_北斗_卫星导航系统的研究

“
北斗 卫 星 导 航 系统 的研 究
黄艳 玉 张 杏谷
,
”
集 美 大 学航海 学院
摘
要
”
“
” 北 斗 卫 星 导 航 系 统 是 我 国 自行研 发 的 卫 星 导航 系统 也 是 继 美 国 的 ! ∀ 俄 罗斯 的 #
, 、
∃ !
%&∋ # (
之后 第三 个 趋 于 成 熟 的 卫 星 导航 系统
、 “
,
。
本 文 论 述 了 北 斗 系统 的 发展 状 况 第一 代
”
, “ ” 。
“
、
) ’ 斗 系统 的 定位原 理 第二 代 北 斗 的 信 号 频讲及 编 码 为 北 斗 系统 的 应 用 提供 参考 , 匕
”
关 挂词
“
北 斗 卫 星 导航 系统 ∗ 定 位 ∗ 频 讲 ∗ 编 码
”
+
引
、
言
”
, 、 ,
) ’ 斗 , 匕 卫星 导航 系统是 我 国 自 研 发 的卫星 导 航 系统 其 具 有定位 通 信 功 能 是 继美 国 主
的 ! ∀# 俄 罗 斯 的 ! ∃ %
、 、 、 、
&∋(
,
之后 第 三 个趋 于 成熟 的卫 星 导航 系统 它 改变 了 我 国 长期缺 少 高
, , 。 ,
、 、 、 、 、 、
精度 实 时定位 手段 的局 面 打破 了美 国和 俄 罗 斯在 这 一 领 域 的 垄 断地 位 目前 该 系统在 我 国测 绘 电信 水利 气 象 煤炭 公路 交通 铁路交 通 渔 业生 产 勘 探 农 业 森 林 防火 和 国家安
、
全等 诸多 领域 逐步发 挥重 要 作用
, ,
。
第一 代 北 斗 卫 星系 统 只 有 , 颗 工 作 卫 星 和
“
”
,
−
颗 备 用卫
星 位 于 地 球 同步轨道 覆 盖范 围 仅 限于 中 国本 土 及 周边 地 区 工 作效率 和 精 确 度 远 不 及 美 国
的全 球定 位 系统 ! ∀ #
“
”
。
+ 第二 代 北 斗 卫星 导航 系统 . %/ ∀ ( 计 划 将 组成 一 个集 0 颗 同步轨 道 卫 星 1 颗 中 ∋ 3 高轨卫 星 的庞 大卫 星 网系 不 但 能 覆 盖全 球 而 且 精确 度 也 将 大 幅提高 , + 2 年 3 月 − 日 .%/ /4 我 国发射 了 北 斗 导航卫 星 第 一次 成 功地 将第 一 颗 第 二代 北 斗 导 航 卫 以# 一
、 ,
,
。
,
“
”
,
“
”
星 送 人 中高 度 圆轨 道太 空 标 志 着我 国研 制 的 北 斗 卫 星 导航 系 统进 人新 的 发 展 建设 阶 段
,
“
”
。
−
− −
5
“ 第 一 代 北 斗 卫星 导 航 系 统
”
系 统的 定位 原理 第 一 代 北 斗 卫 星 网 由 1 颗位 于 地 球 同步 轨道 卫 星 组 成
“
”
“
,
,
颗卫 星 分 别定 点 在 6 + 7
8 和
−3 +
,
8
上空 另
,
−
7 颗 在轨 备 份卫 星 定 点 在 − 9
∗ ∗
、 、
5
0 8
“ 。
上空
,
。
系 统可 全 天 候 提供 卫 星 导航 定 位信
息 服务 范 围 以 我 国大 陆地 区 为主 的部 分 区域
位 置是 精确 已知 的 # : 玖 。 + + : < = 设用 户位置 为 :
、 、
;
∗
和#
、 。
其定 位原 理是 赤道 上空 , 颗地 球 同步卫 星 的 瓜 玖 几 地 面 中心 处 理 站 的 位 置 也 被 精 确 测 定
、 、
,
。 、
玖 =
。
首先 由地 面 中心 处理 站 向卫 星
,
#,
发 送 非 编址 通用
。
询 问无 线 电 信号 此询 问信 号 面 向全 部 用 户
后 再 转发 给用 户
。
,
卫星
,
