北斗导航卫星系统简介

北斗卫星导航系统BeiDouNavigationSatelliteSystem-BDS13010410036黎丁豪一、北斗工程发展与现状介绍（1）发展历史2007年4月14日4时11分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星送←（北斗卫星导航系统示意图）入太空。约14分钟后，星箭分离。西安卫星测控中心传来的数据表明，卫星准确进入预定轨道。2009年4月15日零时16分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。2010年1月17日0时12分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第三颗北斗导航卫星送入预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步，卫星组网正按计划稳步推进。据中国卫星导航工程中心负责人介绍，我国正在实施北斗卫星导航系统（COMPASS，中文音译名称BeiDou）建设工作，规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。此前，已成功发射了两颗北斗导航卫星，这一颗卫星为静止轨道卫星（GEO卫星）。按照建设规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。2010年6月2日晚23时53分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第四颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道。2010年8月1日5时30分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲长征三号甲”运载火箭，成功发射第五颗北斗导航卫星。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO卫星），也是中国连续发射的第3颗北斗导航系统组网卫星。此次发射的卫星及其运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。本次卫星发射也是中国“长征”系列运载火箭第126次航天飞行。北京时间2010年11月1日0时26分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭成功将第六颗北斗导航卫星送入太空，这是我国连续发射的第4颗北斗导航系统组网卫星。在这次发射中，中国卫星导航系统管理办公室首次在运载火箭上使用了北斗卫星导航系统标志。蓝色圆形标志包含有北斗七星、司南、网格化地球等元素以及北斗卫星导航系统的中英文名称，表明北斗系统星地一体，为全球提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务的行业特点，展示其开放兼容、走向世界、服务全球的建设宗旨。这是长征系列运载火箭的第133次飞行。北京时间2010年12月18日4时20分，我国在西昌卫星发射中心使用“长征三号甲”运载火箭，成功将第7颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。至此，2010年我国共进行了15次成功发射，创历史新高，而这样的发射密度在国际上与美俄相当。第七颗北斗导航卫星是一颗倾斜地球同步轨道卫星，也是我国连续发射的第5颗北斗导航系统组网卫星。第七颗北斗导航卫星的成功发射，表明北斗卫星导航系统组网建设正按计划顺利推进，今后几年将持续进行组网发射。我国自主卫星导航系统建设进入新的发展阶段。这颗卫星将与2010年发射的5颗导航卫星共同组成“3+3”基本系统（即3颗GEO卫星加上3颗IGSO卫星），在轨验证和系统联调后，将具备向我国大部分地区提供初始服务的条件。这次发射的卫星和火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第137次飞行。2011年4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第8颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。据了解，这是2011年北斗导航系统组网卫星的第一次发射，同时也是我国“十二五”期间的首次航天发射。2011年7月27日5时44分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第九颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，这是北斗导航系统组网的第四颗倾斜地球同步轨道卫星。这次北斗导航卫星的成功发射，标志着我国北斗区域卫星导航系统建设又迈出了坚实一步。北斗卫星导航系统发射现场2011年12月2日清晨5时07分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，将中国第十颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。这是中国北斗卫星导航系统组网的第五颗倾斜地球同步轨道卫星，此次第十颗北斗导航卫星的成功发射，标志着中国北斗区域卫星导航系统建设又迈出重要一步。次卫星发射是中国“长征”系列运载火箭第153次航天飞行。按照“三步走”的发展战略，我国还将陆续发射多颗组网导航卫星，不断提升系统服务性能，扩大覆盖区域，完成北斗区域卫星导航系统建设。2020年左右，将建成由30余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。2012年2月25日凌晨0时12分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第十一颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。