卫星导航技术专题讲座_二_第3讲我国卫星导航定位系统简介

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军 事 通 信 技 术
2009 年
精度时间频率传递, 目前联通公司和移动公司基站的时间基准已开始使用 “北斗一代” 授时型设备进行授时, 以避免仅利用 GPS 系统授时带来的安全隐患。该系统可为我国灾情信息的采集、 灾害应急指挥提供一个有 力的技术支撑手段。 “北斗一代” 卫星导航定位系统既有导航定位功能, 又有短报文通信功能, 在我国偏远贫 困、 通信不通畅的山区进行使用更具有明显的应用优势。 此外, 北斗系统在海洋渔业领域已进入全面推广应 用阶段, 已成为远洋渔船出海捕捞的 “保护神” 。 在军用方面, 北斗系统的应用优势已深入到部队信息化作战 的诸多领域, 并有进一步提升系统性能的空间。
3. 解放军理工大学通信工程学院训练部, 江苏 南京 210007)
Ξ
( 1. 解放军理工大学通信工程学院研究生 2 队, 江苏 南京 210007; 2. 第二炮兵装备研究院, 北京 100085;
“北斗一代” 卫星导航系统的组成和定位原理, 分析了 “北斗一代” 导航系统的功能 摘 要: 概要介绍了我国 和局限性。对 “北斗二代” 卫星导航系统的发展建设情况进行了简要介绍。最后阐明了我国自主发展卫星导航定位 系统的意义。
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李 罡等: 我国卫星导航定位系统简介
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观测量, 在可见卫星数大于四时, 用户可根据伪距观测量解算出三维位 置。
Ke y w o rds : naviga t ion po sit ion ing system ; BN T S; CN SS
全球导航卫星系统因其全球、 全天候、 连续和高精度的特点, 已经在遍及陆地、 海洋、 天空和太空的各类 军事及民用领域得到广泛运用, 成为目前最常见的导航技术。卫星导航已经成为一个跨学科跨行业的战略 性产业, 美国、 俄罗斯、 欧洲已经拥有或者正在建设自己的全球卫星导航系统。卫星导航系统是重要的空间 基础设施, 为人类带来了巨大的社会和经济效益。我国作为发展中的大国, 拥有广阔的领土和海域, 高度重 视卫星导航系统的建设, 一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。 本文分别对我国 “北斗一代” 卫星导航定位系统和 “北斗二代” 卫星导航定位系统进行简要的介绍。
关键词: 导航定位系统; 北斗一代导航定位系统; 北斗二代导航定位系统 中图分类号: TN 96711 文献标识码: A 文章编号: CN 3221289 ( 2009) 0420094204
S umm a ry of S a te llite N a v ig a tion P os ition ing S ys tem in பைடு நூலகம் h ina
L I G ang , W A N G Z h i 2 m ing , L V J ing
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( 1. Po stgradua te T eam 2 ICE, PLAU ST , N an jing 210007, Ch ina; 2. In stitu te of Second A rtillery Equ ipm en t, B eijing 100085, Ch ina; 3. T ra in ing D ep a rtm en t ICE, PLAU ST , N an jing 210007, Ch ina )
A bs tra c t: T he po sit ion ing p rincip le and com ponen t s of BN T S (B eidou N aviga t ion T est Sys2
tem ) w ere in t roduced. T he system ′ s funct ion s and lim ita t ion s w ere ana lyzed. T he developm en t of CN SS (Com p a ss N aviga t ion Sa tellite System ) w a s in t roduced. T he sign ificance of develop ing ou r ow n sa tellite naviga t ion po sit ion ing system indep enden t ly w a s expounded.
