技术体制时，使终端工作在单载波模式，这样可以尽量减小射频设备功率配置。

3卫星综合业务通信子系统

用户中心、系统通信中心之间多业务互连互通的通信子系统可以有多种实现模式，借助地面移动通信或光纤网络是快速组建该系统的最主要并且最有效手段。同时，卫星链路也为完成这一系统提供了另外一种解决方式。

本发明各链路的基本设计参数：

1入向链路的主要通信参数：

1)系统技术体制：频分多路结合码分多址(FMD+CDMA)；

2)信息速率：50bps-100bps；

3)终端上行功放输出功率：10-15w(特殊应用场合最大为20w)；

4)终端发射天线：全向天线增益低于3dBi；60°天线增益8-10dBi；

5)终端发射天线极化轴比：1-2dB；

6)弹载终端天线特殊的方向图；

7)通信中心接收天线：具有自动跟踪能力的10-12米天线；

8)直接序列扩展码片速率的选择范围：50-250.593 Kbps，这里选择80Kbps较为适宜；

9)直接序列扩展增益的范围：30-37dB，80Kbps的扩频增益为32dB；

10)调制方式：BPSK；

11)纠错编码：Turbo code编码，编码速率为3/4；

12)单信道码分多址容量：10至20；

13)符号速率：213.33Kbps；

14)载波占用带宽：500-600KHz(已考虑交调和频率稳定度的因素)；

15)误码率：10^-9；

16)接收解调门限：4.4dB(典型值)至4.8dB(保证值)(BPSK，3/4Turbo)。

2出向链路的主要通信参数：

1)多址方式：码分多址；

2)调制方式：BPSK调制方式；

3)扩频方式：直扩；

4)信道编码：Turbo码；

5)数据加密：信源加密配备密钥；

3综合业务系统主要通信参数：

1)网络结构：网状网络，并可根据业务需要，通过网管系统来灵活地改变网络结构)；

2)网络的多址方式：支持多载波调频方式的时分多址(TDMA)系统；

3)使用频段：支持使用全部标准C频段；

4)系统应支持单天线、单射频发射机和多调制解调器的站型配置，以协调配置业务量不均匀的业务站型；

5)全网的载波突发速率可变调；

6)调制方式：QPSK；

7)纠错方式：Viterbi编码(3/4)和外层Reed-Solomon编码(188 204)；

8)突发调制解调的信息速率：1.5至4Mbps左右；

9)考虑帧、分帧效率等因素，系统的单载波传输效率应不低于60％；

(由于系统业务量暂无法确定，故系统的帧长、分帧长、保护时间等具体指标暂无法确定)；

10)系统的单载波带宽占用为：1.52MHz至4MHz。

Claims (7)

1、一种基于时间位置和状态信息的导航通信一体化系统，其特征在于，包括：

转发式卫星导航系统，包括至少一个转发式通信卫星，以通信卫星的剩余转发器为空间段资源，建立一个低速率的数据通信网络；

系统通信中心，具有10-12米口径的天线，有自动跟踪或简易自动跟踪控制能力，圆极化馈源，通信机有较强的数据处理和收发能力；作为整个系统的通信业务中心，完成终端定位信息回传的接收和指令信息的广播传输与转移传输服务，也是各用户中心间数据、话音卫星通信网络的构成部分；

用户终端，为固定终端或移动终端；

转发式卫星导航系统的通信卫星，分别与系统通信中心和用户终端之间实施信息回传和广播的双向通信功能，使转发式卫星导航系统用户能获得高的导航精度的同时，获得系统指令信息；在地面通信网络有效覆盖的区域，回传信息由地面网络汇总后打包上星；而在地面通信网络不能有效覆盖的区域，回传信息由通信用户终端直接上星。

2、如权利要求1所述的一体化系统，其特征在于，所述用户终端的固定终端，为固定卫星接收站；移动终端，为车载终端、船载终端或手持终端。

3、如权利要求1或2所述的一体化系统，其特征在于，所述地面网络，为固定卫星接收站与移动接收发机组成的地面移动网络。

4、如权利要求1所述的一体化系统，其特征在于，还包括：

用户中心，为一种系统应用或几种应用的业务中心，以地面光纤网络与系统通信中心通信连接；与转发式卫星导航系统的转发器通信卫星和用户手持终端之间，实施信息回传的双向通信功能；

用户终端在自身定位后，将其定位信息传输给用户中心，用户中心通过各种无线传输渠道将指令信息传输给指定的某个或多个用户终端；

5、如权利要求1、2或4所述的一体化系统，其特征在于，所述用户终端中的车载、船载或手持类型终端，使用全向天线直接发射上星信号的终端，其发射功率＞10W，支持50～100波特的报文通信；对于工作地点相对固定的应用场合，使用20dB以下的增益天线，并根据天线具体增益相应降低发射功率。

6、如权利要求1、2或4所述的一体化系统，其特征在于，所述用户终端中，直接发射上星信号的终端，采用FDM+CDMA的技术体制，在各个载波上实行码分多址方式，并对用户分配不同的时序序列，以增加系统的通信容量。

7、如权利要求1所述的一体化系统，其特征在于，所述转发器通信卫星，采用各类通信卫星，包括退役通信卫星。

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