这是一颗地球静止轨道卫星，也是中国2012年发射的首颗北斗导航系统组网卫星。这是中国“长征”系列运载火箭第158次航天飞行。2012年4月30日，北京时间凌晨4时50分，中国在西昌卫星用“长征三号乙”运载火箭将中国第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星顺利送入太空预定地球同步转移轨道。这是中国北斗卫星导航系统首次采用“一箭双星”方式发射导航卫星，也是中国首次采用“一箭双星”方式发射两颗地球中高轨道卫星。这是中国“长征”系列运载火箭第160次航天飞行。2012年9月19日3时10分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，采用一箭双星方式，成功将第十四颗和第十五颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨道。这是我国第二次采用一箭双星方式发射北斗导航卫星，也是北斗卫星导航系统组网的第三次发射。此次北斗导航卫星的成功发射，标志着我国北斗卫星导航系统快速组网，并投入使用的将会更快地实现，卫星定位技术日臻成熟。2012年10月25日23时33分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”火箭，成功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道。这是我国二代北斗导航工程的最后一颗卫星，这是长征系列运载火箭的第170次发射。至此，我国北斗导航工程区域组网顺利完成。2013年10月30日，泰国科技部地理空间技术局、武汉信息技术外包服务与研究中心联合项目评估委员会项目可行性研究和商业模型新闻发布会在曼谷召开。此次招标发布会由泰国科技部、武汉信息技术外包服务与研究中心共同举办。招标完成后，灾害预测系统建设将被列入泰国政府经济发展建设规划，预计在2014年年初投入实施，主要服务于泰国农业的灾害预警，此外还辐射泰国交通、电力、环境等领域。此次合作是中国“北斗”第一次在国外落地使用，北斗卫星导航产业在东南亚国家的推广和应用迈出了一大步。[7]2013年12月27日，北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周年新闻发布会在国务院新闻办公室新闻发布厅召开，正式发布了《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统文件。（2）北斗卫星现状中国从二十世纪八十年代初期开始利用国外导航卫星，开展卫星导航定位应用技术开发工作，并在大地测量、船舶导航、飞机导航、地震监测、地质防灾监测、森林防火灭火和城市交通管理等许多行业得到了广泛应用。中国在1992年加入了国际低轨道搜索和营救卫星组织（COSPAS-SARSAT），以后还建立了中国任务控制中心，大大提高了船舶、飞机和车辆遇险报警服务能力。当前，北斗卫星导航系统建设已进入关键时期，将于2012年建成覆盖亚太地区的北斗区域卫星导航系统。我国正以“质量、安全、应用、效益”的总要求，坚定不移地按照“三步走”战略实施北斗卫星导航系统发展计划。第一步，2003年，建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统；第二步，2012年左右，将建成由10多颗卫星组成的北斗区域卫星导航系统；第三步，2020年，将建成由30多颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统。2011年4月，第八颗北斗导航卫星成功发射，除部分卫星用于系统试验验证和信号测试外，已构成“3+3”（3颗GEO卫星加上3颗IGSO卫星）基本系统。经在轨测试后，即将具备向我国大部分地区提供初始服务的条件，北斗卫星导航系统组网计划与应用推广迈出重要一步，使我国成为继美、俄之后，世界上第三个具备自主无源卫星导航定位能力的国家。今明两年，还将陆续发射多颗组网卫星，建成北斗区域卫星导航系统，为我国及周边地区提供统一的时空基准服务。与此同时，北斗应用也将逐步走进各行各业和千家万户。为确保北斗系统实现发展目标，促进北斗应用质量效益，政府将积极推动各项政策举措，推动系统建设应用又好又快发展。在系统服务方面，北斗系统将按计划建成，为全球用户提供免费、高质量、高可靠服务，并持续提升性能；在应用产业化方面，将逐步发布北斗公开服务接口控制文件（ICD），加大核心芯片等基础产品技术攻关力度，加快推进北斗行业和区域示范项目，积极推进以北斗为核心的位置服务产业；在关键技术攻关方面，持续推动系统建设与应用技术攻关，形成产、学、研、用体系，进一步加强基础学科研究和学术交流；在国际合作方面，积极参与国际GNSS性能监测研究，推动北斗与其他GNSS兼容与互操作，逐步融入国际民航、海事等标准体系。二、北斗卫星定位的基本原理北斗卫星定位系统是全球卫星定位系统的一种，他工作的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当北斗卫星行为系统的卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。北斗卫星定位系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见北斗卫星定位系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。工作原理1北斗卫星定位系统接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及北斗卫星定位系统信息，如卫星状况等。北斗卫星定位系统接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。3北斗卫星定位系统接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位