北斗卫星导航系统介绍

北斗卫星导航
安全1201 马振鑫
目录
1.发展历程 2.组成部分
3.定位的基本原理 4.应用前景 5.与GPS导航系统的比较
全球卫星导航系统
一、发展历程
北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球 卫星导航系统,缩写为BDS。截至目前，我国“北斗”卫星导航系统建 设的“三步走”规划已成功实现第一、二步。
二、系统组成
2) 地面测控网(3)
测轨站设置在位置坐标准确已知的地点，作为 对卫星定位的位置基准点，测量卫星和测轨站间电 波传播时间(或距离), 以多边定位方法确定卫星的空 间位置。
一般需设置三个或三个以上的测轨站,各测轨站 之间应尽可能地拉开距离,以得到较好的几何精度系 数。三个测轨站分别设在佳木斯、喀什和湛江。各 测轨站将测量数据通过卫星发送至主控站， 由主控 站进行卫星位置的解算。
实现中心与用户间的双向通信，并测量电波在中心 、卫星、用户间往返的传播时间(或距离)。
二、系统组成
2) 地面测控网(2)
主控站利用测得的主控站、卫星与用户间电波往返 的传播时间、气压高度数据、误差校正数据和卫星 星历数据，结合存储在计算中心的系统覆盖区数字 地图，对用户进行精确定位。
系统中各用户通过与计算中心的通信，间接地实现 用户与用户之间的通信。由于主控站集中了系统中 全部用户的位置、航迹等信息，可方便地实现对覆 盖区内的用户进行识别、监视和控制。
三、定位的基本原理
更具体的表述：定位采用三球交会测量原理。地 面中心通过两颗卫星向用户广播询问信号 (出站信号 ),根据用户响应的应答信号 (入站信号)测量并计算出 用户到两颗卫星的距离；然后根据中心存储的数字地 图或用户自带测高仪测出的高程，算出用户到地心的 距离，根据这三个距离就可以确定用户的位置，并通 过出站信号将定位结果告知用户。授时和报文通信功 能也在这种出、入站信号的传输过程中同时实现。
三、定位的基本原理
用户坐标Xu是空间三维坐标，即式1的两个方程含 三个未知数。若能给出用户的第三维坐标，则可求解 用户的其余两维坐标。用户坐标可以是地固直角坐标 (X,Y, Z)或大地坐标(λ,ϕ,H)，日常生活中多用大地坐标 表示地点位位。利用该式可以得到含大地高度的大地 经纬度λ 和ϕ 的表达式，只有给定用户的大地高H， 才能求出λ 、ϕ的具体数值，即双星定位需要知道大 地高。
2003年5月25日 东经110.5度
一、发展历程
2007年4月14日 MEO卫星
2009年4月15日 GEO卫星
Βιβλιοθήκη Baidu
2010年1月17日 GEO卫星
一、发展历程
二、系统组成
（1）空间段
由5颗GEO（静止轨道）卫星和30颗Non-GEO
（非静止轨道）卫星组成
GEO 卫星
MEO 卫星
空间星座
二、系统组成
五、对比GPS
数量轨道
北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2 颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60°。 GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星， 轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。 GPS导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周 11小时58分。
五、对比GPS 用户容量
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，还要求用户设备向同步 卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、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。 GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距 定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。
系统中的卫星是空间导航站，即在空间的位置 基准点，也是通信中继站，它是离地约36000km 高 的地球静止卫星。由三颗北斗一号卫星组成，两颗 卫星分别定点在东经80°、东经140°上空 ,另一颗 在轨备份卫星定点在东经 110.5°上空。每颗卫星 由有效载荷、电源、测控、姿态和轨道控制、推进 、热控、结构等分系统组成。卫星上设置两套转发 器，一套构成地面中心到用户的通信链，另一套构 成由用户到地面中心的通信链。卫星波束覆盖我国 领土和周边地区，主要满足国内导航通信需要。
第三步：2020年左右，北斗卫星导航 系统形成全球覆盖能力。
第二步：建设北斗卫星导航系统，2012年左右形成覆盖亚太 大部分地区的服务能力。 第一步：2000年建成了北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥 有自主卫星导航系统的国家。
一、发展历程
2000年10月31日 东经140度
2000年12月21日 东经80度
四、应用前景
民用功能： 1.个人位置服务 当你进入不熟悉的地方时，你可以使用装有 北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置 找到你要走的路线。 2.气象应用 北斗导航卫星气象应用的开展，可以促进我 国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测， 也可以提高空间天气预警业务水平，提升我国气象 防灾减灾的能力。
四、应用前景
5.海运和水运 6.航空运输 7.应急救援
五、对比GPS
覆盖范围
卫星数量 北斗导航 VS GPS
服务能力
定位原理
定位精度
五、对比GPS
覆盖范围
北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统， 覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°- 55°。 GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保 地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星 (实际上最多能观测到11颗)。
二、系统组成
（2）地面段
由主控站、主控站(计算中心)、 测轨站、气压测高站和校准站。 组成 。
二、系统组成
（3）用户段
由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO 等其他卫星导航系统兼容的终端组成
