北斗卫星导航系统介绍

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• 北斗卫星导航系统可分为北斗一号卫星导航定位系 统和北斗二号卫星导航定位系统两大类。
注:2012年12月27日,正式公布了北斗卫星导航系统的英文名 称,即BeiDou Navigation Satellite System,缩写为BDS,旧译 Compass被取消。
北斗一号卫星导航定位系统
北斗一号卫星导航定位系统是一种全天候、高精度、区域性的 卫星导航定位系统,可实现(有源)定位、通信和授时三大功 能。整个系统由两颗地球同步(GEO)卫星、地面测量控制中 心站(简称中心站)和用户机共三部分组成,各部分间由无线 链路连接。
用户类别 一类 二类 三类
服务频度 300~600秒 10~60秒
1~5秒
备注 默认600秒 默认60秒
默认5秒
通信等级 电文长度
备注
1
110 bit 7个汉字和27个BCD码
2
408 bit 29个汉字和102个BCD码
3
628 bit 44个汉字和157个BCD码
4
848 bit 60个汉字和210个BCD码
北斗卫星导航系统
Beidou Navigation Satellite System
定位原理
简单地讲,就是借助若干个已知参考点来推算出未知点的坐标。 以平面坐标轴为例,已知两个点A,B的坐标,并且知道某个点U分 别A,B点的距离,就可以列一个方程组来求解U点所在的位置。
x xa 2 y ya 2 ra2 x xb 2 y yb 2 rb2
RNSS
Radio Navigation Satellite System 卫星无线电导航业务
• 北斗二号卫星导航定位系统既保留了RDSS,又拓展 了RNSS;
• GPS、GlONASS、Galileo都属于该系统;
• 由于服务范围内用户在任意时刻都能够接收到4颗以 上的卫星信号,所以用户不再依赖于地面测量控制 中心站,可自主完成(无源)定位、测速、授时等 功能,也不再受到客户容量和服务频度的限制。
中心站
用户2
监听
中心站会将下属终端用户的定位结果或通信内容发送至对应的北 斗指挥终端用户上,也就是说北斗指挥卡具有监听下属卡的功能。
卫星
从属
用户1 指挥机
中心站
用户2
通播
指挥终端具有对自己下属终端通播的功能,类似于短信的群 发功能,可应用于紧急通知、天气播报等。
卫星
指挥机
中心站
用户1
用户2 用户3
• 地面控制中心站可以 保留所有北斗用户的 位置及时间信息,便 于对下属的监控与管 理。
缺点:
• 北斗用户需要包含发射器,因 此在体积、重量、价格和功耗 等方面需要做出巨大牺牲;
• 北斗用户需要主动向地面控制 中心站发出服务申请,这就意 味着用户失去了无线电隐蔽性, 尤其对军事上非常不利;
• 双向传播的时差会导致用户的 定位结果误差增大,尤其是高 速运动的用户;
x xi 2 y yi 2 z zi 2 ct ri2 i 1,2,L
可以看出,存在4个未知数,因此地球上任意一点至少需要4颗 卫星才能进行三维定位。
北斗卫星导航系统简介
• 中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星 导航系统,是继美国全球定位系统GPS、俄罗斯格 洛纳斯卫星导航系统GLONASS之后第三个成熟的 卫星导航系统,与GPS、GLONASS、Galileo等合 称GNSS(全球导航卫星系统)。
• 受限于卫星的数量和信道,北 斗用户的容量是有限的,并且 用户还会受到服务频度和短报 文长度的双重约束。
北斗二号卫星导航定位系统
• 北斗二号卫星导航系统(BD2)是中国独立开发的全球卫星导航系统,它 并不是北斗一号的简单延伸,而是克服北斗一号存在的缺点,提供海、陆 、空全方位的全球导航定位服务,类似于美国的GPS和欧洲的伽利略定位 系统。
授时
• 授时是指利用无线电波发播标准时间信号的工作,根据授 时手段的不同分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联 网和电话授时等。
• 简单地说,用高精度的时钟去校正低精度的时钟。 • 要校正低精度的时钟,就必须知道低精度时钟与高精度时
