北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用.pdf

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Ξ
北斗***系统的技术
特征分析与应用
周 露,刘宝忠
(北京师范大学计算机系,北京,100875)
(中国石油集团物探局测绘工程中心,河北涿洲市,071751)
摘 要:给出了双星导航系统的发展历程,指出了北斗卫星导航系统的建立和组
成;分析了北斗卫星导航系统的功能和定位原理,并在此基础上,通过与GPS系统的
对比,分析了北斗卫星导航系统的技术特征,特别指出了北斗卫星导航系统在民用领
域带来的经济效益;最后,展望了未来卫星导航系统的发展前景。
关键词:卫星导航;星座;GPS;接收机
败。
1 “北斗一号”卫星导航定位系统的
1983年“两弹一星”功勋奖章获得者陈芳允院
发展过程士提出了利用两颗同步定点卫星进行定位与导航
双星导航定位的兴起过程的设想,并指出了建立两颗同步卫星导航系统的基
70年代后期以来,国际上开展了探讨适合各本技术路线。在此基础上,1994年中国“北斗一
国国情的卫星导航定位系统的体制研究。先后提号”卫星导航系统项目正式立项。
出过单星、双星、三星和4- “北斗一号”卫星导航定位系统的建立
案,以及多星的全球系统的设想,并考虑到导航定2000年10月31日零时2分,第一颗“北斗导
位与通信等综合运用问题,但是由于种种原因,这航试验卫星”发射成功,这为我国“北斗导航系统”
些方案和设想都没能够得到实现。的建设奠定了基础。
1982年7月由美国三位科学家提出并于同年2000年12月21日零时20分,第二颗“北斗
12月定名的GEOSTAR系统,就是两颗卫星的主导航试验卫星”,在西昌卫星发射中心用“长征三号
动式卫星导航定位系统。后来在实施的过程中,由甲”火箭发射升空,并准确进入预定轨道。它与10
于有更优越的GPS卫星导航系统的兴起并迅速发月31日发射的第一颗“北斗导航试验卫星”一起构
展,使GEOSTAR系统不得不在1991年9月撤走成了“北斗导航系统”。
资金,导致正在实施中的GEOSTAR系统宣告失2003年5月25日发射了“北斗一号”卫星的
收稿日期:20040202
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备份星,它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整间同步精度。其中单向授时精度:100ns,双向授时
的卫星导航定位系统,也是我国第一个卫星导航定精度:20ns。
位系统。至此, “北斗一号”卫星导航系统的定位原理
航定位系统的国家。(1)系统组成部分在定位解算中的作用
“北斗一号”卫星导航定位系统采用双星定位
2 “北斗一号”卫星导航定位系统介
体制,由2颗地球静止卫星(GEO)对用户双向测
绍距,由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位
“北斗一号”卫星导航定位系统的组成置解算。定位由用户终端向中心站发出请求,中心
“北斗一号”卫星导航定位系统是由三个部分站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。
组成:(2)定位原理的几何解释
(1)空间卫星部分“北斗一号”卫星导航系统采用的定位原理是
两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星。其三基于三球交会原理,即以2颗卫星的已知坐标为圆
颗卫星的登记位置为赤道面东经80°、140°,各以测定的本星至用户机距离为半径,形成2
5°,其中前两颗卫星位置的经度相距60°,最后一个个球面,用户机必然位于这2个球面交线的圆弧
为备份星星位。卫星遥测遥控分系统在国际电信上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地心
联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段。为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球
(2)地面控制与标校系统面。求解圆弧线与地球表面交点,并已知目标在赤
1个配有电子高程图的地面中心定位控制站、道平面北侧,即可获得用户的二维位置。
几十个分布于全国的参考标校站。(3)定位解算的工作过程
(3)用户设备“北斗一号”卫星导航定位系统的具体定位解
“北斗一号”卫星导航定位系统的主要功能算工作过程是:
“北斗一号”采用双星有源导航定位体制,只能1)首先由中心控制系统向卫星1和卫星2同
提供低动态和静态导航定位服务,可以全天候、全时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户
天时提供区域卫星导航信息。服务范围包括中国广播。
大陆、台湾、南沙及其它岛屿、中国海、日本海、太平2)用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时
洋部分海域及我国部分周边地区。向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制
“北斗一号”卫星导航定位系统是利用地球同系统。
步卫星为用户提供快速导航定位、简短数字报文通3)中心控制系统接收并解调用户发来的信号,
信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星导航定然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处
位系统。系统的主要功能体现在三个方面:理。对定位申请,中心控制系统测出两个时间延
(1)定位迟:即从中心控制系统发出询问信号,经某一颗卫