2007 年 4 月 14 日我国成功发射首颗 “北斗二代” 实验卫星[ 6 ]。2009 年 4 月 15 日, 我国又成功发射第二颗
“北斗二代” 导航卫星[ 7 ] , 如图 3 所示。 “北斗二代” 能够兼容 “北斗一代” 定位方式, 即支持卫星无线电定位业务 (RD SS ) ; 还可支持与 GPS 系统 原理相同的方式进行定位, 并称之为无线导航卫星业务 (RN SS ) 。它对可见卫星的信号进行测量而获得伪距
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双向数据通信和精密授时结合在一起, 系统自身包含广域差分标校以提高定位精度。
111 发展历程 1983 年, 我国的陈芳允院士提出了双静止卫星定位通信导航系统的原理, 引起了总参测绘局的重视, 并
开始筹划建设自主卫星导航定位系统。 1994 年正式立项建设 “双星” 快速定位通信系统, 并命名为 “北斗一 号” 。2000 年 10 月 31 日和 12 月 21 日, 我国相继发射了两颗北斗导航试验卫星, 成功进入东经 80° 和 140° 的预 [1 ] 定地球静止轨道 , 标志着我国 “北斗一代” 卫星定位导航系统初步建成。2003 年 5 月 25 日, 成功发射第 3 颗 北斗卫星 ( 备份卫星) , 进入东经 110° 的地球静止轨道。 2004 年 4 月 “北斗一代” 正式建成并投入使用。
第 30 卷 第 4 期 2009 年 12 月
军 事 通 信 技 术
Jou rna l of M ilita ry Comm un ica tion s T echno logy
Vol . 30 N o. 4 D ec. 2009
卫星导航技术专题讲座 ( 二)
第 3 讲 我国卫星导航定位系统简介
李 罡1 , 王志明2 , 吕 晶3
113 系统功能及应用领域
“北斗一代” 卫星导航定位系统主要包括以下 3 种功能。 ( 1 ) 快速定位。北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、 高精度、 快速实时定位服务, 定位精度: 20 m～ 100 m 。 ( 2) 短报文通信。北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力, 用户一次可传送 120 个汉字的短报文 信息, 该服务是我国导航定位系统的一大特色。 ( 3) 精密授时。北斗系统具有精密授时功能, 单向授时精度 100 n s, 双向授时精度 20 n s。 “北斗一代” 卫星导航定位系统是覆盖我国本土的区域导航系统, 具有自主产权, 安全性高, 定位精度可 以满足一般民用的需求, 因而获得了广泛的应用。在 2008 年四川汶川大地震抗震救灾和 2008 年北京奥运安 保中, 发挥了重要的积极的作用。该系统可为公路交通、 铁路运输、 海上作业等领域提供导航服务。可用于高
112 系统组成及定位原理
“北斗一号” 卫星导航定位系统由空间卫星、 地面系统和用户设备三大部分组成, 如图 1 所示[ 2 ]。 空间卫星部分: 三颗 “北斗一号” 对 ( 地静止轨道卫星 位于东经 80° 和 140° 的 两颗工作卫星, 位于东经 110° 的一 颗备用卫星) ; 地面系统部分: 一个位于 北京的配有电子高程图的地面中心站 ( 含主控站和计算中心) 、 分布全国的二 十余个测轨及标校站; 用户设备部分: 大量的北斗用户设备。 各部分之间由出站链路 ( 地面中心 站2卫星2用户设备) 和入站链路 ( 用户 设备2卫星2地面中心站) 相联系。 卫星 转发器用于转发地面中心站出站信号 和标校站、 用户设备的入站信号。 地面 中心站接收入站信号, 完成定位、 通信 和定时信号的处理, 编制并发送导航电 图 1 北斗系统组成 文, 监视和控制整个系统的工作情况。 标校站为卫星精密定轨、 定位差分处理提供基准测量数据。 用户设备具有收发信功能, 用于接收地面中心站 通过卫星转发来的信号和向地面中心站发送定位、 通信或定时申请信号, 不需定位解算处理, 设备比较简单。 “北斗一号” 卫星导航定位系统采用卫星无线电定位业务 (RD SS ) 原理工作。 中心站向用户广播询问信 号, 用户响应其中一颗卫星的信号, 通过两个卫星向中心站发送响应信号。由于卫星的位置精确可知, 中心 站可测得用户与两个卫星之间的距离, 获得两个方程, 中心站存有高精度的高程数字地图, 从而可以计算出 用户的三维坐标再告知用户, 同时完成了位置报告和用户位置信息共享。
图 2 北斗二号工作设想图
颗在 21500 km 高度运行的中轨卫星 (M EO ) 和 3 颗分别处于三个轨道上飞行于 36000 km 高度的斜轨卫星 ( IGSO ) [ 4 ]。 “北斗二代” 二期工程则是在此基础上完成由5 颗地球静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星组成 的 “北斗二代” 卫星导航定位系统, 实现全球覆盖[ 5 ]。
1 “北斗一代” 卫星导航定位系统
“北斗一代” 导航定位系统, 是一个全天候、 全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统, 它将导航定位、
Ξ 收稿日期: 2009206225; 修回日期: 2009209230 作者简介: 李 罡 (1982- ) , 男, 博士生.
