【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)服務性能指標是北斗系統(tǒng)的關鍵技術指標，表示北斗導航衛(wèi)星所能提供的服務水平。主要從可靠性、兼容性、完好性等幾個方面來進行分析。

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

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

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）進一步增強空間段的可靠性。在系統(tǒng)設計的時候，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。特別是加強了地面運控技術、系統(tǒng)應用技術研究，地面運控手段得到加強和完善。北斗的核心芯片、基礎軟件、電子地圖等關鍵產(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、推廣應用提供了基礎支撐。

（4）進一步健全了系統(tǒng)運行的管理機制。建立了系統(tǒng)值班體系、故障預案體系、設備維保體系，規(guī)范了系統(tǒng)的執(zhí)勤、故障處置等方面的核心業(yè)務流程，持續(xù)提升系統(tǒng)運行管理能力。

（5）進一步完善了北斗應用的服務體系。加強了應用政策研究，制定技術標準，推廣典型應用，構建北斗產(chǎn)品質(zhì)量檢測體系，用科學的管理和優(yōu)質(zhì)服務，推動北斗的廣泛應用。

北斗兼容性

北斗系統(tǒng)是我國獨立研發(fā)和建設的導航系統(tǒng)，與其他衛(wèi)星導航系統(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)星導航系統(tǒng)共同工作時，不會對單個系統(tǒng)服務產(chǎn)生不可接受的干擾；從技術層面上講，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，互操作是從服務的角度講，指的是同時使用多個衛(wèi)星導航系統(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，適用于授權服務信號和公開服務信號；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)。

從北斗接收機方面實現(xiàn)兼容方面來說，北斗接收機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)射到接收機接收的過程當中，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特性參數(shù)等。北斗兼容性接收機須考慮這些因素的影響。

導航頻段的選取反映了各主要利益集團在日益緊張的導航頻率資源狀況下的合作與協(xié)同。這種精心的設計通過共用中心頻率和頻譜重疊，一方面解決了衛(wèi)星導航頻率資源的緊缺性，另一方面有望減少接收機內(nèi)為不同頻率提供基準頻率而產(chǎn)生的負擔，從而在一定程度上降低多模接收機的功耗、成本和重量。對于中心頻率相同的導航信號，接收機可以采用相同的射頻前端，不同的捕獲跟蹤模塊，相同的導航解算模塊來實現(xiàn)導航定位。目前，基于軟件無線電(SDR)的軟件接收機技術初步研究結果很好地驗證了這一結論，并對用軟件無線電思想處理信號的關鍵技術進行了探索研究，為多模接收機的商業(yè)化積累了技術經(jīng)驗。可以預計，接收機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)星導航系統(tǒng)在民用市場也會更受歡迎，具有更強的競爭力。

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險，通過這3個指標可以給出兩個方面的含義：一是由于某種故障導致精度不能滿足導航需求時要在給定的告警時間內(nèi)向用戶報警；二是指導航系統(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)部增強方法：稱為RAIM方法，即利用北斗接收機內(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的載體上的其他輔助信息(如氣壓表、慣導等），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的自主完好性監(jiān)測。

（2）外部增強系統(tǒng)：在地面設置監(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是常見的外部增強系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)建立了自己的完好性增強系統(tǒng)，對完好性的增強是采用監(jiān)測技術，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)運控中心可以進行一定的完好性監(jiān)測，系統(tǒng)本身也能夠進行一定程度的完好性監(jiān)測。