北斗系统的用户终端
二、系统组成
三、定位的基本原理
双星通信导航定位系统采用双星定位体 制，系统中用户的点位是利用卫星位置、用户 至卫星的斜距以及用户的大地高计算出来的， 如何由卫星位置、两条斜距和大地高计算用户 的位置就是系统的定位原理问题。系统的定位 原理可以从几何和代数两个方面来描述。
(式1)
三、定位的基本原理
双 星 系 统 定 位 原 理 图
三、定位的基本原理
用户所在点大地高为H，用户点位纬度处的卯酉圈曲率半径 (卯酉圈曲率半径恰好等于椭球面和短轴之间的一段法线的长度 ，亦即卯酉圈的曲率中心位于椭球的旋转轴上)Ne。N=Ne+H， 可看成是一个观测量，则又可以组成一个观测方程 (式2) Xo’为过用户的法线与短轴交点O′坐标矢量，其值为 这样在给定用户大地高 H 时，此式与上式联立得到三个 观测方程，便可解算出用户三维坐标。实际工作中用户大地高 H由地面中心的数字化地形图或用户携带的气压测高仪提供。
四、应用前景
北斗卫星导航系统已成功应用于诸多领 域，产生了显著的经济效益和社会效益。 特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震 救灾中发挥了重要作用。
四、应用前景
军用功能：“北斗”卫星导航定位系统的军 事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰 艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、 自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射 位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜 救、水上排雷定位等。
二、系统组成
2) 地面测控网(5) 测高站设置在系统覆盖区内，用气压式高度计 测量测高站所在地区的海拔高度。通常一个测高站 测得的数据粗略地代表其周围100～200km地区的海 拔高度。海拔高度与该地区大地水准面高度之代数 和,即为该地区实际地形离基准椭球面的高度。各测 高站将测量的数据通过卫星发送至主控站。 一般的测轨站、测高站、校准站均是无人值守 自动数据测量、收集中心，在主控站控制下工作。
四、应用前景
3.道路交通管理 卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升 道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星 导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息 就能在几秒钟内自动转发到中心站。 4.铁路智能交通 北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精 度的定位、测速、授时服务，促进铁路交通 的现代化，实现传统调度向智能交通管理的 转型。
三、定位的基本原理
几何原理 以卫星为球心，以卫星至测站(用户)的斜距 为半径，可以作两个大球，在满足—定条件下 ，两大球面相交形成交线圆，并穿过赤道面， 在地球的南半球和北半球各有一个交点、其中 一个交点就是用户的点位，在已知用户大地高 时，可惟一确定用户的位置。
三、定位的基本原理
根据系统定位的几何原理和几何分析，要惟一确 定用户的点位必须满足以下3个条件： 两卫星间的弦长必须小于两斜距之和，即两卫星间的 最大夹角不得超过162°。否则以卫星至用户的斜距 为半径的两个大球不能形成交线圆。当两卫星的弧距 为60°时，几何精度最好。
二、系统组成
2) 地面测控网(4) 校准站亦分布在系统覆盖区内，其位置坐标应 准确已知。校准站的设备及其工作方式与用户机及 其工作方式完全相同。由主控站对其进行定位，将 主控站解算出的校准站的位置坐标与校准站的实际 位置坐标相减，求得差值，由此差值形成用户定位 修正值。一个校准站的修正值一般可用来作为其周 围100～200km区域内用户的定位修正值。
生存能力
和所有导航定位卫星系统一样，"北斗一号"基于中心控制系统和卫星的 工作，但是"北斗一号"对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在 那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横 向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而"北斗一号"系统 从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。
二、系统组成
2) 地面测控网(1) 主控站(计算中心)、测轨站、气压测高站和校准站。 主控站设在北京，控制整个系统工作，主要任务有：
接收卫星发射的遥测信号；向卫星发送遥控指令， 控制卫星的运行、姿态和工作。
控制各测轨站的工作，收集它们的测量数据，对卫 星进行测轨、定位，结合卫星的动力学、运动学模 型，制作卫星星历。
交线圆必须与用户水平面相交，否则产生同步卫星定 位的“模糊区”。
必须已知用户点的大地高。
三、定位的基本原理
代数原理
是指如何利用已知的卫星位置、观测站应答询问 信号之后的观测量与测站点位坐标之间的函数关系， 进行测站(用户)的位置解算。一个测站（用户）应答 询问信号之后可得两个观测量方程。
(式1) Xs和Xu分别为卫星坐标矢量和测站(用户)坐标矢量
四、应用前景
短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信 功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。 精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户 提供20ns-100ns时间同步精度。
定位精度：水平精度100米，设立标校站之后为20米 (类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。 系统容纳的最大用户数：540000户/小时。
五、对比GPS 定位原理 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。
GPS是被动式伪码单向测距三维导 航，由用户设备独立解算自己三维定位 数据。
五、对比GPS
定位精度 北斗导航系统三维定位精度约几十 米，授时精度约100ns。 GPS三维定位精度P码目前已由16m 提高到6m，C/A码目前已由25-100m提高 到12m，授时精度目前约20ns。