快速确定用户所在地的地理位置,向用户及主星转发到达用户,用户发出定位响应信号,经同一
管部门提供导航信息。颗卫星转发回中心控制系统的延迟。
(2)通讯4)由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是
用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现已知的,因此由上面两个延迟量可以算出用户到第
双向简短数字报文通信;北斗系统用户终端具有双二颗卫星的距离,从而知道用户处于二颗卫星为球
向数字报文通信能力,用户可以一次传送多达120心的一个球面,另外中心控制系统从存储在计算机
个汉字的短报文信息。内的数字化地形图查寻到用户高程值,又可知道用
(3)授时户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。
中心控制系统定时播发授时信息,为定时用户从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三
提供时延修正值。可向用户提供20ns~100ns时维坐标,这个坐标经加密由出站信号发送给用户。
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图1 “北斗一号”系统的工作原理
的广泛使用。相反,在此基础上已经建立了基于
3 “北斗一号”卫星导航系统与GPS
“北斗一号”卫星的GPS广域差分系统。总体来
系统比较看“北斗一号”是区域性有源导航定位系统,“北斗(
目前,对于“北斗一号”卫星导航系统技术与应一号”采用的是有源定位,GPS和GLONASS等都
用的研究工作,正全面展开,但由于许多工作还处是无源定位,这是它们本质上的不同点。),与GPS
于试验阶段,所以卫星导航技术在国内的绝大多数等全球定位系统有较大区别;“北斗一号”不优于
应用仍然以GPS为主。GPS,但也有GPS没有的优点。表1给出了“北斗
“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的一号”卫星导航系统与GPS系统的技术特征和应
卫星导航系统,它并不排斥国内民用市场对GPS用特征的比较结果。
表1 “北斗一号“与GPS系统比较
项目北斗一号GPS系统
卫星数量224
GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星(轨
北斗导航系统是在地球赤道平面(轨道高度为
道高度为20183km),轨道赤道倾角55°,轨道
轨道特性36000km)上设置2颗地球同步卫星,2颗卫星
面赤道角距60°。卫星绕地球一周需11小时
的赤道角距约60°。
58分。
GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确
覆盖范围北斗导航系统是区域性导航系统。保地球上任何地点、任何时间能同时观测到4
颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。
北斗导航系统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。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方
GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用
定位原理面的问题,一是用户定位的同时失去了无线电
户设备独立解算自己三维定位数据。
隐蔽性,这在军事上相当不利,另一方面由于
设备必须包含发射机,因此在体积、重量上、价
格和功耗方面处于不利的地位。
GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到
北斗导航系统三维定位精度约几十米,授时精
定位精度6m,C/A码目前己由25-100m提高到12m,
度约100ns。
授时精度目前约20ns。
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北斗导航系统由于是主动双向测距的询问
-应答系统,用户设备与地球同步卫星之间
不仅要接收地面中心控制系统的询问信号,
GPS是单向测距系统,用户设备只要接收导航
还要求用户设备向同步卫星发射应答信号,
用户容量卫星发出的导航电文即可进行测距定位,因此
这样,系统的用户容量取决于用户允许的信
GPS的用户设备容量是无限的。
道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频
率。因此,北斗导航系统的用户设备容量是
有限的。
同所有导航定位卫星系统一样,”北斗一号”
GPS正在发展星际横向数据链技术,使万一主
是基于中心控制系统进行工作的,但“北斗
控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗
生存能力一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很
一号”系统从原理上排除了这种可能性,一旦
多,因为定位解算在中心控制站,而不是由
中心控制系统受损,系统就不能继续工作了。
用户设备完成的。
“北斗一号”卫星导航系统具备短信通讯功
短信功能GPS系统不具备。
能。
“北斗一号”卫星同时具备定位与双向通信GPS系统本身不具备通信能力,需要和其他通
通信功能能力,可以独立完成移动目标的定位与调度讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与
功能。监控功能。
“北斗一号“***系统是一种有源定位
系统,因此对于高速运动体,就加大了定位
高动态的误差。所以只能提供低动态和静态定位GPS系统适用高动态。
服务,不能满足高动态和保密的军事用户要
求。
自主性北斗导航系统是有中国自主控制。GPS系统则是由美国军方控制。
