北斗短报文和北斗定位入门篇

        北斗通信和北斗定位已经家喻户晓，但是很多初学者和开发工程师往往被各种概念混淆。有鉴于此，北斗海聊整理出本篇入门文档，将常见问题进行系统性梳理。鉴于笔者水平有限，如果本文有什么错漏，请各位读者批评指正。

一、为什么需要卫星定位和卫星通信

       由于中国的卫星技术起步晚，而手机基站的发展却非常迅猛，所以以前了解卫星技术的人群非常少。2008 年汶川地震导致基站被大范围损坏后，人们才明白此时的手机只是块砖头。当时灾区的情况外界不知道，外界的救援灾区不知道，信息的传输几乎回到了原始社会的水平。也就是2008 年后，卫星通信的普及和发展才迫在眉睫。
        由于基站的建设、供电、维护、升级等成本高昂，所以很多国家的基站都只是覆盖人口较多的城市，而人烟稀少的地方则没有手机信号。所以对于驴友、船员来说，卫星通信设备是刚需。即使对于基站覆盖非常密集的城市，一旦发生天灾人祸、战争、供电维修，手机也回天乏术，此时卫星通信是辅助通信的手段。
        但一直以来，铱星、海事卫星、欧星等设备都高达 6000 元以上，月租费也比较高。所以北斗短报文通信设备应运而生。相较于其它通信设备，北斗短报文设备才 2000 元左右，月租费为 0，真正做到了物美价廉。
        至于卫星定位的价值，现在用惯了滴滴打车、百度地图的用户都很清楚。不过我们视为理所当然的定位技术，也是最近 10 年才广泛应用在手机上面。

二、北斗一代、二代、三代分别指什么？

        经常有用户询问北斗一代、二代、三代分别有什么差异，我们系统化同时通俗地讲解下：

        卫星定位不仅是军事利器，对于民用也是非常大的市场。除了美国的 GPS，俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略，中国也一直在努力探索和发展。

        北斗一代卫星从 2000 年开始研制，2003 年完成，总共发射了三颗静止轨道卫星，主
要覆盖中国及周边区域。

        北斗一代卫星受限于当时的资金和技术水平，主要是解决中国卫星定位“从无到有”的问题。地面上的用户机需要向北斗一代卫星发送请求，才能接收到定位信息。这种机制我们称为有源定位。这就跟前面提到的 GPS 定位机制不一样，GPS 是无源定位，地面上的用户机只需要接收，然后解析出坐标，不需要向卫星发送请求。
        但是正因为这种有源定位的机制，北斗一代卫星就具备了卫星通信的功能，所以我们才能使用北斗短报文这一物美价廉的卫星通信。而且有源定位机制虽然定位精度只有 100 米以内，但是定位速度非常快，两三秒就可以定位；而 GPS 定位则需要 30 秒以上。
        由于北斗一代需要用户机发送请求、定位精度不高、用户容量有限，加上国家加大投入、技术的积累，北斗二代卫星随后列入国家发展规划。项目从 2005 年开始，2017 年完成，主要覆盖中国周边地区，提供高精度的无源定位、测速、授时服务。北斗二代就解决了中国卫星定位“从有到优”的问题。
        北斗三代卫星是真正意义上的全球覆盖，中国版的全球 GPS。项目从 2017 年开始，预计 2020 年完成，通过发送更多卫星、建成更多的地面基站增强系统，将北斗一代的有源定位和北斗二代的高精度无源定位从中国周边拓展到全球。
        从北斗系统的发展历史，可以明白技术的发展需要长期的投入和积累，不能一蹴而就。无数科学家和工程师的努力才使得北斗项目能够从无到有，精益求精。

三、卫星定位是怎样实现的？

        我们以 GPS 系统为例。北斗二代定位系统、GLONASS 系统、伽利略系统等也是类似的。
        GPS 卫星系统除了位于天上的 24 颗中轨道卫星（实际不止 24 颗），还有地面上的注入站、监控站、主控站等，用于修正数据和控制卫星。而用户机只负责接收和解析数据。

        运行在天上的 GPS 卫星，每个都不停地通过卫星信号向地球广播自己的当前位置坐标和时间。而用户机接收到后，用自己的时间减去卫星时间，就知道卫星信号在空中传播所用的时间。用传播时间*光速，就得到用户机与卫星的距离。
        根据空间几何知识，只要用户机能够捕捉到 3 个以上的卫星，就可以根据到这 3 颗卫星的距离和卫星的坐标，推测出用户机自己的(X,Y,Z)坐标。
        因为传播时间有误差，速度也会受到空中电离层的影响。所以一般要捕捉到 4 颗以上的 GPS 卫星，通过一些算法来减少误差。
        我们常说的 3 星定位和 4 星定位就是来源于此。

四、北斗短报文卫星通信是怎样实现的？

        北斗短报文卫星通信系统跟 GPS 定位系统类似，也是由天上的卫星、地面的控制站和用户机这三部分组成。
        北斗短报文系统由于卫星是在静止轨道，所以只需要两颗卫星就可以覆盖中国及周边地区，另外一颗卫星作备用。到 2020 年覆盖全球时，也总共只需要 5 颗卫星。

        卫星通信的过程是：用户机 A 将短报文发送给卫星，经过卫星中转后发送给用户机 B。

        卫星通信机制类似于手机通信机制。手机 A 也是通过基站中转才能将消息发送给手机B。所以一旦基站损坏，所有手机都无法正常使用。
可以这样说，卫星系统都是类似的，通信系统都是类似的，定位系统也都是类似的。当然在细节上会有很多差异，比如频率、编码方式、加密方式、传输距离、传输功耗、链路控制等。

五、北斗短报文是如何实现双星定位的？

        北斗短报文除了可以用于卫星通信，还能用于卫星定位。前面提到，GPS 定位最起码需要三颗卫星，那为什么北斗短报文可以做到双星定位呢？

        这种定位方式的原理在于：

        以 2 颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成 2个球面，用户终端将位于这 2 个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。

        所以当用户机发送北斗短报文定位请求给卫星后，卫星将请求转发给地面中心站，中心站计算完成后，就将用户机的位置坐标发送给卫星，经卫星中转到用户机。

        这种定位方式的定位精度比 GPS 逊色，但是定位速度比 GPS 快很多。北斗短报文定位只需要两三秒就可以获得定位，而 GPS 冷启动则需要 30 秒以上。