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陈志高2018年03月北斗卫星导航定位系统原理及应用古有北斗七星辨明方向今有北斗卫星定位九州古有北斗七星辨明方向今有北斗卫星定位九州古有北斗七星辨明方向今有北斗卫星定位九州美国GPS欧盟GALILEO俄罗斯GLONASS中国北斗BDS各有特色：美国GPS最早投入实用，系统精度最高俄罗斯格洛纳斯号称抗干扰能力最强欧洲伽利略号称系统最精密北斗是唯一可以发短信聊天的日本：基于多功能卫星的星基增强系统（MSAS）是由日本气象局和日本交通部组织实施的基于2颗多功能卫星（MTSAT）的GPS星基增强系统，类似于美国的广域差分增强系统（WASS）。该系统从1996年开始实施，主要目的是为日本飞行区的飞机提供全程通信和导航服务。系统覆盖范围为日本所有飞行服务区，也可为亚太地区的机动用户播发气象数据信息。印度：GAGAN系统由印度空间局（ISRO）和印度机场管理局（AAI）联合组织开发。用于广播导航信息，并可与GPS进行兼容和互操作。空间信号覆盖整个印度大陆，能为用户提供GPS信息和差分改正信息，用于改善印度机场和航空应用的GPS定位精度和可靠性，也属于GPS星基增强系统。北斗卫星导航系统按照三步走的总体规划：第一步，1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，2000年形成区域有源服务能力（1号）；第二步，2004年启动北斗卫星导航系统建设，2012年形成区域无源服务能力（2号）；第三步，2020年北斗卫星导航系统形成全球无源服务能力（3号）。北斗卫星导航系统按照三步走的总体规划：定位终端需发射信号的为有源定位，不发信号仅靠接收信号就能定位的为无源定位。北斗一号4星北斗二号23星北斗三号4星中地球轨道（MediumEarthOrbit，MEO）卫星、地球同步轨道（GeostationayOrbit，GEO）卫星倾斜地球同步轨道（InclindGeosynchronousOrbit，IGSO）卫星GEO和IGSO卫星在亚太地区可视时间长，能有效增加观测卫星数北斗一号上世纪90年代，美国GPS在海湾战争中的成功使用，坚定了我国建设自主卫星导航系统的决心。在项目立项阶段，考虑到当时的国情，我国选择了“863计划”倡导者陈芳允院士提出的双星定位原理系统，也就是我们现在所熟知的“有源定位”，也叫做RDSS（RadioDeterminationSatelliteService）卫星无线电测定服务，该系统只需两颗卫星和地面高程数据库就能实现我国及周边地区定位。北斗卫星北斗卫星用户位置中心控制系统标校站标校站标校站标校站工作原理北斗一号北斗一号空间段：由3颗地球静止轨道卫星组成，两颗工作卫星定位于东经80°和140°赤道上空，另有一颗位于东经110.5°的备份卫星，可在某工作卫星失效时予以接替。地面段：由中心控制系统和标校系统组成。中心控制系统主要用于卫星轨道的确定、电离层校正、用户位置确定、用户短报文信息交换等。标校系统可提供距离观测量和校正参数。用户段：用户的终端。系统组成北斗卫星北斗卫星用户位置中心控制系统标校站标校站标校站标校站工作原理北斗一号工作原理北斗一号第一步，由地面中心站向位于同步轨道的两颗卫星发射测距信号，卫星分别接到信号后进行放大，然后向服务区转播；第二步，位于服务区的用户机在接收到卫星转发的测距信号后，立即发出应答信号，经过卫星中转，传送到中心站；第三步，中心站在接收到经卫星中转的应答信号后，根据信号的时间延迟，计算出测距信号经过中心站——卫星——用户机——卫星——中心站的传递时间，并由此得出中心站——卫星——用户机的距离，由于中心站——卫星的距离已知，由此可得用户机与卫星的距离；第四步，根据用上述方法得到的用户机与两颗卫星的距离数据，在中心站储存的数字地图上进行搜索，寻找符合距离条件的点，该点坐标即是所求的坐标；第五步，中心站将计算出来的坐标数据经过卫星发送往用户机，用户机再经过卫星向中心站发送一个回执，结束一次定位作业。北斗一号定位原理“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。北斗一号覆盖范围2007年4月14日，我国发射了第一颗北斗二号卫星，这颗卫星采用与GPS相似的体制，即“无源定位”服务，也叫RNSS（RadioNavigationSatelliteService）卫星无线电导航服务，理论上，采用该种体制的卫星导航系统，用户数量是无限制的。从2007年开始，到2012年为止，我国在5年内共发射了16颗北斗二号卫星，实现了对亚太区域的覆盖，并在2012年底正式对外提供服务，完成了北斗三步走战略的第二步。同时，鉴于北斗一号短报文和位置报告功能的实用性，该项功能在北斗二号中得到了保留。北斗二号北斗二号定位原理北斗二号：系统组成星座GEO卫星MEO卫星空间段5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星24北斗二号：系统组成中地球轨道（MediumEarthOrbit，MEO）卫星、地球同步轨道（GeostationayOrbit，GEO）卫星倾斜地球同步轨道（InclindGeosynchronousOrbit，IGSO）卫星GEO和IGSO卫星在亚太地区可视时间长，能有效增加观测卫星数25地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。北斗二号：系统组成地面段26主控站用于系统运行管理与控制等。主控站从监测站接收数据并进行处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，而后交由注入站执行信息的发送。注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理，在接受主控站的调度后，将卫星导航电文和差分完好性信息向卫星发送。监测站用于接收卫星的信号，并发送给主控站，可实现对卫星的监测，以确定卫星轨道，并为时间同步提供观测资料。北斗二号：系统组成27用户段由北斗用户终端以及与其他GNSS兼容的终端组成。