北斗卫星导航系统详解

北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号两代系统，是中国研发的卫星导航系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统和美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统、欧盟伽利略定位系统被联合国确认为全球4个卫星导航系统核心供应商。北斗一号北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两颗工作卫星、2颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。美国的GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。。北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。2008年北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定位系统一起，发挥“双保险”作用。北斗一号卫星定位系统的英文简称为BD，在ITU（国际电信联合会）登记的无线电频段为L波段（发射）和S波段（接收）。系统工作原理“北斗一号”卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。北斗系统三大功能快速定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20—100m；短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息；由于对包含车辆的位置和状态信息的数据要求有一定的实时性。同时车辆与调控中心之间的信息沟通实际上也是一种数据的通信方式，其信息量一般也不会超过GSM短信息的长度范围。因此利用GSM的短消息业务基本可满足系统通信的需要。其次，通过短信息方式发送数据其成本代价远远低于其它方式（如通过话音信道）。与其他无线电台等传统方式比较，采用GSM短信息网络系统具有以下优点：1、速度快，实时性好，不掉线；2、可以双向通信，及时返回终端信息；3、设备体积小，操作简单；4、由于控制中心无须专门设置大功率发射电台，将大大降低安装费用；5、覆盖面广受地理环境精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。北斗系统地面定位手持机北斗1号导航系统的缺点北斗1号导航系统的定位是依照美国工程师1982年提出的“双星主动式卫星定位系统”原理而实施的，在设计定型时就知道该技术是属于十分落后的一种。美国人和欧洲人都没有采用此技术实现GPS系统。为什么我军要用呢，因为国外这部分的技术资料几乎全部是开源，成本较低，可以达到全部“国产”！想想伊拉克的计算机通讯设施也是全部“国产”的，至少不是美国的，感觉上应该是很“安全”的吧？为什么在实战中联也联不上，通也通不了，伊拉克军队就像没有指挥的民团而被各个击溃，导致家破国亡呢？北斗GPS导航系统设计最大并发终端服务容量为150台/秒，平均每天运营费用数以几十万计，它并不是真正意义上的GPS而是只覆盖亚洲部分地区的导航系统。北斗GPS导航系统可以说军事应用值价很低，中国“北斗一号”的定位原理与美国GPS的完全不同，主要在两个关键点上，一是“北斗一号”定位终端是有源的，即兼具发射和接收功能，而美国GPS的定位终端只需要接收功能；二是“北斗一号”定位终端的位置、速度解算是在地面控制中心，而美国的GPS的定位终端本身具有解算能力。这两个关键差别导致在军事应用时：1）由于“北斗一号”定位终端是有源终端，定位过程发射电磁信号，马上暴露了使用者的位置，如果是特种部队、战舰使用，无疑是主动申请敌方“向我开炮！”。而美国的GPS终端是无源的监听者，使用起来十分安全、隐蔽；2）由于“北斗一号”定位终端使用时是双向通信，由地面控制站把定位信息返传给定位终端，时延长（秒级），不能应用于音速飞行的装备，如导弹、战机等。而美国的GPS终端是在终端解算定位信息，反应时间只与终端的运算速度相关（毫秒级），即使高亚音速的巡航导弹亦能应用。3）由于“北斗一号”的定位过程需要地面控制中心与定位终端之间进行通信，受信道限制，同时服务的终端数有限（百台级），战场上的大规模应用成为不可能，试想作战时，数百台战车、数百台战舰、数千官兵同时需要定位服务，光通信排队都要等半天，如何敢用？！而美国的GPS工作原理是无源定位、分散运算，故没有信道瓶颈，军用、民用均没有终端数量的限制。4）同样由于3）点，战时“北斗一号”系统极易被阻塞而发挥不到作用。敌方只要把侦测到的定位终端发射信号进行高密度、重复发送，就会造成象无数台定位终端在同时申请服务的假象，阻塞了有限的信道，使真正的定位终端不能工作、或响应减慢。