北斗卫星导航系统综述

专业综合实训报告学院信息电子技术专业通信工程班级14级二班学籍号14109741007姓名金哪梅指导教师蒋野2017年12月23日综合实训1佳木斯大学信息电子技术学院北斗卫星导航系统综述作者：金哪梅1.引言我们知道我国已成功发射23颗北斗导航卫星。目前，“北斗”系统已经向整个亚太地区提供服务。按照规划指向，将实现35颗北斗卫星全球组网到2020年。考虑到不断更新和增长的需求，“十三五”期间可能会迎来“北斗”发射高峰。BDS（BeiDouNavigationSatelliteSystem）中国北斗卫星导航系统，是中国独立研发制作的全球卫星导航系统。继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个较为完善并且得到认可的卫星导航系统。航天器导航定位、船舶进港引水、智慧城市交通管理、野外生存探险定位、飞机航线引导等诸多功能都能够利用卫星导航系统完成和实现。在自然灾害救援和重要活动的安全保驾护航的过程中，北斗系统同样占据了不可忽视的地位。文章对我国北斗卫星导航系统各功能进行了分析研究，如，导航、定位、授时、短报文通讯功能。还介绍了该系统技术应用领域和前景，从而更加深入的了解卫星导航系统。2.系统原理，技术及其应用2.1北斗卫星导航系统简介北斗卫星导航系统由用户段、地面段和空间段三部分组成。其空间段采用了一种三种轨道卫星构成混合星座的模式，其特点是高轨卫星更多，抗遮挡能力更强，低纬度地区性能能更好的表现出来。北斗系统还提供了能提高服务的精度的具有多个频点的导航信号，可以通过组合多频信号使用等方式来达到既定目的。该系统将导航与通信能力融合，使其具有实时导航、快速定位、精确授时和短报文通信服务四大功能。可达到定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度是10ns。2.2卫星导航系统导航能力介绍卫星导航最原始的功能是向各类用户实时提供精确、连续的位置、速度和时间的信息。下图一所示为北斗导航模块的主要功能框图。主要包含了以下几个部分：综合实训2佳木斯大学信息电子技术学院应用处理模块，包括基于GPS的导航、对基层设备的控制管理、通信等功能；导航信息处理模块，包括转换/解密电文格式的处理、解算处理、定位和速度的解算处理、解算处理等；基带信号处理模块，包括直捕快捕、环路控制、中频采样、电文提取等；电源模块，整体的供电，包括电池组、电源切换电路、电池充电电路、DC-DC电路等。图一北斗导航功能模块图2.3北斗导航技术的应用卫星导航大面积的应用于海、陆和空各方面交通运输的导航，促使了世界交通运输业的改头换面。卫星导航渗透于工业、土地深松、起垄播种、秸秆还田、作物收割等精细农业生产的各个环节、资源监管、森林防火、病虫害防治等林地情况、渔业、陆地测绘与作业、海事管理中通航监管、船舶避碰等、气象预报、自然灾害预测、电信、娱乐、交通运输与车辆监管、电动车北斗防盗系统、公交车出租车北斗报警装置、医疗、救援以及电离层测量等各方各面，显示出了具大的应用前景。2.4卫星导航系统定位能力介绍民用的定位精度一般情况下只有数十米量级。卫星运行的轨道存在的偏差、卫星时钟存在的误差以及电离层和大气对流层对信号产生的影响都使其定位精度不高，因此，为了提高定位的精确度，技术上采用了差分定位技术。北斗（GPS）接收机在基准站进行观测得到基准站的坐标，更具收到的信息通过计算得出基准站到卫星的距离改正数，并对其定位结果进行改正，并由基准站实时将这一数据进行发布。