北斗卫星导航系统概述

北斗卫星导航系统概述00钟恩彬引言自从1960年美国发射第一颗导航卫星并于1964年组成美国海军导航卫星系统(NNSS)以来，导航卫星经过了从多普勒定位技术到伪码扩频测距定位，从间断、部分覆盖导航到全天候、全天时、全覆盖导航，从单纯广播式导航到通信导航融合技术的发展，其中运行了近二十年的美国GPS系统是卫星导航技术发展的结晶。随着卫星导航系统应用价值的不断扩展，GPS也暴露了一些不足，比如，GPS能够解决单一用户的精确定位导航问题，但由于它是广播式的导航，用户不能与导航卫星建立通信，定位信息不能传输给用户中心，这一缺点使得它若在战场上运用时虽然能给导弹导航，但不能向指挥中心回传打击效果。我国充分吸收GPS的经验，于上世纪80年代开始研究设计自己的卫星导航系统—北斗卫星导航系统。截至目前，我国已经发射了16颗组网卫星，基本实现了亚太区域覆盖，我们很快就将用上国产的北斗终端设备了。在此背景下，本文将主要从北斗卫星导航系统的基本原理、与其它系统的比较两个方面简要介绍北斗卫星导航系统。一、北斗卫星导航系统的基本原理卫星定位说白了就是测出几颗卫星到定位点的距离，然后在建立的三维空间坐标系中以这些距离为半径画几个球，球的交点即为定位点的坐标，至于导航就是选定一个参考点，测算出它的坐标，引导用户到该参考坐标点就是导航。关键的问题是如何测量出实时的距离，这就需要利用电磁波在卫星与用户之间的来回传播来测算。不过实际的系统远不止这么简单，例如必须保证发射和接受同步，这就好比要使卫星和用户接收机同时开始播放同一首歌，这时站在接收机旁的人会停到两个版本的歌声，滞后的就是来自卫星的歌声，这个时延乘上光速c即为卫星到定位点的距离，当然，这个时延的测量也必须用精准的时钟。为了保证这些，电磁波上必须加载复杂的导航电文。导航电文不是由卫星单独产生的，而要有地面主控站来控制完成，所以为了不受制于人，我国决定开发自己的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端组成，空间端包括35颗组网卫星，其中5颗为静止轨道(GEO)卫星，地面端主要有主控站、注入站1和监测站等，而用户端既包括北斗用户终端，也包括与其它导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统分三阶段组网，目前已成功完成北斗-1的试验和北斗-2区域定位导航系统的组网，接下来将在2020年左右完成北斗-2全球定位导航系统的组网，届时北斗定位精度将由于10米，测速精度由于0.2米每秒，授时精度20纳秒。北斗-1是有源定位导航，即用户主动向卫星发送信号请求服务，它只覆盖我国领土范围(包括钓鱼岛)，它的解算原理工作过程是[1]：1)首先由中心控制系统向卫星1和卫星2同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播。2)用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制系统。3)中心控制系统接收并解调用户发来的信号,然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请,中心控制系统测出两个时间延迟:即从中心控制系统发出询问信号,经某一颗卫星转发到达用户,用户发出定位响应信号,经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。4)由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的,因此由上面两个延迟量可以算出用户到第二颗卫星的距离,从而知道用户处于两颗卫星为球心的一个球面,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,又可知道用户处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-2是无源定位导航，它包括区域系统和全球系统，它的基本定位原理与美国的GPS大体相同[2]：以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后采用空间距离后方交会的方法，计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。对于需定位的每一点来说都包含有4个未知数：该点三维地心坐标和卫星接收机的时钟差，故定位至少需要4颗卫星的观测来进行计算。一般来说，接收机的解算值包括伪距和载波相位[3]，两者结合可得到用户的位置。在计算位置坐标时，四颗卫星的位置必须要知道，以这四颗卫星为球心画四个球，四个球的交点即为用户位置。若采用一个接收机确定卫星位置，误差会比较大，所以北斗-2采用两个以上接收机确定卫星位置的2方法即相对定位，这样可大大减小误差。二、北斗与其它卫星导航系统的比较目前世界上最成熟的卫星定位导航系统是美国的全球定位系统-GPS，所以这里主要比较一下北斗与GPS。相较于GPS，我们的北斗最大的优势是它除了具备与其它系统一样的定位、导航与授时功能外，还保留了通信功能，即短报文通信（北斗一次最多可双向传输120个汉字），而GPS要靠地面通信网或其它卫星进行通信。这得益于北斗采用主动双向导航，就是前面讲的有源定位和无源定位相结合的方式，由于美苏争霸时期论证不够完整，GPS放弃了很有民用应用价值的保留通信式导航方式，而选择了主动式导航方式即无源定位方式，所以目前GPS靠一个辅助系统即A-GPS来完善通信功能。北斗导航系统由于是主动双向测距系统，用户设备不仅要通过地球同步卫星向地面中心站发射申请信号，而且还要接收地面中心站返回的信号，因此系统的用户容量取决于卫星的可用频带宽度、信号的调制和编码方式以及地面中心站的运算速度，它的用户容量是有限的。而GPS是单向测距系统，用户设备只要能接收从导航卫星发出的导航电文就可进行测距定位，因此的用户容量是无限的[4]。北斗还有一个优势，就是与其它卫星导航系统的兼容。所谓兼容就是在同一台接收机上处理来自不同系统的导航电文，实现联合定位。不同的卫星定位系统有特定的坐标基准和时间基准，北斗采用的是CSCS2000国家大地坐标系统和北斗时间系统（BeiDouT）；GPS采用的是WGS-84坐标系统和GPS时间系统（GPST）。在北斗和GPS联合解算时，应将二者的坐标基准和时间基准进行转换和统一[5]。当然，北斗也有不足之处，北斗的精度不如GPS，这主要是由于两者用于同步的原子钟精度不同，这导致卫星在向用户发送含有同步信息的导航电文时产生的时延误差会比较大，从而影响卫星到用户端距离的测算。北斗-1采用有源定位导航也有对原子钟精度不高的考虑，不过随着我国科研工作者在这方面研究的深入，相信更高精度的原子钟将运用在北斗组网卫星上。结束语卫星定位导航系统是一个很复杂的系统，本文只是很粗略地描述了一下3北斗的定位原理，对诸如导航电文的信号结构等没有深入分析，不过可以作为一篇大致了解北斗卫星导航系统的参考文章。北斗卫星导航系统工程发展至今已将近30年，随着我国卫星导航技术的日臻成熟与完善，相信不久的将来，北斗必然会在未来的卫星导航市场竞争中争得一席之地。参考文献[1]周露、刘宝忠.《北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用》[2]易鸣镝、顾洪夫、陈广飞.《GPS定位原理浅析及误差分析》[3]王权.《全球定位系统-GPS定位原理及应用》[4]魏武财.《北斗导航系统与GPS的比较》[5]高星伟、过静珺、丁志刚等.《基于时空系统的北斗与GPS融合定位》4专业资料可修改可编辑范文范例可行性研究报告指导范文