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    【北斗卫星导航定位系统综述】北斗卫星导航手机版

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      [摘要]本文对北斗导航定位系统的组成、定位原理和工作流程进行简要的综述,分析了该系统的三大功能和特有优势,通过与GPS系统的比较,得出了该系统存在的问题和不足,同时分析了北斗二代的发展现状和短期规划,最后展望了未来卫星导航系统的发展前景。
      [关键词]北斗卫星导航定位系统(CNSS);北斗一号;北斗二号;Compass系统
      
      0.引言
      北斗卫星导航定位系统(BeiDou(Compass) Navigation Satellite System)是中国自主研制开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GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航定位系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,突出特点是:卫星数目少,用户终端设备简单,其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性4项原则。
      我国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供两种服务方式,即开放服务和授权服务(二代系统)。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10m,授时精度为50ns,测速精度0.2m/s。根据系统建设总体规划,2012年左右,系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力;2022年左右,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
      1.北斗导航定位系统的组成
      北斗导航定位系统包括空间部分、地面控制部分和用户接收部分。
      空间系统部分:由两颗地球同步卫星、一颗在轨备份卫星组成,分别位于赤道面700E、1350E和110.50E,前两颗卫星经度相差60度。
      地面控制系统部分:包括1个配有电子高程图的地面中心定位控制站、计算中心、测轨站、测高站、几十个分布于全国的精选标校站等。用于对卫星定位、测轨、调整卫星运行轨道、调整卫星姿态、控制卫星的工作,测量和收集校正导航定位参量,以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。
      用户接收部分:用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发出定位请求,和GPS接收机不同的是,北斗系统的用户设备不含有定位解算处理设备。用户设备可分为定位通信型(基本型)、通信型、授时型、指挥型用户机。
      2.北斗导航定位系统的工作原理
      北斗一号卫星导航定位系统的定位原理是基于三球交会原理进行定位, 以两颗卫星为的已知坐标为球心,两球心至用户的距离为半径, 可画出两个球面, 用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。另一个球面是以地心为球心, 画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面,三个球面的交会点即为用户的位置。
      设询问信号由地面中心站到卫星1,由卫星1到用户,再由用户返至卫星1并且回到地面中心站的时间是,可以列出下式(1);询问信号由地面中心站到卫星2,由卫星2到用户,再由用户返至卫星2并且回到地面中心站的时间是,可以列出下式(2)。
      由于地面中心站和两颗卫星的位置均是已知的,因此上式中的,都是已知的,c是光速,而又可以由以下方程求出:
      式中只有X、Y未知,至此就可以确定接收机的二维位置,定位精度15m。
      3.北斗导航定位系统的工作流程
      “北斗一号”卫星导航定位系统的具体定位解算工作过程:
      3.1首先由中心控制系统向卫星1和卫星2同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播。
      3.2用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制系统。
      3.3中心控制系统接收并解调用户发来的信号,然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请,中心控制系统测出两个时间延迟。
      3.4按照北斗导航定位系统的工作原理,由3.3的两个延迟量可以算出用户所在点的二维坐标,另外中心控制系统从数字化地形图查寻到用户高程值。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标,并将这个坐标经加密发送给用户。
      4.北斗导航定位系统的三大功能
      北斗一号卫星导航定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速导航定位、简洁数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星导航定位系统。系统的主要功能体现在三个方面:
      4.1快速定位:系统可为服务区内用户提供全天候、高精度、快速实时定位(可在1秒之内完成)服务,定位精度为20m-100m。
      4.2简洁报文通信:系统用户终端具有双向数字报文通信功能,注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息。
      4.3精密授时:系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导航定位系统之间的时间和频率同步,提供lOOns(单向授时)和20ns(双向授时)的时间同步精度。
      5.北斗导航定位系统的优缺点
      5.1优势
      5.1.1同时具备定位与通信双重功能。无需其它通信系统支持,而GPS、GLONASS只能定位。
      5.1.2覆盖范围较大,24小时全天候服务,没有通信盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区。
      5.1.3独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计。它不仅能使用户知道自己的所处的位置,还可以告诉别人自己的位置所处的地方,即可同时解决“我在哪?”和“你在哪?”; 特别适用于需要导航与移动数据通信场所,如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。
      5.1.4自主系统,高强度加密设计,安全、可靠、稳定,适合关键部门应用;特别适精编团用户大范围监控与管理。
      5.1.5接收终端不需铺设地面基站,用户终端相对便宜。
      5.2问题与不足
      5.2.1仅采用地球同步卫星的方式进行定位, 所有的工作卫星都位于赤道面上,几何构形不好,第三维即高度坐标还要采用高度表方式获得,系统水平定位精度取决于用户高度信息,如果用户的高度信息精度低,误差则可以达到几百米。
      5.2.2由于卫星的几何构形,其定位区域上大下小,低纬度地区定位精度较低,而极高纬区因不能有效覆盖而无法使用。
      5.2.3同时容纳的用户数量有限。因为北斗卫星同一时间要接收地面用户群发来的信息,所以用户群的个体数量是受限制的;而GPS只发信号,多少用户接收都没关系,数量可以无限。
      5.2.4主控站位置容易暴露受攻击、干扰。北斗导航定位系统是基于中心控制系统和卫星而进行的工作,一旦中心控制系统受损,系统就不能继续工作。
      5.2.5管理复杂、层次多,容易出错,地面用户的设备体积大、造价高。
      6.北斗二代发展现状及规划
      第一代卫星导航系统在我国卫星导航系统建设中是一个起步阶段,可以说是用很少的资金投入,打破了国外卫星导航领域的垄断,填补了我国卫星导航领域的空白。但是由于本身原理上的限制,只能是一个区域卫星导航定位系统,无法发展成像GPS那样的全球卫星系统。所以在第一代导航系统建设的同时,我国也同时进行了第二代卫星导航系统的建设论证。2004年9月,第二代导航系统--北斗卫星导航系统建设被批准实施。
      到目前为止,北斗二代已经发射了7颗北斗导航卫星。2011年将发射4颗,2012年发射5颗。按照规划,当2011年4月第三颗倾斜同步轨道(IGSO)卫星发射后,北斗系统就已经可以形成区域导航定位能力。当2012年完成所有区域系统卫星发射后,我们的区域导航将更加稳固,可靠性稳健性将更强。卫星更多,自然可提供更快更准的服务。
      在2015年前,完成全球系统建设的在轨飞行技术试验工作,全面解决二期工程的关键技术。之后,2022年前,完成二期(下转第35页)(上接第10页)工程,建成与国外先进卫星导航系统技术服务相当的全球卫星导航系统。到时,北斗系统的空间段将由30多颗不同轨道类型的卫星组成。
      7.结束语
      “北斗一号”卫星导航系统长期坚持独立自主、开放服务的原则,打破了国外卫星导航领域的垄断,填补了我国卫星导航领域的空白,是为满足现代化建设需要研制的自主简易导航系统。由于“北斗一号”存在用户数量受限制、系统延时较长、需用户主动工作、隐蔽性差等缺点,目前开发了我国第二代卫星导航系统。随着我国卫星导航定位技术的不断发展,卫星导航定位技术必将进入人们日常生活,其应用前景将更加广阔。
      
      [精选文献]
      [1]刘传润.北斗卫星导航定位系统的功能原理与前景展望.中国水运,2008,01.
      [2]李俊锋.“北斗”卫星导航定位系统与全球定位系统之比较分析.北京测绘,2007,(1).
      [3]徐绍铨,张华海,杨志强,王泽民.GPS测量原理与应用.武汉大学出版社,2008,7.
      [4]张志龙,华克强,孙淑光.北斗导航系统与GPS组合在民航的应用.自动化与仪表,2005,7.
      [5]周露,刘宝忠.北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用.全球定位系统,2004,4.
      [6]胡奎,徐靳文.具有中国特色的北斗定位系统.江西蓝天学院学报,2009,3.
      [7]吕伟,朱建军.北斗卫星导航系统发展综述.地矿测绘,2007.
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