北斗RDSS的前世今生

了解北斗的朋友都知道，RDSS服務(wù)是北斗系統(tǒng)最大的特色，不止解決了中國有無衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的問題，還將定位與位置報告相合，是中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要創(chuàng)新，也是北斗國際競爭的一大優(yōu)勢。

也就是說，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只是告訴你什么時間、在什么地方，而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了讓你知道在什么時間、什么地方之外，還可以將你的位置信息發(fā)送出去，使你想告知的其他人獲知你的更多信息，解決了何人、何事、何地的問題。具有非常重要的應(yīng)用價值，北斗短報文在汶川抗震救災(zāi)地震中的大量實踐就充分展示了其巨大作用和意義。

最近很多朋友也反映，在北斗三號一系列官方文件中已找不到RDSS服務(wù)及相關(guān)表述，取而代之的是區(qū)域短報文服務(wù)（RSMC）和全球短報文服務(wù)（GSMC）。

同時在作者參加的相關(guān)會議上，也有人提出相似的問題，還有許多人很疑惑短報文服務(wù)和RDSS的關(guān)系，也有個別人提出RDSS是短報文服務(wù)的一部分的說法！可能依據(jù)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)體系（1.0版），RDSS定位精度包含在區(qū)域短報文服務(wù)中。

在此，我們認(rèn)為有必要回顧一下北斗的發(fā)展歷程，一起梳理RDSS的輝煌過去，展望RDSS的光明未來。

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了RNSS和RDSS兩種服務(wù)于用戶位置確定的衛(wèi)星無線電模式。

RNSS（Radio Navigation Satellite Service），衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)。由用戶接收衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號，自主完成至少到4顆衛(wèi)星的距離在此測量，進(jìn)行用戶位置，速度及航行參數(shù)計算。GPS等系統(tǒng)是典型的RNSS系統(tǒng)。

RDSS（Radio Determination Satellite Service），衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)。用戶至衛(wèi)星的距離測量和位置計算不是由用戶自身獨立完成，而是由用戶外的系統(tǒng)（地面中心）完成的。其特點是通過用戶應(yīng)答，在完成定位的同時，完成了向外部系統(tǒng)的用戶位置報告，還可實現(xiàn)定位與通信的深度集成。

衛(wèi)星無線電導(dǎo)航創(chuàng)始于20世紀(jì)60年代。1960年代美國建設(shè)了子午儀系統(tǒng)(Transit) ，蘇聯(lián)開始設(shè)計論證蟬(Tsiklon)系統(tǒng)。上述兩個系統(tǒng)均不能為用戶提供精確的速度與定位信息，穩(wěn)定性差，因此1973年前后，兩國分別提出了GPS和GLONASS方案，基本原理均采用RNSS模式，通過對4顆以上衛(wèi)星信號的偽距測量和多普勒測量，確定用戶三維位置、速度矢量與定位時間。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)自此逐漸發(fā)展起來。

1983年，北斗系統(tǒng)創(chuàng)始人之一陳芳允院士提出雙星定位的構(gòu)想，這是國內(nèi)最早基于RDSS的定位設(shè)想。同時期，美國科學(xué)家奧內(nèi)爾等人提出建設(shè)基于RDSS的地球同步軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GEOSTAR，并利用兩顆衛(wèi)星開展了試驗工作，1991年GEOSTAR宣布破產(chǎn)。

中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的工程建設(shè)起步于1994年，與子午儀、蟬系統(tǒng)相比起步晚了30多年，與GPS、GLONASS相比，也晚了20年。時間跨度之大，無論是用戶需求還是導(dǎo)航技術(shù)均發(fā)生了跨時代的變化，但當(dāng)時國家財力非常不充裕，基本衛(wèi)星的經(jīng)費都不能保證，因此北斗系統(tǒng)技術(shù)體制的選擇需要非常慎重，一步就邁向類似GPS的全球星座不現(xiàn)實。