2.4.1“北斗一号”卫星定位原理双模射频芯片双模基带芯片TXCOSAWLNARTC晶体RF-INAADET-N有源天线VCCV-BCKPGPSDATABD2DATARXD1TXD1(NMEA)RDX2TXD21PPSGPIO1GPIO2综合实训3佳木斯大学信息电子技术学院“北斗一号”卫星导航定位系统由三个部分组成，定位原理如图二所示。(1)空间卫星:一颗在轨备份卫星和两颗地球静止卫星。卫星无线电定位业务频段是卫星遥测遥控分系统在国际电信联盟登记的频段。(2)地面控制与标校系统:一个地面中心定位控制站配有电子高程图和几十个参考标校站分布于全国。(3)用户设备:包括北斗系统的用户终端以及其他卫星导航系统的兼容终端。定位原理:地面中心站定时向两颗工作卫星发送带有询问信号的载波,询问信号经过卫星的变频放大转发到用户机。用户机接收此信号后,立即向两颗工作卫星响应并应答。两颗工作卫星将收到应答信号变频放大后传到地面中心站。地面中心站将收到的信息处理,将其全部发送到地面网管中心。地面网管中心在用户需求的基础上处理相应数据。由信号经中心控制系统卫星用户之间的往返时间综合用户机发出的自身高程信息以及用户高程电子地图可算出用户所在点坐标。图二“北斗一号”系统组成图2.4.2“北斗二号”卫星定位原理“北斗二号”导航定位系统定位原理：是被动式伪码单向测距三维导航。具体方式表现在地面中心站控制着系统的解算，提供数据用以用户三维坐标定位。由用户设备解算自位，通过测量卫星至用户的信号传播延迟时间，再利用测距的原理完成导航定位。卫星到用户间的卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之集团用户监控管理中心北斗信息服务系统北斗运营服务中心系统用户终端北斗一号中心服务系统北斗地面控制中心北斗导航定位卫星综合实训4佳木斯大学信息电子技术学院差也叫伪距。为了简捷的计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量值的获得需要接收最少来自4颗卫星的信号。定位原理如图三所示图三“北斗二号”定位原理通过3颗卫星测距，得到用户至卫星的距离，可以肯定两维位置;然后再通过增加第4颗卫星就可以算出其三维位置和时间。2.5北斗卫星定位技术的应用就现状来看卫星导航定位技术已经大致上代替了天文和传统大地测量以及无线电导航技术，并且，促进了导航定位技术不断往新的方面的延伸，成为人类文化社会活动中大面积使用的导航定位技术。众所周知，“北斗一号”卫星导航系统已经向全民开放，各种各样应用的系统建设，北斗运营服务费，北斗终端用户机的销售等都是该系统的盈利方向。具体表现在公路交通、铁路运输、船舶运输、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等各行各业。卫星导航系统具有的定位功能，还适合于边远艰苦与人口分布稀少地区、荒原、山林、沙漠等特定地区和特殊行业的应用，一般无线网络无法覆盖的地区或跨区域也都可以应用。2.6卫星导航系统授时能力介绍“北斗一号”为用户机提供了两种不同的授时方式：单向授时和双向授时。单向授时的精度有100ns，双向授时的精度为20ns。但是，两种授时方式各有其不同的特点和优势。单向授时模式下，用户机不需要与地面中心站进行信息的交换，接收北斗广播电文信号后自主解得北斗标准时间与本地时间的差值，最后实现时间同步；在双向授时模式下，需要用户机与中心站进行信息的交换，用户机向中心站发射授时卫星1（X1，Y1，Z1）卫星2（X2，Y2，Z2）卫星3（X3，Y3，Z3）卫星4（X4，Y4，Z4）YXZ综合实训5佳木斯大学信息电子技术学院申请的信号由中心站解算用户机的时差，最后通过出站信号后再经卫星转发给用户，用户按此时间完成时间信号同步。其原理框图分别如下图四图五所示。