北斗双星定位通信系统

北斗双星定位通信系统面对卫星导航技术的迅猛发展和导航技术在国民经济发展和现代战争精确打击中的地位和作用，我国于２０世纪８０年代开始探索适合我国国情的卫星导航定位系统技术途径和系统方法。1983年提出了双星定位方案，与此同时美国静止卫星公司和欧洲本地卫星公司也提出了类似方案。利用两颗地球同步静止卫星实现区域性导航定位并兼有简短报文通信的双星导航定位系统。1988-1989年利用现有的两颗C频段通信卫星成功进行了“双星快速导航定位通信系统演示实验”，证明了系统体制的正确性和可行性。实验表明定位精度与测距速率、两颗卫星的间距、测距精度和用户高度有关。1993年进一步进行双星定位系统试验，1994年双星导航定位系统工程正式启动。2000年10月31日和12月21日，我国相继成功发射了北斗系统第一颗和第二颗导航定位试验卫星，2003年5月25日在西昌发射中心用长征三号运载火箭将第三颗导航卫星送入太空。2004年北斗导航定位系统正式投入运营。北京时间2007年2月3日凌晨零时28分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第四颗北斗导航试验卫星送入太空。•北斗卫星导航定位系统是由中国自行研发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS）•该系统分为“北斗一代”和“北斗二代”，分别由北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，其精度与GPS相当。中国在2000年至2007年先后发射了四颗“北斗一号”卫星，这种区域性(中国境内)的卫星导航定位系统，正在为中国陆地交通、航海、森林防火等领域提供着良好服务。北斗卫星导航系统的历史•我国早在60年代末就开展了卫星导航系统的研制工作。在自行研制“子午仪”定位设备方面起步较晚，以致后来使用的大量设备中，基本上依赖进口。70年代后期以来，国内开展了探讨适合国情的卫星导航定位系统的体制研究。先后提出过单星、双星、三星和3-5星的区域性系统方案，以及多星的全球系统的设想，并考虑到导航定位与通信等综合运用问题，但是由于种种原因，这些方案和设想都没能够得到实现。•双星定位导航系统是一种全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统，可实现快速导航定位、双向简短报文通信和定时授时3大功能，其中后两项功能是全球定位系统(GPS)所不能提供的，且其定位精度在我国地区与GPS定位精度相当。整个系统由两颗地球同步卫星(分别定点于东经80度和东经140度36000公里赤道上空)、中心控制系统、标校系统和用户机4大部分组成，各部分间由出站链路(即地面中心至卫星至用户链路)和入站链路(即用户机至卫星中心站链路)相连接。中心站以特定的频率发射H地球同步卫星分别向各自天线波束覆盖区域内的所有用户广播。•当用户需要进行定位／通信服务时，相对于接收信号(出站信号)某一帧，提出申请服务项目并发送入站信号，经两颗卫星转发到地面中心，地面中心接到此信号后，解调出用户发送的信息，测量出用户至两颗卫星的距离，对定位申请计算用户的地理坐标，由于H颗卫星的位置是已知的，分别为两球的球心，另一球面是基本参数已确定的地球参考椭球面3球交会点为测量的用户位置。系统构成与工作原理•北斗卫星导航定位系统的系统构成有：两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。•北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“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。•用户利用一代“北斗”定位的办法是这样的，首先是用户向地面中心站发出请求，地面中心站再发出信号，分别经两颗卫星反射传至用户，地面中心站通过计算两种途径所需时间即可完成定位。一代“北斗”与GPS系统不同，对所有用户位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。因此，地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。•由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。•北斗第二代导航卫星网”将由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：开放服务和授权服务。其中5颗静止轨道卫星，即高度为36000公里的地球同步卫星；5颗静止轨道卫星在赤道上空的分布为：58.75ºE,80ºE,110.5ºE,140ºEand160ºE，提供RNSS和RDSS信号链路。30颗非静止轨道卫星由27颗中轨（MEO）卫星和3颗倾斜同步（IGSO）卫星组成，提供RNSS信号链路„27颗MEO卫星分布在倾角为55度的三个轨道平面上，每个面上有9颗卫星，轨道高度为21500公里。•每颗COMPASS卫星都发射4个频率的载波信号用于导航：1561.098MHz(B1),1589.742MHz(B1-2)，1207.14MHz(B2),1268.52MHz(B3)每个载波信号均有正交调制的普通测距码（I支路）和精密测距码（Q支路）。卫星以不同地址码区分（CDMA）。•免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米／秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。•第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是：第二代用户机可免发上行信号，不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息，而是直接接收卫星单程测距信号自己定位，系统的用户容量不受限制，并可提高用户位置隐蔽性。