北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

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1、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述1008062100鐘恩彬引言自從1960年美國發(fā)射第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星并于1964年組成美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(NNSS)以來，導(dǎo)航衛(wèi)星經(jīng)過了從多普勒定位技術(shù)到偽碼擴(kuò)頻測距定位，從間斷、部分覆蓋導(dǎo)航到全天候、全天時、全覆蓋導(dǎo)航，從單純廣播式導(dǎo)航到通信導(dǎo)航融合技術(shù)的發(fā)展，其中運行了近二十年的美國GPS系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用價值的不斷擴(kuò)展，GPS也暴露了一些不足，比如，GPS能夠解決單一用戶的精確定位導(dǎo)航問題，但由于它是廣播式的導(dǎo)航，用戶不能與導(dǎo)航衛(wèi)星建立通信，定位信息不能傳輸給

2、用戶中心，這一缺點使得它若在戰(zhàn)場上運用時雖然能給導(dǎo)彈導(dǎo)航，但不能向指揮中心回傳打擊效果。我國充分吸收GPS的經(jīng)驗，于上世紀(jì)80年代開始研究設(shè)計自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)—北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。截至目前，我國已經(jīng)發(fā)射了16顆組網(wǎng)衛(wèi)星，基本實現(xiàn)了亞太區(qū)域覆蓋，我們很快就將用上國產(chǎn)的北斗終端設(shè)備了。在此背景下，本文將主要從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理、與其它系統(tǒng)的比較兩個方面簡要介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。一、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理衛(wèi)星定位說白了就是測出幾顆衛(wèi)星到定位點的距離，然后在建立的三維空間坐標(biāo)系中以這些距離為半徑畫幾個球，球的交點

3、即為定位點的坐標(biāo)，至于導(dǎo)航就是選定一個參考點，測算出它的坐標(biāo)，引導(dǎo)用戶到該參考坐標(biāo)點就是導(dǎo)航。關(guān)鍵的問題是如何測量出實時的距離，這就需要利用電磁波在衛(wèi)星與用戶之間的來回傳播來測算。不過實際的系統(tǒng)遠(yuǎn)不止這么簡單，例如必須保證發(fā)射和接受同步，這就好比要使衛(wèi)星和用戶接收機(jī)同時開始播放同一首歌，這時站在接收機(jī)旁的人會停到兩個版本的歌聲，滯后的就是來自衛(wèi)星的歌聲，這個時延乘上光速c即為衛(wèi)星到定位點的距離，當(dāng)然，這個時延的測量也必須用精準(zhǔn)的時鐘。為了保證這些，電磁波上必須加載復(fù)雜的導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文不是由衛(wèi)星單獨產(chǎn)生的，而要有地

4、面主控站來控制完成，所以為了不受制于人，我國決定開發(fā)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，空間端包括35顆組網(wǎng)衛(wèi)星，其中5顆為靜止軌道(GEO)衛(wèi)星，地面端主要有主控站、注入站和監(jiān)測站等，而用戶端既包括北斗用戶終端，也包括與其它導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分三階段組網(wǎng)，目前已成功完成北斗-1的試驗和北斗-2區(qū)域定位導(dǎo)航系統(tǒng)的組網(wǎng)，接下來將在2020年左右完成北斗-2全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)的組網(wǎng)，屆時北斗定位精度將由于10米，測速精度由于0.2米每秒，授時精度20納秒。北斗-1是有源定位導(dǎo)

5、航，即用戶主動向衛(wèi)星發(fā)送信號請求服務(wù)，它只覆蓋我國領(lǐng)土范圍(包括釣魚島)，它的解算原理工作過程是[1]：1)首先由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星1和衛(wèi)星2同時發(fā)送詢問信號,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播。2)用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號,并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。3)中心控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號,然后根據(jù)用戶的申請服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。對定位申請,中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲:即從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號,經(jīng)某一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)用戶,用戶發(fā)出定位響應(yīng)信號,經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系

6、統(tǒng)的延遲。4)由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是已知的,因此由上面兩個延遲量可以算出用戶到第二顆衛(wèi)星的距離,從而知道用戶處于兩顆衛(wèi)星為球心的一個球面,另外中心控制系統(tǒng)從存儲在計算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值,又可知道用戶處于某一與地球基準(zhǔn)橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統(tǒng)可最終計算出用戶所在點的三維坐標(biāo),這個坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶。北斗-2是無源定位導(dǎo)航，它包括區(qū)域系統(tǒng)和全球系統(tǒng)，它的基本定位原理與美國的GPS大體相同[2]：以高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參

7、數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后采用空間距離后方交會的方法，計算求出接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息。對于需定位的每一點來說都包含有4個未知數(shù)：該點三維地心坐標(biāo)和衛(wèi)星接收機(jī)的時鐘差，故定位至少需要4顆衛(wèi)星的觀測來進(jìn)行計算。一般來說，接收機(jī)的解算值包括偽距和載波相位[3]，兩者結(jié)合可得到用戶的位置。在計算位置坐標(biāo)時，四顆衛(wèi)星的位置必須要知道，以這四顆衛(wèi)星為球心畫四個球，四個球的交點即為用戶位置。若采用一個接收機(jī)確定衛(wèi)星位置，誤差會比較大，所以北斗-2采用兩個以上接收機(jī)確定衛(wèi)星位置的方法即相對定位，這樣

8、可大大減小誤差。一、北斗與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的比較目前世界上最成熟的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是美國的全球定位系統(tǒng)-GPS，所以這里主要比較一下北斗與GPS。相較于GPS，我們的北斗最大的優(yōu)勢是它除了具備與其它系統(tǒng)一樣的定位、導(dǎo)航與授時功能外，還保留了通信功能，即短報文通信（北斗一次最多可雙向傳輸120個漢字），而GPS要靠地面通信網(wǎng)或其它衛(wèi)星進(jìn)行通信。這