北斗系统的用户终端用户段28北斗二号：系统组成用户段29用户终端研制进展顺利，相关的政策和标准也在研究和制定当中。北斗系统民用信号ICD文件（1.0版本）的技术准备已完成，北斗系统民用信号ICD文件及其更新将逐步在北斗系统政府网站上发布。北斗二号：系统组成北斗二号：信号特征频段B1:1559.052~1591.788MHzB2:1166.22~1217.37MHzB3:1250.618~1286.423MHz30截至星座信号（实际发射）2012年5GEO+5IGSO+4MEO（区域服务）主要是北斗系统第二阶段信号2020年5GEO+3IGSO+27MEO（全球服务）主要是北斗系统第三阶段信号北斗系统第二阶段信号31信号中心频点(MHz)码速率(cps)带宽(MHz)调制方式服务类型B1(I)1561.0982.0464.092QPSK开放B1(Q)2.046授权B2(I)1207.142.04624QPSK开放B2(Q)10.23授权B31268.5210.2324QPSK授权北斗二号：信号特征32北斗系统第三阶段信号信号中心频点(MHz)码速率(cps)数据/符号速率(bps/sps)调制方式服务类型B1-CD1575.421.02350/100MBOC(6,1,1/11)开放B1-CPNoB1-A2.04650/100BOC（14，2）授权NoB2aD1191.79510.2325/50AltBOC(15,10)开放B2aPNoB2bD50/100B2bPNoB31268.5210.23500bpsQPSK(10)授权B3-AD2.557550/100BOC(15,2.5)授权B3-APNo北斗二号：信号特征时间系统33北斗时（BDT）溯源到协调世界时UTC（NTSC），与UTC的时间偏差小于100纳秒。BDT的起算历元时间是2006年1月1日零时零分零秒（UTC）。BDT与GPS时（1980年1月6日UTC0）时和Galileo时的互操作在北斗设计时间系统时已经考虑，BDT与GPS时和Galileo时的时差将会被监测和发播。北斗系统采用中国2000大地坐标系统（CGS2000）。CGS2000与国际地球参考框架ITRF的一致性约为5个厘米，对于大多数应用来说，可以不考虑CGS2000和ITRF的坐标转换。坐标系统34服务和性能两种全球服务开放服务：免费、开放•定位精度:10m•授时精度:20ns•测速精度:0.2m/s授权服务:确保高可靠应用（甚至是在复杂条件下）。35服务和性能两种区域服务广域差分服务•定位精度:1m短报文通信服务36北斗二号覆盖范围北斗三号2017年11月5日，北斗三号第一、二颗组网卫星发射成功，开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代。相比北斗二号系统，北斗三号系统技术更先进、建设规模更大、系统性更强北斗二号民用频点B1选择在1561.098MHz，而GPS的L1在1575.42MHz。根据2017年9月最新公布的北斗三号接口控制文件，北斗民用信号B1C和B2a现在已经完全实现和GPS等系统的兼容，这将有利于北斗全球化应用。北斗三代使用了抗干扰技术，保护信号不被敌方干扰，避免战时抓瞎。这方面的工作由国防科大王飞雪老师团队完成，已经是世界领先水平，北斗三代的抗干扰性高于GPS。北斗三号北斗三号卫星具有怎么特色呢？根据北斗卫星导航系统副总设计师杨元喜院士的说法，主要体现在：从区域到全球、激光通信、氢原子钟、卫星搜救、全球位置报告。北斗三号覆盖范围美国的实力让他在全球可以布设GPS的地面站，但我国想要实现全球布设北斗地面站还是有所不及。因此，在不布设全球地面站的情况下对北斗卫星实现控制、参数注入等工作就尤为重要。北斗三号北斗三号通过卫星间的位置相互定位，假如某一些卫星的位置定的比较准确了，就把它们的位置也作为观测点，联合其他地面观测点去定位其他的卫星。这样一来，卫星的位置精度就能够得到大幅提高。北斗导航卫星应用系统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。你可以向当地服务提供商发送文字信息告知你的要求，如查询最近的停车位、餐厅、旅馆或其他你想去的任何地方，服务商会立即根据你所在的位置，帮你找到需要的信息。然后，将一张地图发送到你的手机上，甚至还会为你提供酒店房间、餐厅或停车位预定等增值服务。个人位置服务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。这些位置信息可用于道路交通管理。例如，指示车辆走畅通的道路，限制进入拥挤的道路，或通告司机前方拥堵的情况，建议走车辆较少的路线。如果车辆超速行驶而发生交通事故，则撞车时的速度、位置和时间信息均会被记录在上，作为判断是否违章的依据；如果车辆被盗或被抢，卫星导航会很快发现并跟踪其位置，使盗贼无处藏身。道路交通管理卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。例如，在铁路运输领域，通过安装卫星导航终端设备，可极大缩短列车行驶间隔时间，降低运输成本，有效提高运输效率。未来，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。铁路智能交通海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一，也是卫星导航最早应用的领域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备，使海上和水路运输更为高效和安全。北斗卫星导航系统将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。同时，北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。海运和水运当飞机在机场跑道着陆时，最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。利用卫星导航精确定位与测速的优势，可实时确定飞机的瞬时位置，有效减小飞机之间的安全距离，甚至在大雾天气情况下，可以实现