#
接 收 并对 此 信 号 进行 简单 的频 率 变换
用 户 收发 机
用 户 的收发机 接收此 信号 后 用 脉 冲二进 制 序 列码 信 号 回答
∗
、
的天 线 是 全 向波 束 卫星 # 和 # 接 收 到用 户 回 答信 号 后 进 行频 率 变换 再 转发 给 地 面 中心 处
理站
。
中心 处理 站 卫 星 和 用 户 之 间的 询 问和 应 答 电 波传播 流程 如 图 −
,
〕 示 所
。
地面 中心 处 理站 在两 个 不 同时刻 得到 由用 户 回 答信 号 的 同 一 个 二 进制 脉冲序 列 站 中大
,
一
>−
一
圈−
,
系 统定位 电波 的 传播 流 程
容 量高速 计算 机 同 时进 行识别 处理 测量 出从 发 出询 间讯 号 至 接 收 到用 户应 答 信 号 的时 间 间 隔
。
经 判别 有效后 中心 站 自动送 出一 个确认 信号 给用户 表 明用 户发送 的最 新信 号 已正 确接
, 。
,
收 用户停 止重 复发送
停止 时 间的长 短视不 同用户 的要 求 确定 地面 中心 处 理站计 算 机根 据测 定 的用 户 收发 机 即用 户 终端 应答 的时 间间 隔 站 内储存 的数 字地 形 图和 用 户 提供 的数 字测 高仪数 据 处理 出用 户 位
。
、 ,
,
用 户收发机 自 停 止一段 时 间 并 暂 时拒收其他 后续 询 间信号 动
,
。
置 的地 理纬 度 经 度和 海拔 高度 或大地 直 角坐 标 : +
、
的位置 数据 与最 近 的位 置 数据 比较 计 算 出用 户 1
, ,
, 、 , 、 、
并从 存储 器 中取 出该 用 户 前 次 个 坐 标轴 上 的速 度 由中心 站解 调 出用 户
。
、
+ + < =
、
,
应 答信 号 中的 电子 信息 再 由中心 站播 发给用 户管 理 机 构
,
。
收发 机 对卫 星
。
#
发 播 的信 号 自动
、
接 收 识 别后 在液 晶显示 器上 以 字母 数 字 地 图 和 文 字等 形式给 出用 户需 要 的定位 导 航信 息和 电文 同时用 户收发机 自 发 出 信号 已成 功接 收 的应答 信号 从 地 面 中心 处 理 站发 出 动
“ ”
询 问信 号到用 户获得 定位 和 导航信息 数 据流程 时 间约 为 +
,
5
?
。。
系统定位 算法 由上 述 的系统定位 原理 在 图 − 中对 于 任一 用 户 每应 答一 次 地 面 中心 处 理 站 发 出 的询 问 信 号 地 面 中心 处理站 可 测得 以下两 个距 离
, ,
− ,
5
≅ ≅
二
,
二
,9 +
Α
,
Α Α
=9 ,
4
Α
9
+ 9
∗
94
咖
+ 9
∗
,
由式
4
、
,
可得 出
9∗
二
≅
4
, Β
≅
4
,
一
1
几
二
≅
一
, Β
一
俪
。
3
式中 离
,
≅
4
− 是地 面 中心 站信号 经 卫 星 0
转发 给用 户
、
∗ 用户 再 经卫 星 #
转发 回给地 面 中心 站 的距
、 、
≅
是 用 户信 号经 卫星 # 和 #
− ∗ 由 于 地 球 同步 卫 星 0 :
、
转 发 回 地 面 中心 站 的距 离
、
玖
,
,
−
#
凡 玖
Α
、
、
=
和 地 面 中心 站 : < = + + +
‘
的位 置精 确 已
0
知 故 可 得到
>,
,
+ 9
−
和 、 的值 如 以 下两 式 所 示
,
+ 9
−
二
【:
一
+ :
’
玖
一
+ <
Α
,
−
一
+ =
左 〕
‘
一
一
、
二
〔凡
1
、
一
+ : Ε : 弋
’
Α
玖
几
一
+ <
,
’
Α
9∗
=
一
9
+ =
; ;
。
Χ“
’ ’
,
?
