北斗二号卫星导航系统介绍与应用

北斗二号卫星导航系统介绍及应用

南京工业大学工业工程

北斗二号卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗二号系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。

北斗二号卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。

北斗二号卫星导航系统是在北斗一号的基础上建设的卫星导航系统，但其并不是北斗一号的简单延伸，完整构成的北斗二号卫星导航系统是一个类似于GPS和GLONASS的全球导航系统。

一．研发背景

1.重要的战略意义

战略意义一：建设北斗卫星导航系统，是提高我国国际地位的重要载体战略意义二：是促进和推动经济社会发展的强大动力。战略意义三：是推动我国信息化建设的重要保证。战略意义四：是应对重大自然灾害的生命保障。战略意义五：是增强武器效能，维护国家安全的根本命脉v战略意义七：是我国履行航天国家国际责任的需要。战略意义八：对提升中国航天的能力，推动航天强国建设意义重大。

2.北斗一号卫星导航系统及其不足

北斗一号卫星导航系统是我国第一代区域卫星导航系统，也是继GPS和GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。作为我国自主建设的卫星导航系统，其政治，经济，军事意义不言而喻。同美国的GPS相比。有其独特之处，如其具有短信通讯功能就是GPS所不具备的，但总体来看，北斗一号存在明显不足：

1.定位原理：北斗一号是主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据；GPS是被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备独立解算自己三维定位数据。

2.用户容量：北斗一号由于是主动双向测距的询问应答系统，其用户设备容量有限；GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的

3.生存能力：和所有导航定位卫星一同一样，北斗一号基于中心控制系统和卫星的工作，但是北斗一号对中心控制系统的依赖性明显要大的多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成

4.实时性：北斗一号用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的

三维位置数据之后再发回用户，因此对于高速运行

体就加大了定位的误差

二.北斗二号卫星导航系统

由于以上北斗一号的种种不足，北斗二号应运

而生，北斗二号卫星导航系统的第一步建设目标是

区域导航系统，同北斗一号相比，定位原理的不同

是两个系统的最根本的区别，北斗二号不再采用主

动式双向测距的定位方式，而是改为与GPS相同的单向测距三维导航，由主动式双向测距定位本身的技术缺陷引起的诸多问题即迎刃而解。

1.北斗二号卫星导航系统导航过程：

用户设备部分北斗二号信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

定位原理：北斗二号卫星导航系统定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置接收机，可以测定卫星信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。

2.北斗二号卫星导航系统和GPS定位系统的对比（定位精度数据为单一定位源定位数据）

与GPS先比北斗二号卫星导航系统缺陷：第一，如果要保持卫星导航的高精度，卫星上必须配有高稳定性、高精度的原子钟，“在原子钟的技术精度和稳定性上，我们和美国还有差距，需要花大力气进行自主研发。”第二，作为当今世界唯一的超级大国，美国拥有雄厚的经济实力，并掌握着其他国家难以企及的战略资源。这些都可以保证美国实现在全球范围内布控卫星监控网络。而中国则只能在本国区域内布网，这对于卫星上天后的测控和维护是一大难点。第三，GPS在问世的近30年时间里积累了大量的空间实验数据，而其中最重要的太阳光压变化对于卫星所产生影响的数据，已经建立起数据模型，精度很高。“而中国的北斗系统还处于起步阶段，还需要在摸索中前进。”

三．北斗二号卫星导航系统应用

目前，处军事用途外，北斗系统提供的定位、导航、授时、短报文等服务，在交通运输、气象、渔业、林业、测绘、应急救援等领域的应用逐步成熟。大众车载、智能手机等应用逐步面市，卫星导航产业也从传统的产品产业，向精度增强、电子地图、位置服务、质量检测等相关产业拓展，进一步与汽车电子、地理信息、移动互联网、物联网和智慧城市等产业融合发展，一个新的时空服务体系正在构建，综合信息服务的巨大产业正在形成。

下边将介绍几种最新的导航应用：

1.基于卫星导航系统的谷歌无人驾驶汽车技术

车顶上的扫描器发射64束激光射线，然后激光碰到车辆周围的物体，又反射回来，这样就计算出了物体的距离。另一套在底部的系统测量出车辆在三个方向上的加速度、角速度等数据，然后再结合GPS数据计算出车辆的位置，所有这些数据与车载摄像机捕获的图像一起输入计算机，软件以极高的速度处理这些数据。这样，系统就可以非常迅速的作出判断。

2.车联网

根据中国物联网校企联盟的定义，车联网是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络。通过GPS、RFID、传感器、摄像头图像处理等装置，车辆可以完成自身环境和状态信息的采集；通过互联网技术，所有

的车辆可以将自身的各种信息传输汇聚

到中央处理器；通过计算机技术，这些大

量车辆的信息可以被分析和处理，从而计

算出不同车辆的最佳路线、及时汇报路况

和安排信号灯周期。

3.智能交管技术

智能交通系统是将先进的信息技

术，数据通讯传输技术，卫星精确定位技

术，电子传感技术，电子控制以及计算机

处理技术等有效的集成应用于整个地面

交通管理系统而建立的一种在大范围内，

全方位发挥其实时，准确，高效的综合交通运输管理系统。

2013-5