钟的误差,这个误差又称为“钟差”。 • 北斗一号卫星系统具有单向授时、双向授时两种方法。
2 2
ra2 rb2
x xc 2 y yc 2 rc2
A xa , ya
ra
B xb, yb
rb
U x, y
rc
C xc , yc
在二维空间下,至少需要2个已知参考点才能完成定位。 同理,三维空间下的点,至少需要3个参考点才能完成定位。
定位条件
1、足够的已知点(卫星) 2、未知点到已知点的距离
③ 由于中心站和两颗卫星的位置坐标均是已知的,即s1、s2已知,因此可以计算 出用户分别到两颗卫星的距离r1、r2 ,用户则处于以两颗卫星为球心的球面交 线圆弧上;
④ 中心站从数字化地形图查寻到用 户高程值或者由用户自己提供高 程值,又可知道用户处于某个与 地球基准椭球面平行的椭球面上 ,从而地面控制中心站可最终计 算出用户所在的位置坐标值;
• 27颗MEO卫星分布在倾角为55°的3个轨道平面上,每个面上有9颗卫星 ,轨道面之间为相隔120°均匀分布。
• 从2007年04月14日到2016年06月12日,我国目前已经发送23颗北斗二号卫 星,目前已经能够覆盖我国本土的区域导航系统,覆盖范围 70°E~140°E,5°N~55°N。
• 北斗二号能够提供通信、(有源与无源)定位、测速、授时等服务,定位 精度可达10m,授时精度可达20ns,测速精度可达0.2m/s。
卫星是按照预设的轨道和速度 运行的,卫星会定期将自己的 星历、历书等以导航电文的方 式向覆盖区域广播,用户在接 收并解算出导航电文,就可以 根据卫星星历来计算卫星发送 信号时的位置与速度。
伪距=传播时间×传播速度
传播时间=接收时间-发出时间
由于本地时间(一般为石英钟 )与卫星时间(原子时钟)不 同步,会存在一个叫钟差的未 知数,造成传播时间误差较大 ,所以测量出的距离不是真实 距离,故称“伪距”。
RDSS
Radio Determination Satellite Service 卫星无线电测定业务
由于北斗一号只有2颗卫星,用户无法独立完成的定位,因此需要借助外 部系统来完成定位。RDSS是北斗一号卫星系统独有的工作模式。
① 首先由中心站向2颗北斗卫星 发送出站询问信号;
② 2颗北斗卫星将接收到出站询 问信号变频放大后,向服务 区域内的用户广播;
单向授时
如果用户的位置坐标是已知的、准确的,就可以采用单向授时的方法:
① 将本地接收信号的时间和中心站发出信号的时间作差,就可以得到
估计的信号传播时间toff;
② 由于卫星、中心站和用户的位置都是准确已知的,所以可以求出信
号的实际传播时间,即上行时间tup 与下行时间tdown 之和;
③ 那么本地时钟与卫星时钟的钟差就可以用公式∆t=toff-tup-tdown 得到, 然后采用移相的方法调整本地钟输出的秒脉冲(PPS),皆可以消 除钟差,实现本地时钟与北斗时钟的同步。
历史发展
• 20世纪60年代末开展了卫星导航系统的研制工作; • 20世纪70年代后期开展了探讨适合国情的卫星导航定位系统的体制研
究;
• 1983年提出了利用2颗地球同步静止卫星实现区域性导航定位并兼有 短报文通信的双星导航定位系统;
• 1988~1989年利用现有的2颗C频段通信卫星成功进行了“双星快速导航 定位通信系统演示实验”,证明了系统体制的正确性和可行性;
• 1993年进一步进行双星定位系统试验,1994年双星导航定位系统工程 正式启动;
• 2000年10月31日成功发射北斗-1A,位于140°E的赤道上空; • 2000年12月21日成功发射北斗-1B,位于80°E的赤道上空; • 2003年5月25日成功发射北斗-1C,位于110.5°E的赤道上空; • 2004年北斗导航定位系统正式投入运营; • 2007年2月3日成功发射北斗-1D,位于86°E的赤道上空。
A xa , ya
ra
B xb, yb
rb
U x, y
注:该方程组会得到2个解,在实际情况下会根据经验或者限制 条件来剔除掉其中1个解,又或者引入更多的已知参考点。
Baidu Nhomakorabea
再引入一个参考C,并得到未知点到C点的距离,再列新 的数学方程式,就可以得到唯一解。