由以 上两 式 可 分 别代人 式
9,
3 求得
,
9,
和
的值 而
一
和
,
−
与用 户 的位 置 又 有 以 下 关 系
忍 〕
二 二
,
Δ
和
:
一 一
’
Α
Α
矶 玖
,
Ε < Ε <
’
Α
一
2
几
【瓜
9
’
一
’
Α
凡
一
Ε
‘
Χ
‘ , Β
,
6
94
由式
连线
。
2
、
6 可 以看 出
, ,
94
− 方程 是一 个 分别 以 卫 星 0 和 #
为 球心 以
。
和
, ,
几
为半 径 的
球 面 方程 两 式联 立 可 得 到一 个 圆的 曲线方程 而且 该 圆的 圆心 在 两 星 的连线 上 圆面垂 直 于
显 然 地球参 考椭 球面 与该 圆 相交 在赤 道南 北 有 两 个交 点
。 ,
, 、
这两 个 交点 一 个 是用 户
,
位置 一个 是 用户镜像位 置 位置
。
,
,
我 国在 地 球 的北 半球 处 理 时只 需 作简单 的判断就 可 确 定用 户 的
。
当然 以 上 的计算 而 得 出 的用 户位 置并没 有考 虑 地 球 表 面 凹 凸 不 平 的 实 际 地 形 而 描 述
因此 对 双 星 二 维 定 位 的 北 斗 卫 星
,
, 、
地 球 表 面 形状 不 能用一 个简 单 的 数 字 表达 式来 表 示
,
“
”
导航 系统 还 需借助 地 面 中心 处 理站 储存 的数 字化地 形 图和 用户 提供 的高程 数 据 才 能用 三 维 球面 定位 法解 算 出用 户 的精确位置 纬度 等 ,
。 。
同时还 需 将求 解 出来 的直 角 坐 标 转 化 为用 户 地 理 经 度
“ ” 第 二 代 北 斗 卫 星 导航 系 统
“
”
第一 代 北 斗 卫星 导 航 系统采 用 有 源 工作方 式 即 用 户 要 向卫 星 发射 信 号 经 卫 星 转 发送 回地 面 控 制 中心 系 统 处 理后再 经 卫 星 返 回用 户 如此 反 复 多 次才 能 完 成定位 这就 带 来
,
,
“
”
,
,
,
了诸多缺 点 如 延 时多 无 法 在 飞 机 上 使用 等 且 精度 只 能 达 到 , +
,
、 ,
导航 系统将采 用 无 源工 作方式
“
”
,
第二 代 北 斗 卫 星 即用户 不 需要 发 射信号 用 户 接 收 机 只 接 收信 号 就能 完 成
,
一
+ 1
Φ
。
“
”
定位 且定 位 精度可 以大 大提 高
,
,
。
与世 界现 有 的三 大全 球卫 星 导 航 系统相 比 第二 代 北 斗 卫 星 导航 系统 的技术 原 理 与其
,
“
”
相 同 但工 作 原理并 不 完 全相 同 星 座结构 不 同 据有 关 资料 第 二 代 北 斗 卫 星 导 航 系统 计
, ,
。
“
”
+ 划 由 0 颗 静止 轨道卫 星 和 1 颗 非静 止 轨道 卫 星组 成空 中卫 星 网 提 供两 种 服务 方式 即 开 放 + 服 务和 授 权 服务 开 放 服务是 在服 务 区 免费提 供定 位 测 速和 授 时服 务 定位 精度 为 − Φ 授
。
,
。
、
,
,
时精度 为 0 +
。
,
( Γ 测 速精 度 + ,
,
5
而
(
。
授权 服务 向授权 用 户提 供更 安 全 的定 位 测 速 授 时 和通
,
, 、 , ,
、
、
4 7 信 服务信 息 根据 我 国 在 国际 电联 申请 的频 率 其 工 作 频率 在 ∃ 波 段 可 以 与 ! ∀ ! Η 4Ι 等 # # 兼容 且 与 ! ∀ 和 ! %& ∋ ( 最 大 的不 同 在 于 它 不 仅 能 使 用户 知 道 自己 的 所 在 位 置 而 且 还 ∃ 可 以告诉别人 自己 的位 置在 什 么 地方 特别 适 用 于 需 要 导 航 与 移 动数 据 通 信 场 合 如交 通 运
, ,
输 调 度 指挥 搜索营救 地 理 信息 实时查 询等 1
“ ”
、
、
、
。
第 二 代 北 斗 卫 星 导 航 系 统 的信 号
根 据我 国 最新
一 , ,
,+ 1
年 向国际 电联
、 ,
( ( 7 . Φ Μ Η / ! 其 规划 的 频率 为 # ∃ − 角 的 1 个 圆轨 道 高 度 , 1 ? Ν Φ 服 务 范 围为全 球 1 (, 发 射 的 第 二代 北斗 卫 星 导 航 系统 Ο Φ Μ Η / 7
“
申请 的第 二代 北 斗 卫 星 导 航 系统 设计 方 案 波段 通 信链 路 3 个 ∃ 波段 导航链 路 卫 星 轨道 为 0 倾 ?
、 。
ϑ Λ Κ
“
”
“
。
”
一
−
的 工作 频 段是 在
,
∃
频 段 利 用 的信 号结
,
,
构类似 于 其 他 的 兴趣
, 。
Η Ι。 # # ∀ 和 ! 4Π4 同一 频段 播发 这激 起 了 研 究 ! & ( 人 士 的 斯坦 福 大学的研 究人 员 通 过 使用 斯 坦 福 大 学 的 全 球 卫 星 导 航 系统 的监 视 站 # ! / #
! &( #
,
特 别是 在与
∃
!
利用一 个 −
5
( Φ
。
、
可 操纵 的
波 段 的抛 物 面 蝶形 天 线测 量 数 据 并 用 矢量信 号 分析 仪 来采 集数
.% /
,
据 进 行分 析
他们 通过 观察
∋ ∀(
/ −
一
信 号频谱 图 码 序列 解 调 导 出 编 码 发生 器 从 而 一
>1
、
,
,
一
得 到 北斗 卫 星 导航 系统 的编码 序列 并分析 出现有 北 斗 卫星 导航 系统信号编码 是为 伪4Θ
“
”
,