北斗导航系统知识讲座教材

• 长期以来，美国对本国军方提供的是精确 定位信号，对其他用户提供的则是加了干 扰的低精度信号——也就是说，地球上任 何一个目标的准确位置，只有美国人掌握 ，其他国家只知道个“大概”。在海湾战 争时，美国还曾置欧盟各国利益不顾，一 度关闭对欧洲GPS服务。
北斗初上
提起卫星导航系统，很多人认为就是GPS。 其实，GPS是美国“全球定位系统”(Global Positioning System)的简称。 据统计，GPS在我国导航市场上所占份额在 95%以上。在电力传输、通信、金融等领域，严 重依赖GPS提供的精准时间。
俄罗斯GLONASS
中国北斗
欧盟伽利略
美国GPS
• 是世界上第一个成熟、可供全民使用的全 球卫星定位导航系统，应用范围极其广泛 。该系统由28颗地球同步卫星组成，其中4 颗为备用星，均匀的分布在距离地面20000 千米的6个轨道面上。这些卫星与地面支持 系统组成网络，每隔1~3秒向全球用户播报 信息，使地球上任何地方的用户在任何时 候均可以利用接收机同时接收到至少4颗卫 星的信号。接收机接到信号之后，可以通 过差分定位原理确定自己的位置。
• 北斗系统四大功能
• 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120个汉字的短 报文信息。 • 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。 • 定位精度：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。 • 系统容纳的最大用户数：每小时540000户。
• 军事应用：卫星导航系统是现代军事的“ 太空眼”，没有它，巡航导弹、激光制导 炸弹和战略核导弹都将成为“瞎子”。
• 美国的GPS系统相比，伽利略系统更先进 ，也更可靠。美国GPS向别国提供的卫星 信号，只能发现地面大约10米长的物体， 而伽利略的卫星则能发现1米长的目标。
一位军事专家形象地 比喻说，GPS系统只 能找到街道，而伽利 略则可找到家门。
• 一代“北斗”与GPS系统不同，对所有用户位 置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心 站完成的。因此，地面中心站可以保留全部北 斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的 监控管理。 • 由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定 位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算 用户位置，所以被称为“有源定位”。
Hale Waihona Puke • 工作原理• 北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双 星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心 ，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径， 形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线 的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提 供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度 为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与 地球表面的交点即可获得用户的位置。
• 卫星导航将有利于减缓交通阻 塞，提升道路交通管理水平。 通过在车辆上安装卫星导航接 收机和数据发射机，车辆的位 置信息就能在几秒钟内自动转 发到中心站。这些位置信息可 用于道路交通管理。例如，指 示车辆走畅通的道路，限制进 入拥挤的道路，或通告司机前 方拥堵的情况，建议走车辆较 少的路线。如果车辆超速行驶 而发生交通事故，则撞车时的 速度、位置和时间信息均会被 记录在上，作为判断是否违章 的依据；如果车辆被盗或被抢 ，卫星导航会很快发现并跟踪 其位置，使盗贼无处藏身。
四大系统区别
• • • • GPS:胜在成熟 伽利略胜在精准， 格洛纳斯胜在抗干扰能力强， 中国的北斗卫星导航系统：优势则在于互 动性。
惊喜！！！
• 北京北斗星通导航技术股份有 限公司成功推出国内首颗５５ 纳米北斗芯片以及地灾监测与 驾考系统为代表的北斗新应用 项目。中国北斗导航系统在产 业应用领域正不断通过自主创 新迎来快速发展的新机遇。
