北斗导航技术

北斗导航技术与测试介绍硬件测试组黄玲概述•1.北斗导航技术系统简介•2.一代北斗•3.二代北斗•4.北斗测试•北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem）简称北斗系统，英文缩写为BDS，曾用名为COMPASS，是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统,与伽利略导航系统并称全球四大卫星导航系统。分为北斗1代和北斗2代。北斗卫星导航系统简介北斗系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务，军用与民用目的兼具。北斗卫星导航系统简介•应用北斗卫星导航系统简介•发展历程试验系统（北斗一代）：1983年陈芳允院士提出，1994年开始研制，2003年完成组建伽利略系统合作计划正式系统（北斗二代）：2004年-2020年北斗卫星导航系统简介•北斗卫星•北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。北斗卫星导航系统简介•北斗卫星IGSO：倾斜卫星同步轨道GEO：地球静止轨道MEO：中地球轨道北斗一代•试验系统•北斗卫星导航试验系统又称为北斗一号，是中国的第一代卫星导航系统，即有源区域卫星定位系统，1994年正式立项，2000年发射2颗卫星后即能够工作，2003年又发射了一颗备份卫星，试验系统完成组建，该系统服务范围为东经70°－140°，北纬5°－55°。在卫星的寿命到期后（设计值8年），系统已停止工作。北斗一代•系统组成•系统分为三个部分，分别为空间段、地面段、用户段：•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。北斗一代•工作原理北斗一代•工作原理•首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。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。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。中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。北斗一代•定位原理（双星定位法）•中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。即可以推算出用户位置。北斗一代•主要参数服务区：我国及周边地区定位精度：水平精度100米（1σ），设立标校站之后为20米（类似差分状态）。定位时间：几秒钟授时精度：单向100ns，双向20ns通信能力：双向短报文通信120个汉字北斗一代•优点成本低定位快双向通信与授时位置报告•缺点缺乏隐蔽性用户容量受限制定位精度不高，无测速功能北斗二代•正式系统•北斗卫星导航系统”一词一般用来特指第二代系统。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与GPS相似。在计划中，整个系统将由35颗卫星组成，其中5颗是静止卫星，以与使用静止轨道卫星的北斗卫星导航试验系统兼容。•2012年实现区域性覆盖，预计在2020年达到全球覆盖。北斗二代•频段B1频点：1559.052MHz－1591.788MHzB2频点：1166.220MHz－1217.370MHzB3频点：1250.618MHz－1286.423MHz注：其中B1、B2是民用信号，B3是军用信号。B1的标称频率为1561.098MHz。北斗二代•定位技术-三球交汇定位（与GPS定位原理一致）北斗二代•定位技术题外：DGPS•分为局域差分（LADGPS)与广域差分(WADGPS)两种•WADGPS可覆盖整个国家，包括SBAS卫星就是利用静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。现有的SBAS卫星包括EGONS(欧洲）、WAAS（美国）、MSAS（日本）、GAGAN（印度）。•LADGPS覆盖范围一般在10~100km，精度可达到厘米级。依靠基准站校准发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。电文采用的协议为RTCM-104。北斗二代•定位技术•北斗二代融卫星导航与广域差分为一体，向用户实时播发卫星导航信息、广域差分改正信息及完好性信息等。