北斗授时的特点有：北斗授时精度优于20~100ns，精确程度较高；授时系统和设备工作都极其稳定且可靠，极少的不必要的干扰；具有多种输出方式；便携耗能低。图四单向授时机原理框图图五双向授时机原理框图2.7北斗卫星授时技术的应用北斗卫星授时技术慢慢走向成熟后不断走进人类日常生产、生活的各方各面。北斗卫星授时设备产品特有的优点使它能够实现工控时间同步、精准的时钟授时和同步数据采集控制，可以预见，在这些方面该技术具有非常广阔的发展空间。利用导航卫星的高精度特点，还完全可以达到传统测量手段所不能企及的精准程度，在航海、陆上交通、航空、地理测量、气象预报、设备巡检、科学考察、极地探险等方面的应用更加能让该技术物尽其能的发挥它最大的用处。2.8短报文通讯功能介绍北斗卫星短报文通信可以进行用户机与地面控制中心、用户机与用户机间两种守时模块射频模块PRM模块基带信号处理模块电源模块导航信息处理模块解密IC卡应用处理模块天线外接天线射频10M10MRTC中频P码伪距伪距率修正定位结果RS483北斗授时信号处理主板LNAA广嘉——北斗RDSS射频模块RS232天线……授时通道串口RS232IPPSIPPM电源综合实训6佳木斯大学信息电子技术学院方式的双向数字通信报文的功能，通过串口与服务器连接，指挥端收到用户机发来的短报文后以JAVA或其它语言编写的语言解析该数据，再经过短信网关转发给普通手机，通过通信服务还可以实现普通手机往用户机发送短报文功能。北斗通信申请的短报文有两种数据类型可供选择，一种是通常汉字通信采用的ASCII码的方式，另一种为BCD码方式。普通的用户机最多一次可以传输72个字节，也就是36个汉字。申请过后并通过审核标准的可以达到最多一次传送240个字节。短报文不仅能够进行点对点的双向通信，而且可以进行一点对多点的广播传输，这些特点为各种平台应用提供了巨大的便捷。2.9短报文通信特点天气和数据传输的误码率等因素影响了北斗短报文通信的效益。同样，所发送的短报文内容是多少以及发送频率使其在民用的简捷性上受到了限制。因为北斗短报文提供了没有时间限制的紧急通道，它可以按照设定的时间间隔,无间断的发出求救信息。这一特点让它能够很好在紧急救援上应用已弥补了其他部分的不足，可是它还有一个缺点，求救信息会消耗普通短报文的时间。举个例子，我们不妨设正常的一条短报文直接的时间间隔有1分钟。如果连续发送5条紧急求救信息，那么会消耗用户机5分钟的时间，然而，这个5分钟内用户机将无法发出任何短报文。这一短处在目前尚未得到最好的解决方法，限制了该技术更好的应用。因此，一般紧急救援的短报文发送都会以最简单方便并且快捷的方式提供给用户设备按钮或者软件按钮，，以便用户紧急情况下更快更准确的使用。3.结论综上所述，北斗卫星导航系统的应用前景可谓是非常广阔。比如，当你不能避免的进入并不熟悉的地方时我们就可以使用安装有北斗卫星导航的手机或车载卫星导航查询需要走的路线。在快递如此泛滥的时代，我们还可以利用它监控物流车辆行驶状况，例如，车辆的行驶速度的快慢、停车和驾车时间的长短等都可以通过此系统实现。这样，就再也不用无望的等待包裹的到来。处于运动中的目标的定位导航、为了缩短武器载具反应的时间的发射位置的快速定位、水上排雷的定位需求等都可以通过此系统得以实现。除此之外，它可以提供查询最近的餐厅、旅馆、停车位功能给那些喜欢去偏远地区远足的人们等。当我们在没有信号覆盖的沙漠、偏远山区、以及海洋等地区进行搜索救援时，通过卫星导航终端设备可以精准的报告所处位置从而达到提高救援搜索效率和受灾情况的作用。北斗卫星导航系统，极大的促进了卫星导航产业链的形成和发展，同时构造完善了国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动了卫星导航在国民经济社会各行业中的广泛应用。