北斗卫星导航技术研究

邓烨飞

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

北斗卫星导航技术研究

邓烨飞

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

北斗卫星导航系统是由我国自主开发的全球卫星导航系统，现在已应用到越来越多的行业。对北斗卫星导航系统进行介绍，结合铁路时间同步网，探讨北斗卫星导航在铁路同步网内应用的可行性。

北斗；同步网；研究；铁路应用

1概述

通信同步网是通信传输网及业务网步调一致，正常工作的关键。选择先进适用的同步技术，使得同步网更好地为铁路各业务系统提供同步信号源，具有重要意义。在同步技术中，由于覆盖面广，精度高，相对成本较低的特点，卫星授时得到广泛的应用。现阶段全球有如下4大卫星授时系统。

1）GPS系统

GPS系统是美国导航卫星NAVSTAR/GPS系统的简称，又称作全球卫星定位系统，1994年全面建成后向全球范围内提供定时和定位的功能。工作卫星上一般采用的是铯原子钟作为频标，其频率稳定度达到（1-2）E-13/d。

2）GLONASS系统

GLONASS是全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System）的缩写，前苏联从20世纪80年代初开始建设的类似于GPS系统的卫星定位系统，现在由俄罗斯国防部维护。由于GLONASS系统运行一直不是特别的稳定可靠，因此多采用GPS/GLONASS系统组合的接收机。

3）Galileo系统

Galileo系统是以意大利著名物理学家Galileo命名的欧洲全球卫星定位导航系统，2002年3月26日，欧盟正式启动Galileo系统开发计划。

Galileo系统具有以下特点：Galileo系统是第一个民用的卫星定位和导航系统，Galileo系统的数据率高、波段更宽、频点更多，加之其他改进的修正技术，Galileo系统的精度优于GPS系统。对于某一特定的应用，Galileo系统定位可以达到1m，这样可以更好的用于保障航空安全和其他精密应用。

4）北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，由空间段（5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星）、地面段（主控站、注入站和监测站等若干个地面站）和用户段（北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端）3部分组成。北斗卫星导航定位系统是中国自主研发的卫星导航定位系统，能够双向通信、实时导航、精密授时，广泛应用于国防、通信、经济建设等多领域中。预计在2020年左右北斗卫星导航系统将覆盖全球。

2 北斗卫星导航授时原理

北斗一代卫星导航系统基于同步轨道静止卫星（2颗），另外还有1颗在轨备份卫星。北斗一代利用任意1颗卫星的任一波束即可完成高精度授时，不需要涉及星间切换问题。

北斗二代卫星于2012年12月27日起正式提供卫星导航服务。至2012年底覆盖北斗亚太区域。北斗二代已发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务（5颗静止轨道卫星（GEO）、5颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、4颗中地球轨道卫星（MEO））。北斗二代系统使用“无源定位”，能够提供自助定位和导航服务，用户终端接收至少4颗导航卫星发射出的信号，可以自行计算其空间位置，单独使用北斗二代即可实现获取位置坐标，进而进入位置保持模式授时。

北斗一代和北斗二代的原理对比如表1所示。

表1 北斗一代和北斗二代原理对比

3 北斗卫星导航系统的行业应用

3.1 北斗的应用可行性

1） 覆盖范围

“北斗二号”系统其覆盖范围约东经55°～180°，南纬55°～北纬55°，重点区域为东经70°～145°，北纬5°～55°的大部分区域。截至2012年底，“北斗二号”系统已完成对亚太地区的全覆盖。

2）系统精度

目前应用的 “北斗二号”系统卫星钟可达到50ns授时精度和1E-12量级的频率稳定度。其精度满足YDT1012-1999《数字同步网节点时钟系列及其定时特性》中规定1级基准钟对频率稳定度的要求。

3）芯片成熟度

北斗系统关键芯片技术含量较高，目前高集成度、低功耗、高可靠性、高稳定性的北斗终端元器件研发生产已获得较大进展，终端芯片价格已显著降低。

4）卫星接收机造价

目前北斗接收机售价仍高于GPS系统，但随着国内北斗系统的成熟，仍有一定的降价空间。此外，为保护本国导航系统的发展，我国有可能提高GPS终端进口关税。

5）安全可靠性

北斗系统为中国自主知识产权的卫星导航（授时）系统，由于北斗授时系统运营管理由中国自主控制，因此安全性高于GPS等其他系统。同时北斗授时卫星角度较GPS系统卫星角度高，信号不易被遮蔽。

综上所述，铁路同步网应用北斗系统技术是可行的。

3.2 北斗在铁路同步网的应用

1）时钟同步网

铁路既有时钟同步网大部分PRC、LPR设备已老化，故障较多；且卫星授时过度依赖GPS系统维持同步，存在安全技术隐患。为了避免铁路通信网因为失去卫星同步信号引发的风险，有必要增加备用星源，提高同步基准源的安全性、可靠性。

新建骨干时钟同步网在通信技术中心、沈阳、武汉、广州、西安、成都铁路局通信机房设置全国基准时钟PRC设备，在各路局调度中心及重要节点设置LPR设备。以上节点在采用内置双铷钟的配置外，均采用GPS/北斗双模卫星接收机，从而提高铁路同步网的卫星基准源的安全可靠性，解决GPS失效带来的同步网质量下降问题。

关于二级时钟同步SSU-T，建议在今后的建设中设备节点可增加北斗模块作为地面定时的备用。

建议北斗模块选择北斗二代产品。由于目前各运营商对北斗二代正在进行试点应用，因此可以暂时设置GPS为第一优先，北斗为第二优先。待北斗二代应用良好后，按照维护单位的需求调整为北斗为第一优先。

2）时间同步网

结合《十二五铁路通信网规划》，时间同步网主要由铁路总公司一级时间节点、18个路局二级时间节点、沿线车站等处的三级时间节点组成。时间同步网与时钟同步网对北斗卫星导航系统的应用类似：一级时间节点可设置北斗/GPS双模+双铷钟。在未建成二级时间节点的路局新建二级时间节点，设置北斗+双高稳晶体。三级时间节点可不设置卫星模块，采用双晶体，时间输入为二级时间节点，当外部时间信号中断，通过内置铷钟守时。

以上节点建议在铁路时间同步网建网之初预留好相应条件。

4 小结

通过在铁路时钟同步网的时钟节点增设北斗卫星接收机，在铁路时间同步网一级、二级时间同步节点增设北斗卫星接收机，可以解决GPS单星源失效所带来的同步网质量下降问题。增加北斗之后的铁路同步网可以更好地为铁路通信、信息等网络提供支撑，为铁路运输向社会大众提供更好的服务提供保障。

[1]吴海涛，李孝辉，卢晓春，等．卫星导航系统时间基础[M].北京：科学出版社，2001.

[2]中华人民共和国铁道部.铁路时间同步网技术条件V1.0.

BeiDou Navigation Satellite System (BDS) is a global satellite navigation system developed by China and it has a growing demand. The paper introduces the BeiDou Navigation Satellite System and discusses the feasibility of applying the BDS in railway synchronization networks combining with the railway time synchronization network.

BeiDou Navigation Satellite System; synchronization network; research; railway application

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.004

2015-02-04）

中国铁路总公司科技研究开发重大课题项目（2300-K1130004.01）