北斗系統(tǒng)的起步，身邊有兩個模板：優(yōu)秀學(xué)生GPS當(dāng)時風(fēng)光正盛，沒有實現(xiàn)夢想的GEOSTAR的已被拍死在沙灘上；按現(xiàn)在說法，北斗抄作業(yè)都不會，在質(zhì)疑聲中義無反顧舉起RDSS大旗，在當(dāng)時大環(huán)境下，北斗置于死地而后生，立志創(chuàng)新成為必然。

經(jīng)過不斷試驗和實踐，1994年，國家批準(zhǔn)“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”立項，命名為“北斗一號”。以2顆衛(wèi)星為代價，建成一個實用化衛(wèi)星無線定位系統(tǒng)，拉開了以精確測量時間與空間為目標(biāo)的衛(wèi)星無線電系統(tǒng)建設(shè)序幕。工程目標(biāo)清楚表明，定位報告與短報文通信是北斗一號的主要業(yè)務(wù)。面臨的理論挑戰(zhàn)、技術(shù)難題十分突出。

北斗一號RDSS服務(wù)基本過程：衛(wèi)星位置已知的條件下，可以計算出用戶機與兩顆衛(wèi)星的真實幾何距離。這樣，分別以兩顆衛(wèi)星為球心、用戶機至兩顆衛(wèi)星的距離為半徑確定兩個球面；用戶就在這兩球面交叉線上；在地面高程已知的情況下，地球表面與上述交叉線有兩個交點，一個在南半球，一個在北半球服務(wù)區(qū)，對于我國用戶而言，后者即為用戶位置，也就是三球交會定位原理。

北斗RDSS三球交會定位原理

2000年，中國成功發(fā)射了2顆北斗一號衛(wèi)星，通過雙星定位原理、定位報告業(yè)務(wù)真正實踐了RDSS概念、理論與系統(tǒng)架構(gòu)。2003年正式建成的北斗一號系統(tǒng)，使得中國成為是世界上第3個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。

通過一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破與工程化實現(xiàn)，北斗一號取得了世界級創(chuàng)新成果，并形成鮮明特色：

① 兩顆衛(wèi)星實現(xiàn)大范圍高精度定位授時服務(wù)，滿足了中國及周邊服務(wù)；

② 雙向授時精度10ns；

③ 實現(xiàn)了大容量用戶1 s快速定位報告，響應(yīng)速度居國際領(lǐng)先水平；

④ 定位和報告在同一信道完成，用戶知道“我在哪里”，還知道“我們在哪里”；

⑤ 實現(xiàn)了用戶雙向報文通信。北斗一號快速定位報告功能，完整地詮釋了RDSS業(yè)務(wù)的豐富內(nèi)涵和先進(jìn)特色。

2004年，“北斗二號”立項，于2012年12月建成了以實時連續(xù)導(dǎo)航與實時定位報告相融合的北斗技術(shù)體制，實現(xiàn)亞太覆蓋的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從根本上擺脫了對國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴。中國成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航核心供應(yīng)商之一，為世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

北斗二號彌補了北斗一號在定位連續(xù)性、速度測量、服務(wù)完好性等方面的不足，加強和完善了RDSS服務(wù)能力?？偨Y(jié)起來，有如下主要特點：

(1) 全球第一個RNSS與RDSS技術(shù)體制相融合的系統(tǒng)。解決了導(dǎo)航業(yè)務(wù)、衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)眾多網(wǎng)絡(luò)頻率兼容與業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)。北斗雙模用戶機受到廣大用戶青睞，成為衛(wèi)星導(dǎo)航與通信綜合應(yīng)用的熱門裝備。

(2) 全球第一個三軌混合導(dǎo)航星座，按照先服務(wù)亞太、再擴至全球的思路，邊建邊用、突出重點的原則，構(gòu)建了5顆GEO+5顆IGSO+4顆MEO衛(wèi)星的混合星座。

(3)第一個具備三頻完整服務(wù)能力的導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)于2012年具備B1、B2、B3完整三頻服務(wù)能力，與GPS實現(xiàn)L1、L2、L5三頻服務(wù)計劃相比，提前了近10年。

