【科普】北斗系統(tǒng)的可靠性、兼容性、完好性是怎樣實的

北斗系統(tǒng)服務(wù)性能指標(biāo)是北斗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，表示北斗導(dǎo)航衛(wèi)星所能提供的服務(wù)水平。主要從可靠性、兼容性、完好性等幾個方面來進(jìn)行分析。

衛(wèi)星導(dǎo)航中的“兼容性”指的是單獨使用一個系統(tǒng)或聯(lián)合使用多種導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航以及授時服務(wù)時，多種系統(tǒng)不互相干擾各自的服務(wù)或信號，并且沒有惡意形成導(dǎo)航?jīng)_突。

導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性是指導(dǎo)航系統(tǒng)在不能用于導(dǎo)航時為用戶提供及時、有效告警信息的能力，即當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差超過允許限值不能勝任規(guī)定的導(dǎo)航工作時，系統(tǒng)及時報警，通知用戶終止此信號的功能，完好性性能是導(dǎo)航系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。

北斗可靠性

北斗系統(tǒng)可靠性主要從以下幾個方面實現(xiàn)：

（1）健全監(jiān)測手段。北斗系統(tǒng)在國內(nèi)外建立了20多個北斗監(jiān)測站，實時連續(xù)的對運行情況進(jìn)行監(jiān)測，做好性能評估，保證及時發(fā)現(xiàn)問題、排除隱患。

（2）進(jìn)一步增強(qiáng)空間段的可靠性。在系統(tǒng)設(shè)計的時候，在衛(wèi)星的冗余備份已經(jīng)做了充分考慮。系統(tǒng)建成后又對衛(wèi)星備份策略做了進(jìn)一步深化研究，制定了衛(wèi)星的組網(wǎng)發(fā)射方案，以確保衛(wèi)星突發(fā)情況在軌失效的風(fēng)險。北斗的可靠性是有保證的，用戶可以放心使用。

（3）圍繞繞“精”、“穩(wěn)”兩個核心要素實現(xiàn)了“精穩(wěn)工程”。幾年來全面梳理了運行控制和虛用服務(wù)里面的薄弱環(huán)節(jié)，制定了具體措施，并逐一加以解決。特別是加強(qiáng)了地面運控技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究，地面運控手段得到加強(qiáng)和完善。北斗的核心芯片、基礎(chǔ)軟件、電子地圖等關(guān)鍵產(chǎn)品在性能上有較大的躍升，為系統(tǒng)的精度保持、性能提升、穩(wěn)定運行、推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支撐。

（4）進(jìn)一步健全了系統(tǒng)運行的管理機(jī)制。建立了系統(tǒng)值班體系、故障預(yù)案體系、設(shè)備維保體系，規(guī)范了系統(tǒng)的執(zhí)勤、故障處置等方面的核心業(yè)務(wù)流程，持續(xù)提升系統(tǒng)運行管理能力。

（5）進(jìn)一步完善了北斗應(yīng)用的服務(wù)體系。加強(qiáng)了應(yīng)用政策研究，制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推廣典型應(yīng)用，構(gòu)建北斗產(chǎn)品質(zhì)量檢測體系，用科學(xué)的管理和優(yōu)質(zhì)服務(wù)，推動北斗的廣泛應(yīng)用。

北斗兼容性

北斗系統(tǒng)是我國獨立研發(fā)和建設(shè)的導(dǎo)航系統(tǒng)，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的能夠?qū)崿F(xiàn)兼容共用將是十分重要的。根據(jù)目前北斗系統(tǒng)信號規(guī)劃，有必要對其與其他系統(tǒng)之間的信號之間的兼容性進(jìn)行評估分析。

具體來講，北斗系統(tǒng)的兼容是指兩個或多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同工作時，不會對單個系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生不可接受的干擾；從技術(shù)層面上講，主要是在頻段選擇、信號調(diào)制方式以及信號功率設(shè)計等方面不會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生不可接受的干擾。兼容的更高層級是互操作，互操作是從服務(wù)的角度講，指的是同時使用多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時，比使用單一系統(tǒng)能夠得到更好的性能；從技術(shù)層面上，互操作包括空間信號互操作、星座互操作以及信息互操作。其中信息互操作包括時間和空間參考系統(tǒng)的互操作。因此，兼容僅僅指信號不干擾，是多個系統(tǒng)互不干擾正常工作的基礎(chǔ)，適用于授權(quán)服務(wù)信號和公開服務(wù)信號；而互操作是目的，是多個系統(tǒng)之間信息和資源共享的手段，是更高層面的性能，目前僅適用于公開服務(wù)信號。