5）由于“北斗一号”定位终端需要有发射单元，成本高、使用条件受约束大，单兵、单武器应用的可能性低，主要还是车、船载应用。6）如果战时地面控制站被“硬杀伤”、或被电磁压制、或内部破坏，则全系统“武功全废”。从计算机系统体制结构看，“北斗一号”是Server（地面控制中心）-Client（定位终端）式体系结构，上述的缺憾是C/S体系结构造成的，该体系结构完全不适用于战争环境，只有分布式体系结构在战争环境才最具生存能力，象INTERNET强调点-点通信能力，INTERNET的工作站在通信层上均是平等的，没有主、从之分。美国的GPS定位系统类似WebService样的分布式体系，定位终端独立工作，24颗GPS卫星只起参照系作用，没有控制作用。鉴于以上种种缺点，北斗2号导航系统诞生了。北斗一号导航定位卫星的发射时间分别为：2000年10月31日，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1A。2000年12月21日，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1B。2003年5月25日，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1C。2007年2月3日，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1D。北斗二代卫星导航北斗2号卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米／秒。第二代北斗卫星导航系统的基本工作原理是：空间段卫星接收地面运控系统上行注入的导航电文及参数，并且连续向地面用户发播卫星导航信号，用户接收到至少4颗卫星信号后，进行伪距测量和定位解算，最后得到定位结果。同时为了保持地面运控系统各站之间时间同步，以及地面站与卫星之间时间同步，通过站间和星地时间比对观测与处理完成地面站间和卫星与地面站间时间同步。分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行监测，采集各类观测数据后将其发送至主控站，由主控站完成卫星轨道精密确定及其它导航参数的确定、广域差分信息和完好性信息处理，形成上行注入的导航电文及参数。第二代北斗导航系统虽然目前仍为区域卫星导航系统，但服务区比北斗导航试验系统扩大了很多，具有连续实时三维定位测速能力，授权服务在增强服务基础上，进一步提供RDSS功能和信号功率增强服务。目前，卫星导航定位的应用范围和行业不断扩展，全国卫星导航应用市场规模以每两年翻一番的速度快速增长。卫星导航定位技术已广泛应用于交通运输、基础测绘、工程勘测、资源调查、地震监测、气象探测和海洋勘测等领域。北斗卫星导航系统的建成，可促进我国自主卫星导航事业的发展，体现国家综合实力，使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖，打破美国GPS的垄断，并带动一大批高技术产业，形成新的经济增长点。北斗导航系统的应用具有广泛的应用潜力。比如公安保卫、遇险抢救、海岸缉私、巡逻搜索、囚车与运钞车监控、环境数据收集、各种灾害的预报与监测、交通管制、远距离输电以及个人旅游、娱乐等诸多方面都有着广大的潜在用户。套用一句形容GPS的话就是：北斗卫星导航系统的应用前景“仅受限于人们的想象力”。随着系统建设的不断发展，很多潜在的应用必将被发掘出来，北斗卫星导航系统必将会得到越来越广泛的应用，从而产生巨大的社会和经济效益。北斗二代卫星导航系统建设进展时间进展2007年4月14日第一颗“北斗二号”非静止轨道卫星成功发射，标志着我国正式启动第二代卫星导航定位系统建设计划2009年4月15日第二颗“北斗二号”系统地球同步轨道卫星成功发射2010年1月17日第三颗“北斗二号”系统地球同步轨道卫星成功发射2010年6月2日第四颗“北斗二号”系统地球同步轨道卫星成功发射2010年8月1日第五颗“北斗二号”系统地球同步轨道卫星成功发射，北斗二代卫星导航系统进入了组网高峰期12月18日在西昌卫星发射中心，第七颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道2012年覆盖亚太。北斗二代卫星导航系统组网建成，首先提供覆盖亚太地区的定位2020年覆盖全球。建成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的覆盖全球的北斗卫星导航系统，在国内市场取代数据来源：安信证券研究中心制表：凤凰网财经北斗卫星系统是继美俄之后，全球第三套技术成熟的全球定位导航系统，09年我国的卫星系统将进入组网高峰期，今明两年将要发射越十颗导航卫星，预计将在2015年建成一个由30颗卫星组成的全球导航系统，届时我国将会逐渐摆脱对美国GPS系统的依赖。