x x
xa xb
2 2
y y
ya yb
注:短报文属于RDSS的功能,仍然受到客户容量、 服务频度和通信等级的限制。
无源定位 和授时
卫星1
x1
,
y1
,
z1
卫星2
x2, y2, z2 r2
r1
卫星3
x3
,
y3
,
z3
r3 rn
卫星n
xn, yn, zn
如果用户收到n(n≥4)颗卫星 的信号,那么就可以根据的定 位原理解算出用户的所在位置 以及本地与卫星之间的钟差, 实现无源定位和授时。
• 北斗二号卫星导航定位系统计划由35颗卫星组成,包括5颗静止轨道( GEO)卫星、27颗中地球轨道(MEO)卫星、3颗倾斜同步轨道(IGSO )卫星。
• 5 颗 静 止 轨 道 卫 星 定 点 位 置 为 58.75°E 、 80°E 、 110.5°E 、 140°E 、 160°E,可提供RNSS和RDSS信号链路;
③ 用户接收某1颗卫星的询问信 号后,向2颗卫星同时发送入 站响应信号,经2颗卫星转发 回中心站;
④ 中心站接收并解调用户发来 的入站响应信号,然后根据 用户的申请服务内容进行相 应的数据处理。
北斗智能卡
• 北斗一号卫星系统提供的是有偿服务,用户机需要装载授 权的北斗用户卡才能使用,每张北斗智能卡都有唯一的序 列号,类似于手机号,用于身份识别。
一般情况下,北斗下属卡的服务频度为60秒,北斗指挥卡的 服务频度为5秒或1秒。
北斗指挥机端或用户机接收端接收短报文不受时间频度的制约
有源定位
① 第一个时间延迟是指从中心站发出询问信号,经某颗卫星转发给用户,用户 发出定位响应信号,再经同颗卫星转发回中心站的时间延迟;
② 第二个时间延迟是指从中心站发出询问信号,经同颗卫星转发给用户,用户 发出定位响应信号,再经另一颗卫星转发回中心站的时间延迟;
卫星
tdown toff
用户
tup
中心站
如果用户的位置为未知的或者不准确 的,无法计算出出站信号的下行时间, 因此无法得到信号实际的传播时间, 只能采用双向授时的方法:
① 中心站先发出站信号,用户接收 后并发入站信号给中心站,中心 站根据接收与发出信号的时间差 来计算出信号的双向传播时间toff ; 由于该时间差完全由中心站计算 得到,因此无本地时间无关,不 存在钟差这个未知数。
② 在不考虑用户运动的情况下,可
认为出站和入站的时间是相同的,
因此可得到出站信号的实际传播
时间为toff/2;
用户
③ 中心站再将这个出站信号的实际
传播时间发送给用户,就可以根
据单向授时的方法来对用户的本
地时间进行授时。
双向授时
卫星
tdown
tup
toff
中心站
总结
优点:
• 通信功能能够解决野 外、灾区等地面通信 难以覆盖或者被破坏 的问题;
短报文的收发过程
① 发送方首先将包含接收方ID号和通信内容的通信申请信号进行加密, 然后通过卫星转发至地面控制中心站;
② 地面控制中心站接收到通信申请信号后先将其解密,然后再加密, 再通过卫星转发给接收方;
③ 接收方接收到出站信号,对信号进行解调解密,得到发送方的信息, 即完成一次通信。
卫星
用户1
⑤ 最后,中心站将定位结果通过卫 星转发给用户,即完成有源定位 。
卫星2
r2
r1
卫星1
s2
s1
用户
中心站
短报文通信
北斗一号卫星与国际通信卫星一样,可以完成通信任务。北斗短 报文可以在没有通信和网络的海洋、沙漠和野外,或者移动通信 与电力中断的灾区发挥出巨大的应用价值。
在2008年汶川地震时,进入重灾区的救援部队就利用北斗短报文 功能突破了通信盲点,与外界取得联系,通报了灾情,供指挥部 及时做出决策。
• 北斗智能卡可分为主卡(又称指挥卡)与子卡(又称下属 卡),一张主卡可拥有若干张子卡,一张子卡可从属于多 张主卡。
• 北斗智能卡又分为北斗民用智能卡和北斗军用智能卡,一 般情况情况下,军用卡要求焊接在用户机里,而民用卡则 可以随意装载和取出。
服务频度与通信等级
受限于卫星的数量与信道,卫星不能够无时无刻地、无限制 地为北斗终端用户服务,因此需要对北斗智能卡的服务频度 和通信等级进行控制。
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