(4) 豐富和擴展了RDSS服務(wù)能力和內(nèi)涵，利用5顆GEO衛(wèi)星擴展了RDSS的服務(wù)容量；基于RDSS的精密快速定位采用地面中心處理三頻觀測數(shù)據(jù)，在2 min的定位報告響應(yīng)時間內(nèi)定位精度優(yōu)于1.0 m?；赗DSS實現(xiàn)了用戶快速跟蹤與遇險救援報警。系統(tǒng)RDSS定位報告原理，通過用戶及中心系統(tǒng)的觀測與處理，用戶定位報告精度為米級，報告響應(yīng)時間小于2 s，為用戶跟蹤、生命救援等應(yīng)用提供了性能優(yōu)異的手段。

北斗三號繼續(xù)采用RNSS與RDSS相融合技術(shù)體制，面向全球應(yīng)用，譚述森院士帶領(lǐng)團(tuán)隊完成了RDSS波束擴展和全球位置報告設(shè)計，提升了服務(wù)區(qū)域、用戶容量等，與衛(wèi)星搜救和航跡跟蹤等實現(xiàn)手段融合，構(gòu)建實現(xiàn)全球定位報告體系。

在RDSS設(shè)計中將網(wǎng)管業(yè)務(wù)特點引入到系統(tǒng)運行流程設(shè)計中，如用戶波束切換、發(fā)射功率控制、出站速率切換、入站速率切換、編組申請與確認(rèn)等設(shè)計，服務(wù)更加靈活，用戶體驗更加完善；吸收目前即時通信工具優(yōu)點，設(shè)計了組播相關(guān)業(yè)務(wù)流程設(shè)計：組群號的生成與注銷、申請權(quán)限、出站播發(fā)方式（基于廣播信道的群組動態(tài)生成管理）等。

雖然在官方文件服務(wù)類型中，以區(qū)域短報文和全球短報文服務(wù)出現(xiàn)，這說明北斗RDSS的短報文服務(wù)太優(yōu)秀太深入人心了，作為RDSS的服務(wù)分支獨立表述了。

附表：2020北斗系統(tǒng)計劃提供的服務(wù)類型

北斗三號短報文服務(wù)能力得到了極大提升，接收機發(fā)射功率降低到 1-3W，單次通信能力提升到 1000 漢字，服務(wù)容量提高到 1000 萬次/小時以上。（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)體系1.0版）

附表：北斗系統(tǒng)RSMC服務(wù)主要性能指標(biāo)

附表：北斗系統(tǒng)GSMC服務(wù)主要性能指標(biāo)

RDSS是北斗系統(tǒng)的特點和亮點，是區(qū)別于GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)的重要特色，可為中國本土及周邊區(qū)域提供快速定位、位置報告、短報文通信和高精度授時服務(wù)，因此短報文通信是RDSS服務(wù)的重要部分，是RDSS為實現(xiàn)位置報告衍生出的重要功能，在實際應(yīng)用中獲得了大家的一致認(rèn)可和喜愛。

北斗短報文通信具有用戶機與用戶機、用戶機與地面控制中心間雙向數(shù)字報文通信功能。北斗短報文兩種數(shù)據(jù)類型，一種是通常漢字通信采用的ASCII 碼的方式，另一種為BCD碼方式。北斗短報文通信與其它的衛(wèi)星通信方式相比，“北斗”衛(wèi)星通信的實際鏈路中并沒有實現(xiàn)鏈路控制功能，這為用戶的靈活使用提供了充足的空間。短報文不僅可點對點雙向通信，而且其提供的指揮端機可進(jìn)行一點對多點的廣播傳輸，為各種平臺應(yīng)用提供了極大便利。

但短報文通信不足以概括北斗特色，北斗系統(tǒng)最大的特色在于RDSS服務(wù)，將導(dǎo)航和通信相結(jié)合一體化實現(xiàn)了位置報告。RDSS的快速定位能力，開機2秒即可完成初次定位，應(yīng)用在應(yīng)急搜救上很有優(yōu)勢，終端設(shè)備不需要長時期開機，尤其適用航空航海個人救生包，不需要提前開機，跳傘后自動打開電源，2秒后完成搜救請求，由中心系統(tǒng)計算位置向搜救中心報告誰？在何時？何地？的遇險生存狀況，壽命期內(nèi)只占用很少的服務(wù)資源，可以大范圍推廣應(yīng)用。