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李 罡等: 我国卫星导航定位系统简介
114 系统的不足
由于 “北斗一代” 卫星导航定位系统是区域导航系统, 终端定位以有源方式工作, 使得 “北斗一代” 卫星导 航定位系统具有以下不足。 ( 1) 系统生存能力较差。 北斗系统的定位工作依赖于地面中心站, 一旦地面中心站受损, 系统就不能继 续工作。而国外的卫星导航系统, 在地面中心站被摧毁的情况下, 由于星座具有自主导航能力, 仍能够维持 数十天满足定位精度的运行。 ( 2) 定位精度受限。 由于导航卫星都集中在赤道上, 用户定位时的几何构形不甚理想, 特别是低纬度地 区。 “北斗一代” 卫星导航定位系统三维定位精度约几十米, 授时精度约 100 n s; 而 GPS 三维定位精度 P 码目 前已由 16 m 提高到 6 m , C A 码目前已由 25 m～ 100 m 提高到 12 m , 授时精度已达到约 20 n s。 ( 3) 用户数量有限。 “北斗一代” 卫星导航定位系统由于是基于双向测距的询问—— 应答系统, 用户设 备与 GEO 卫星之间不仅要接收地面中心站的询问信号, 还要求用户设备向卫星发射应答信号, 所以系统的 用户容量取决于允许的用户定位成功率、 询问信号的信息速率和用户的使用频度。 ( 4) 只能实现区域覆盖, 可用性受限。 北斗系统主要覆盖东经 70° ～ 140° 、 北纬 5° ～ 55° 的范围, 是一个区 域导航系统。 ( 5) 隐蔽性差。 终端工作于有源定位模式, 需要主动发送信号, 导致容易被发现。 而且由于需要发送信 号, 因此其体积、 重量、 功耗、 成本等方面均处于不利地位。 ( 6) 不适于高速载体的导航与定位。由于完成一次定位时间不少于 016 s, 对飞机、 导弹这种高速运动的 用户, 长的定位时间, 会加大定位的误差, 因此, 北斗系统主要适合车辆、 船舶等慢速运动的用户。
2 “北斗二代” 卫星导航定位系统
211 发展现状及定位原理
为满足国家对卫星导航定位应用和长远经济发展的需求, 针对 “北 斗一代” 卫星导航定位系统的诸多不足, 我国在该系统的基础上发展了 “北斗二代” 卫星导航定位系统 ( 如图 2 所示) [ 3 ]。 根据 “先区域, 后全球” 的建设思路,“北斗二代” 卫星导航定位系统建设分为两个阶段。 “北斗 二代” 一期工程计划在 2012 年前完成 12 颗 “北斗二代” 星的组网, 实现 区域覆盖, 包括 5 颗在 36000 km 高度运行的地球同步卫星 (GEO ) , 4