其代价是：测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证，所有用户机使用稳定度较低的石英钟，其时钟误差作为未知数和用户的三维未知位置参数一起由4个以上的卫星测距方程来求解。这就要求用户在每一时刻至少可见4颗以上几何位置合适的卫星进行测距，从而使得星座所需卫星数量大大增多，系统投资将显著增加。北斗系统四大功能•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(1σ)，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：每小时540000户。北斗应用五大优势•1.同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持。2.覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区。3.特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用。4.独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”。5.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。国产北斗海上搜索定位系统“北斗”卫星导航系统与GPS系统比较•1、覆盖范围：•北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。•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颖)。•2、卫星数量和轨道特性：•北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约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°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。•3、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。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，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。•4、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码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。•5、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。•6、生存能力：•“北斗一号”和所有导航定位卫星系统一样，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。•GPS正在发展星际横向数据链技术，为了弥补这种系统易损性，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。•7、实时性：“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置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。•四大系统各有特色•GPS胜在成熟，•伽利略胜在精准，•格洛纳斯抗干扰能力强，•中国的北斗卫星导航系统的优势则在于互动性和开放性。•与GPS相比，伽利略系统在许多方面具有优势，例如其卫星数量多达30颗，其卫星轨道位置比GPS高。伽利略可为地面用户提供3种类型的信号供选择，其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。此外，伽利略卫星定位系统信号的最高精度比GPS高10倍，确定物体的误差范围在1米之内。正如有关专家所说：“如今的GPS只能找到街道，而伽利略却能找到车库的门。”而俄国的格洛纳斯由24颗卫星组成，也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定位卫星系统。尽管其定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干扰能力却是最强的。中国自行研制生产的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创新。北斗系统与其他系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于需要导航与移动数据通信场所。此外，中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。汶川地震中投入使用的北斗一号卫星导航定位系统手持机，发挥了重要作用北斗卫星的战略运用•“北斗”系统服务于导航定位、指挥控制、精密测量、目标监控等国内多应用领域。•减少对GPS的依赖•精确制导武器的大规模使用，标志着“精确打击时代”的来临，而战争的规则也随之发生改变，谁能料敌于前，从而一击必杀，谁就能掌控现代战争的主导权。而这种能力取得的关键就在于提高自身对战争要素（装备、监控、环境等）精确导引的能力和摧毁敌方对这种能力的掌握。FT-1500公斤级精确制导炸弹雷石6500公斤级精确制导滑翔炸弹战斧式巡航导弹•精确制导技术•精确制导技术是以高性能的光电测器为基础，采用目标识别、成像跟踪、相关跟踪等方法，控制和引导武器准确地命中目标的技术，也是一门正在迅速发展中的技术。按照制导方式，即按照实现导引和控制飞行器根据特定基准（规律）选择飞行路线去寻找和攻击目标的运动过程中，所采取的手段与方法，可将精确制导技术分为以下几种类型：•1、寻的制导•包括主动式寻的制导、半主动式寻的制导和被动式寻的制导。•2、遥控制导•包括指令制导和波束制导。•3、匹配制导•包括地形（高度）匹配制导和景象（灰度）匹配制导。•4、惯