為了實現(xiàn)兼容性，從系統(tǒng)層面來說，北斗系統(tǒng)的頻率選擇盡量不與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(包括GPS、GLONASS和Galileo)發(fā)生頻段重疊，但是，實際中，北斗系統(tǒng)與Galileo的相應(yīng)頻段重疊。為了實現(xiàn)較好的兼容，我國北斗與Gaileo之間的互操作協(xié)調(diào)渠道已經(jīng)建立，用戶可選的互操作頻段為L1(E1)和L5(L5a)。

從北斗接收機(jī)方面實現(xiàn)兼容方面來說，北斗接收機(jī)接收期望信號時會受到其他信號的干擾而造成性能下降。而從衛(wèi)星信號發(fā)射到接收機(jī)接收的過程當(dāng)中，有眾多因素將會影響最后的性能，包括空間衛(wèi)星段的星座構(gòu)型、載波信號頻率、調(diào)制方式等，空間環(huán)境段的鏈路損耗以及用戶段的接收機(jī)特性參數(shù)等。北斗兼容性接收機(jī)須考慮這些因素的影響。

導(dǎo)航頻段的選取反映了各主要利益集團(tuán)在日益緊張的導(dǎo)航頻率資源狀況下的合作與協(xié)同。這種精心的設(shè)計通過共用中心頻率和頻譜重疊，一方面解決了衛(wèi)星導(dǎo)航頻率資源的緊缺性，另一方面有望減少接收機(jī)內(nèi)為不同頻率提供基準(zhǔn)頻率而產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，從而在一定程度上降低多模接收機(jī)的功耗、成本和重量。對于中心頻率相同的導(dǎo)航信號，接收機(jī)可以采用相同的射頻前端，不同的捕獲跟蹤模塊，相同的導(dǎo)航解算模塊來實現(xiàn)導(dǎo)航定位。目前，基于軟件無線電(SDR)的軟件接收機(jī)技術(shù)初步研究結(jié)果很好地驗證了這一結(jié)論，并對用軟件無線電思想處理信號的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索研究，為多模接收機(jī)的商業(yè)化積累了技術(shù)經(jīng)驗?？梢灶A(yù)計，接收機(jī)制造廠商和用戶都將是在信號層面兼容與互操作的受益者；同時，較好兼容與互操作性能的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民用市場也會更受歡迎，具有更強(qiáng)的競爭力。

世界主要GNSS系統(tǒng)現(xiàn)有和計劃采用的頻率范圍示意圖

北斗完好性

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性一般可采用3個量化參數(shù)來描述：吿警閥值、告警時間和完好性風(fēng)險，通過這3個指標(biāo)可以給出兩個方面的含義：一是由于某種故障導(dǎo)致精度不能滿足導(dǎo)航需求時要在給定的告警時間內(nèi)向用戶報警；二是指導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足需求但卻未向用戶報告的概率。

斗系統(tǒng)的完好性主要從以下三個方面實現(xiàn)：

（1）內(nèi)部增強(qiáng)方法：稱為RAIM方法，即利用北斗接收機(jī)內(nèi)部的冗余信息（同時對4顆以上衛(wèi)星的觀測），或利用加載北斗接收機(jī)的載體上的其他輔助信息(如氣壓表、慣導(dǎo)等），來實現(xiàn)北斗衛(wèi)星故障的監(jiān)測和排除，這一方法一般稱為接收機(jī)的自主完好性監(jiān)測。

（2）外部增強(qiáng)系統(tǒng)：在地面設(shè)置監(jiān)測站，監(jiān)測北斗衛(wèi)星狀況，然后廣播給用戶。比如GPS系統(tǒng)的WAAS和LAAS是常見的外部增強(qiáng)系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)建立了自己的完好性增強(qiáng)系統(tǒng)，對完好性的增強(qiáng)是采用監(jiān)測技術(shù)，提供報警能力，由于系統(tǒng)同時利用廣域差分或局域差分技術(shù)提高精度，因此系統(tǒng)的完好性監(jiān)測主要是對廣播給用戶的誤差改正數(shù)的監(jiān)測。

（3）系統(tǒng)自身告警。北斗系統(tǒng)運控中心可以進(jìn)行一定的完好性監(jiān)測，系統(tǒng)本身也能夠進(jìn)行一定程度的完好性監(jiān)測。