发展路线图
北斗卫星导航系统按照三步走的总体规划分步 实施： 第一步，1994年启动北斗卫星导航试验系统
建设，2000年形成区域有源服务能力；
第二步，2004年启动北斗卫星导航系统建设，
2012年形成区域无源服务能力；
第三步，2020年北斗卫星导航系统形成全球
无源服务能力。
发展路线图
导航原理：双星定位
用户提出申请服务项目并发送 入站信号，经两颗卫星转发到 地 面 中 心 ， 地面中心接到此信号后，解调 出用户发送的信息，测量出用 户至两颗卫星的距离，对定位 申请计算用户的地理坐标，由 于H颗卫星的位置是已知的， 分别为两球的球心，另一球面 是基本参数已确定的地球参考 椭球面3球交会点为测量的用 户位置。
GEO 卫星
星座
Non-GEO 卫星
• “北斗第二代导航卫星 网提供两种服务方式： 开放服务和授权服务。 30颗非静止轨道卫星由 27颗中轨卫星和3颗倾斜 同步， 27颗中轨卫星分 布在倾角为55度的三个 轨道平面上，每个面上 有9颗卫星，轨道高度为 21500公里。
空间：北斗第二代导航卫星网
工程建设
建成试验系统，实现从无到有
2000年10月31日 东经140度
2000年12月21日 东经80度
2003年5月25日 东经110.5度
星箭组批生产，启动组网发射
2007年4月14日 MEO卫星
2009年4月15日 GEO卫星
2010年1月17日 GEO卫星
工程建设
系统组成：
空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成
• 卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀 少地区的搜索救援。在发生地震、洪灾等重大灾 害时，救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速 到达救援地点。北斗卫星导航系统除导航定位外 ，还具备短报文通信功能，通过卫星导航终端设 备可及时报告所处位置和受灾情况，有效缩短救 援搜寻时间，提高抢险救灾时效，大大减少人民 生命财产损失。
汶川地震中投入使用的北斗一号卫星导航定位系统手持机，发挥了重要作用。
军用新型北斗卫星导航手持机
应用：卫星导航应用增长情况
陆地应用
海洋应用
航空应用
航天应用 大众消费
2013年，莫斯科市所有公交车将装 备格洛纳斯导航系统
发挥系统特色，应用初见成效
• 当你进入不熟悉的地方时 ，你可以使用装有北斗卫 星导航接收芯片的手机或 车载卫星导航装置找到你 要走的路线。你可以向当 地服务提供商发送文字信 息告知你的要求，如查询 最近的停车位、餐厅、旅 馆或其他你想去的任何地 方，服务商会立即根据你 所在的位置，帮你找到需 要的信息。然后，将一张 地图发送到你的手机上， 甚至还会为你提供酒店房 间、餐厅或停车位预定等 增值服务。
• （一）
<北斗卫星导航>
知识讲座
四大导航系统之一
• 当前全球有四大卫 星定位系统，分别 是美国的全球卫星 导航定位系统 GPS、俄罗斯的 格罗纳斯 GLONASS系统, 欧洲在建的 “伽利略”系统, 和中国的北斗卫星 导航系统。
GPS系统
格罗纳斯系统
“伽利略”系统
竞相发展的全球卫星导航系统
美国GPS
系统组成：
地面段：由主控站、上 行注入站和监测站组成
北斗系统地面段
/listplay/zQAemzYi1cs/FJqQpJWJfqU.html
北斗卫星新闻发布会视频
系统组成
用户段
用户段由北斗用户终端以及与其他GNSS兼 容的终端组成。
北斗系统的用户终端
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• 该系统分为“北斗一代”和“北斗二代”，分 别由4颗（两颗工作卫星、两颗备用卫星）和 35颗北斗定位卫星、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，定位精度可达数十纳秒(ns)的同步精 度，其精度与GPS相当。中国在2000年至 2007年先后发射了四颗“北斗一号”卫星，这 种区域性(中国境内)的卫星导航定位系统，正 在为中国陆地交通、航海、森林防火等领域提 供着良好服务。
• 精确的时间同步对于涉及国家 经济社会安全的诸多关键基础 设施至关重要，通信系统、电 力系统、金融系统的有效运行 都依赖于高精度时间同步。在 移动通信中需要精密授时以确 保基站的同步运行，电力网为 有效传输和分配电力，对时间 和频率提出了严格的要求。北 斗卫星导航系统的授时服务可 有效应用于通信、电力和金融 系统，确保系统安全稳定运行 。