导航信息可为用户提供基本的导航定位服务；广域增强信息根据用户的不同等级，可为用户提供更高精度的定位精度，改善区域的导航性能，为所覆盖区域导航用户提供全天候、高性能的导航定位服务。完好性信息可为用户提供区域导航系统的可用性信息，当系统不可用或导航精度降低时，及时向用户告警。北斗二代•定位技术•北斗导航定位增强系统主要包括三部分：空间部分、地面部分和用户部分。空间部分由携带导航转发器的地球静止轨道（GEO）卫星组成。地面部分由若干参考站和主控站组成。北斗导航定位增强系统具有三种功能，即地球静止卫星（GEO）测距功能、完好性监测功能和广域差分功能。北斗二代•增强型定位技术（差分定位）•通过北斗用户机周围建立位置已知的北斗差分基准站，用基准站测得的伪距与其真实位置的差值，由基准站发射到用户，北斗用户在测距过程中将之差掉，以此提高精度。•目前，交通运输部东海航海保障中心在我国黄海南部和长江口水域进行了国内首次无线电指向标——差分北斗卫星导航系统(RBN—DBDS)播发与接收试验，并取得圆满成功。误差可由10米降为1米。北斗二代•时间系统•北斗卫星导航系统的系统时间叫做北斗时，属于原子时，溯源到中国的协调世界时，与协调世界时的误差在100纳秒内，起算时间是协调世界时2006年1月1日0时0分0秒。北斗二代•ICD文件•北斗的空间信号接口控制文件(InterfaceControlDocument/ICD)是约束、规范和定义北斗导航卫星与接收终端之间信号接口的文件，它说明了卫星导航射频信号、扩频测距码、导航电文结构、导航电文参数及算法四个方面内容，只有掌握了这些特征和参数，才能正确接收北斗导航卫星播发的信号，继而进行定位和导航。北斗二代•主要参数（开放服务）服务区：全球定位精度：定位精度平面10米、高程10米定位时间：几分钟（与GPS相同）授时精度：授时精度单向50纳秒，开放服务不提供双向高精度授时通信能力：不提供北斗二代•主要参数（授权服务）服务区：全球（需要获得授权）定位精度：未知，可达1m以内定位时间：兼容北斗1代，可达几秒（仅限亚太地区）通信能力：军用版容量为120个汉字，民用版49个汉字（仅限亚太地区）北斗测试•目前国内实力较强的北斗芯片厂商泰斗微电子（基带射频芯片以及模块）北斗星通/和芯星通（芯片及模块）东方联星广州润芯（射频芯片）华力创通北斗测试•市场上北斗模块描述系统：GPS+BDS（可分离为单GPS及单北斗）频率：L1+B1协议：NMEA0183功能：三维测速、三维定位、精确授时通道：大于32channels北斗测试•卫星编号•目前还没有统一的规范，市场上的北斗模块各自定义不一样。东方联星杭州中科微电子北斗测试•NMEA•$GNGGA,050800.000,3113.3181,N,12121.2744,E,1,20,0.8,49.0,M,0.0,M,,*47•$GNGLL,3113.3181,N,12121.2744,E,050800.000,A,0*34•$GPGSA,A,3,14,21,18,15,24,31,25,12,22,,,,1.3,0.8,1.1*33•$BDGSA,A,3,02,01,07,03,06,10,14,09,04,05,13,,1.3,0.8,1.1*26•$GPGSV,3,1,09,12,47,099,46,14,39,308,44,15,16,088,34,18,80,179,44*7E•$GPGSV,3,2,09,21,17,202,37,22,61,307,46,24,36,041,45,25,43,151,44*73•$GPGSV,3,3,09,31,12,234,41*41•$BDGSV,3,1,11,01,49,146,40,02,34,241,36,03,52,200,38,04,35,123,36*6C•$BDGSV,3,2,11,05,15,255,33,06,63,180,40,07,71,309,41,09,75,264,40*65•$BDGSV,3,3,11,10,51,266,38,13,83,303,42,14,40,141,42*58•$GNRMC,050800.000,A,3113.3181,N,12121.2744,E,0.25,0.00,270313,,,A*71•$GNVTG,0.00,T,,M,0.25,N,0.46,K,A*26•$GNZDA,050800.000,27,03,2013,00,00*43北斗测试•测试方法及参数：测试方法与GPS相同CN0：40dB-Hz/-130dBmTTFF：冷启35s左右，热启1s灵敏度：不同平台不一样，跟踪灵敏度最大-159dBm动态性能：失锁后的捕获定位有一定误差静态性能：5m速度精度：0.1m/s可见卫星数：上海最多14颗北斗测试•测试仪器谢谢！