• 海洋漁業(yè)

航線全程位置監(jiān)視

漁船越界安全告警、防碰撞告警

口岸出入調(diào)度管理

海事緊急求救

交通運輸

鐵路行業(yè)：機車遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)、鐵路沿線自然災(zāi)害預(yù)警和實時監(jiān)控

特種車輛監(jiān)視：“兩客一危”即客運班車、旅游包車、長途危險品運輸車在運輸監(jiān)管中的應(yīng)急保障平臺

災(zāi)害減輕和救援

森林防火、防洪告警、地質(zhì)監(jiān)測

救援調(diào)度、隊伍協(xié)同

簡短通信

近20年來，北斗RDSS業(yè)務(wù)在我國海洋漁業(yè)、生命救援、態(tài)勢監(jiān)控、應(yīng)急通信等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；北斗RDSS業(yè)務(wù)的部分性能指標(biāo)（響應(yīng)時延、雙向授時精度），至今世界領(lǐng)先；RDSS業(yè)務(wù)是北斗的最大特色，通信+導(dǎo)航融合的現(xiàn)實典范。

從國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢來看，除了精度、連續(xù)性、完好性等更高的方向外，位置報告已逐步發(fā)展成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所必須的重要功能之一。位置報告功能是傳統(tǒng)導(dǎo)航定位解算功能的延伸，是“導(dǎo)航定位服務(wù)”的自然體現(xiàn)。在導(dǎo)航系統(tǒng)多年應(yīng)用實踐中，人們認(rèn)識到，僅僅知道“我在哪里”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，基于RDSS的位置報告系統(tǒng)還有更強的生命力。

隨著RDSS應(yīng)用的拓展，譚述森院士提出廣義衛(wèi)星無線電定位業(yè)務(wù)（CRDSS），基本概念是通過一顆有雙向往返測距功能的轉(zhuǎn)發(fā)式RDSS衛(wèi)星，完成測量控制中心（MCC）至用戶往返距離和測量，用戶完成該衛(wèi)星與其他任意兩顆導(dǎo)航衛(wèi)星的偽距差測定，通過MCC 計算處理，即可同時完成用戶的位置確定與向控制中心（MCC）的位置報告。在地球靜止軌道（GEO）上適當(dāng)布設(shè)兩顆RDSS 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星，就能完成全球陸上、海上70%覆蓋區(qū)的個人位置服務(wù)，近地衛(wèi)星85%覆蓋區(qū)域的位置服務(wù)。與采用GPS 定位和通信手段進(jìn)行位置報告相比，其費效比顯著提高，將傳統(tǒng)衛(wèi)星無線電導(dǎo)航（RNSS）業(yè)務(wù)至少需4 顆衛(wèi)星才能定位變?yōu)? 星定位。在同樣星座衛(wèi)星數(shù)下，有機會選擇更低的DOP值，從而提高定位精度，更大的優(yōu)點是降低了用戶機的造價，減輕了用戶負(fù)擔(dān)。

2014年馬航MH370失聯(lián)事件后，譚總聯(lián)合工程院多位院士聯(lián)合提出了北斗全球系統(tǒng)RDSS航行跟蹤及遇險救援方案。同時美國于2015年，在IMO、ITU等國際組織會議場合，提出了全球水上安全與遇險救援系統(tǒng)(GMDSS)現(xiàn)代化的建議。北斗RDSS位置報告業(yè)務(wù)，未來將著力挖掘航行追蹤與緊急救援應(yīng)用，成為我國自主可控的全球?？瞻踩O(jiān)控體系重要組成部分，為世界生命救援領(lǐng)域作出北斗應(yīng)有貢獻(xiàn)。

你知道他就在那里，所有的過往都得以安放，他是北斗的成長背景，而短報文是他的甲乙丙丁。

最后以陳芳允先生的詩與北斗圈的各位同仁共勉。