北斗初上
限于国家的财力、技术能力和实际需求，北 斗建设分“三步走”：先建立试验系统，再实施 区域服务，最后建立全球网络。 2000年10月，试验系统第一个卫星被送入轨 道。2003年5月，第三颗北斗卫星成功发射，这 是一颗备份卫星。 这三颗卫星组成完整的试验系统。至此中国 成为继美国、俄罗斯之后，世界上第三个拥有自 主卫星导航系统的国家。
美国GPS系统
• 美国GPS长期垄断 美国国防部从1973年开 始实施的GPS系统，这是世界上第一个全 球卫星导航系统，在相当长的一段时间内 垄断了全球军用和民用卫星导航市场。 GPS全球定位系统计划自1973年至今，先 后共发射了41颗卫星，总共耗资190亿美 元。GPS原来是专门用于为洲际导弹导航 的秘密军事系统，在1991年的海湾战争中 首次得到实战应用。随后，在科索沃战争 、阿富汗战争和伊拉克战争中大显身手。
北斗卫星导航系统简介
• 北斗卫星导航系统 ——世界第三套全球卫星导航系统 • 工程总投资：100亿元 工程期限：1994年——2020年 • 北京时间2012年10月25日，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16颗北斗导航卫 星送入太空。 • 北斗卫星导航定位系统是由中国自行研发的区域性有源 三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球 定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS） 定位系统之后世界第三个成熟的卫星导航系统。
• 全球卫星导航定位系统已 在气象领域得到广泛应用 ，在其基础上组建的地球 大气观测系统是一种重要 的观测技术，可完成对大 气、海洋和空间环境的观 测，以及对环境中重要的 风、云、电进行观测。 • 北斗导航卫星气象应用的 开展，可以促进我国天气 分析和数值天气预报、气 候变化监测和预测，也可 以提高空间天气预警业务 水平，提升我国气象防灾 减灾的能力。 • 除此之外，北斗导航卫星 系统的气象应用对推动北 斗导航卫星创新应用和产 业拓展也具有重要的影响 。
• 海运和水运是全世界最广泛 的运输方式之一，也是卫星 导航最早应用的领域之一。 目前在世界各大洋和江河湖 泊行驶的各类船舶大多都安 装了卫星导航终端设备，使 海上和水路运输更为高效和 安全。北斗卫星导航系统将 在任何天气条件下，为水上 航行船舶提供导航定位和安 全保障。同时，北斗卫星导 航系统特有的短报文通信功 能将支持各种新型服务的开 发。
第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系 统在体制上的差别主要是：第二代用户机可免 发上行信号，不再依靠中心站电子高程图处理 或由用户提供高程信表息，而是直接接收卫星 单程测距信号自己定位，系统的用户容量不受 限制，并可提高用户位置隐蔽性。
其代价是：测距精度要由星载高稳定度的 原子钟来保证，所有用户机使用稳定度 较低的石英钟，其时钟误差作为未知数 和用户的三维未知位置参数一起由4个 以上的卫星测距方程来求解。这就要求 用户在每一时刻至少可见4颗以上几何 位置合适的卫星进行测距，从而使得星 座所需卫星数量大大增多，系统投资将 显著增加。
GPS功用
• 由于GPS技术所具有的全天候、高精度 和自动测量的特点，作为先进的测量手 段和新的生产力，已经融入了国民经济 建设、国防建设和社会发展的各个应用 领域。
GPS功用
• GPS的主要用途： • (1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应 、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测 量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控 制等； • (2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定 、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝 、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升 降监测等； • (3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感 姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救 援和载人航天器防护探测等