“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
GPS系统的时间延迟远远小于“北斗一号”导
时间延迟置数据之后再发回用户,其间要经过地球静
航卫星。
止卫星走一个来回,再加上卫星转发、中心
控制系统的处理,时间延迟就更长了。
目前“北斗一号”3颗星的寿命都是8年,专
寿命周期家正不断研究,预计下一次发射的卫星寿命目前GPS卫星的寿命都是12年左右。
就能达到10年左右。
单向通信。
4 “北斗一号”卫星导航系统的应用
(3)授时型:适合于授时、校时、时间同步等用
“北斗一号”用户机的分类户,可提供数十纳秒级的时间同步精度。
根据“北斗一号”卫星导航系统用户机的应用环(4)指挥型用户机:适合于小型指挥中心的指挥
境和功能的不同点,可以将“北斗一号”卫星导航系调度、监控管理等应用,具有鉴别、指挥下属其他“北
统的用户机划分成如下五类:斗一号”卫星导航系统用户机的功能。可与下属“北
(1)基本型:适合于一般车辆、船舶及便携等用斗一号”卫星导航系统用户机及中心站进行通信,接
户的导航定位应用,可接收和发送定位信息,可与中收下属用户的报文,并向下属用户播发指令。
心站及其他用户终端双向通信。(5)多模型用户机:既能接收“北斗一号”卫星导
(2)通信型:适合于野外作业、水文测报、环境监航系统***和通信信息,又可利用GPS系统或
测等各类数据采集和数据传输用户,可接收和发送GPS增强系统导航定位。适合于对位置信息要求
短信息、报文,与中心站和其他用户终端进行双向或比较高的用户。
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“北斗一号”卫星导航系统在民用方面的应用利用“北斗一号”卫星导航系统基本型用户机、
“北斗一号”卫星导航系统已经正式宣布向民用多模型用户机进行车辆、船舶等的自主导航。
开放,这是一个非常好的决策。由于”北斗一号”卫(4)通信应用
星导航系统具有定位和短信功能,所以尤其适合于利用北斗通信终端,实现点对点、点对多点的通
特殊应用,如海上、边远与人口稀少地区、沙漠荒原、信。这种应用模式适合于各类数据采集和数据传输
山高林密、内陆水路、长途运输等特定地区和特殊行用户,如水文观测、环境监测等。
业应用,适合于普通的无线网络无法覆盖的地区或(5)授时应用
跨区域应用。目前,有关部门正在积极准备,为向民利用“北斗一号”卫星导航系统授时终端,进行
用开放创造条件和环境。通信、电力、铁路等网络的精确授时、校时、时间同步
预测到2008年北斗导航定位系统将会有30万等应用。
个民用用户,直接产值将达到35亿元人民币,相关
5 结束语
产业的经济带动将是其直接产值的10倍以上。“北
斗一号”卫星导航定位系统的盈利点主要包括北斗我国的北斗卫星导航定位系统具有适合我国国
终端用户机的销售,各种各样的应用系统建设,北斗情的特点,与全球性的系统相比,它能够在很快的时
运营服务费的收取等。具体可广泛应用于船舶运间内、用较少的经费建成并集中服务于核心区域,是
输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文十分符合我国国情的一个卫星导航系统。
测报、森林防火、环境监测等众多行业。“北斗一号”“北斗一号”卫星导航系统将在太空运行八年,
卫星导航系统可以有以下几种应用模式:是一个可持续发展的空间系统。北斗导航系统仅是
(1)小型集团监控应用我国近期满足现代化建设需要的自主简易导航系
移动目标配置基本型“北斗一号”卫星导航系统统。目前的“北斗一号”存在用户数量受限制、系统
用户机,集团监控中心配置指挥型用户机和相应的延时较长、需用户主动工作、隐蔽性差等缺点,同时
计算机设备及监控软件,快速构建实用的监控管理也应考虑在应用GPS时的不利因素,所以必须在发
应用系统。展“北斗一号”的基础上,借鉴国外GPS和
(2)大型集团监控应用GLONASS的成功经验,开发我国第二代卫星导航
移动目标配置基本型“北斗一号”卫星导航系统系统。这样,我们就可以摆脱在此方面的劣势,掌握
用户机,集团监控中心配置“北斗一号”卫星导航系主动权,避免受制于人。
统天基指挥所设备,通过地面网络接入“北斗一号”作者简介:周露(1963-),女,博士,副教授,目
卫星导航系统运营服务中心,完成大规模、跨区域的前主要研究方向:自适应滤波、图象处理、控制与导
移动目标监控管理和指挥调度。航技术。
(3)自主导航应用
Technologycharacteranalysisandapplicationabout
BeiDousatellitenavigationsystem
ZHOULu,LIUBaozhong
(DepartmentofComputer,BeijingNormalUniversity,Beijing100875)
(SurveyingandMappingCenterOfBGP,CNPC,Hebei071751)
Abstract:Thedevelopmentcourseofdoublesatellitenavigationsystemisgivenandtheconstructionand

analyzedthroughcontrastingGPS,includingthetechnologycharacterofBeiDousatellitenavigationsystem.
Then,theapplicationmodelofBeiDousatellitenavigationsystemareanalyzedincivilian,especiallyinecono
,thedevelopmentfutureofsatellitenavigationsystemisprospect.
Keyword:satellitenavigationsystem;constellation;GPS;receiver
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