北斗科普知识

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1、北斗科普知识北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系建.系统由空 间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高 精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域 导航、定位和授时能力。北斗卫星导航系统建设计划第一步：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。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，并试运行，在小部分范围提供测试性服务。截止到 2012 年底，在轨 工作卫星有5颗地球静止轨道（GEO）卫星、4颗中圆地球轨道（MEO）卫星 和5颗倾

2、斜地球同步轨道（IGSO）卫星。第三步：2020 年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力，并完成全球 的定位与服务工作。到时空间星座部分将由5颗地球静止轨道（GEO）卫星和 30颗非地球静止轨道（Non-GEO）卫星组成。北斗1号：“北斗1号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星（2000年发射）、 两颗在轨备份卫星（2003、 2007年发射）、中心控制系统、标校系统和各类用户 机等部分组成。覆盖范围：北纬 5一 55，东经 70一 140之间。定位精度：水平精度100米（lb）,设立标校站之后为20米（类似差分状态）。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 40-6

3、0个汉字的短报文信息。可以达到一次传送达120个汉字的信息。优势：北斗1号导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能 实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航 定位的需求。缺点：第一，覆盖范围也不过是初步具备了我国周边地区的定位能力，与 GPS 的全球定位相差甚远。第二，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码己由16m提高到6m，C/A码己由25-100m提高到12m，授时精 度日前约 20ns。）第三，（有源定位）由于采用卫星无线电测定体制，用户终端机工作时要发送 无线电信号，会被敌方无线电侦测设备发现，不适

4、合军用。第四，无法在高速移动平台上使用，这限制了它在航空和陆地运输上的应用。 第五：因为其为有源定位，其系统容纳的最大用户数为 540000 户/小时，而 GPS 无此限制。第六：“北斗一号”对中心控制系统的依赖性强，因为定位解算在那里而不是 由用户设备完成的 ，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作 。北斗2号导航系统空间段计划由 35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、 27颗中圆地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。三种北斗星座组网卫星的区别：在服务功能的配置上，组成北斗星座的3种卫星是有区别的：地球静止轨道 卫星具备有源、无源、短报文通信3种服务功能，而中圆地球轨道卫星和倾斜地 球同步轨

5、道卫星只具有无源定位、导航和授时功能。星座中由于有了地球静止轨 道卫星，才保证了有源定位、导航和授时服务，以及短报文通信和位置报告功能。地面控制部分：地面控制部分由若干主控站、时间同步/注入站和监测站组成。主控站的主 要任务包括收集各时间同步/注入站、监测站的观测数据，进行数据处理，生成 卫星导航电文，向卫星注入导航电文参数，监测卫星有效载荷，完成任务规划与 调度，实现系统运行控制与管理等；时间同步/注入站主要负责在主控站的统一 调度下，完成卫星导航电文参数注入、与主控站的数据交换、时间同步测量等任 务；监测站对导航卫星进行连续跟踪监测，接收导航信号，发送给主控站，为导 航电文生成提供观测数据

6、。用户终端部分是指各类北斗用户终端，包括与其他卫 星导航系统兼容的终端，以满足不同领域和行业的应用需求。北斗 2 号的导航原理将更接近 GPS 系统，即通过高密度的卫星星座实现单 向定位和授时，同时也将保留“北斗一代”原有的双向通信功能。在提供无源定位 导航和授时等服务时，用户数量没有限制，且与 GPS 兼容。从导航性能角度， 北斗二代的导航性能将与GPS系统相当甚至超过GPS系统：开放服务的导航定 位精度为10m (区域服务能达到lm),授时精度为20ns，测速精度为0.2m/s； 授权服务的安全性、可靠性和定位精度将更高。2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授

7、时服 务。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗 导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。什么是有源定位，无源定位？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 1 号定位原理：北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星(800e和1400e)、一颗在轨备 份卫星(110.50e)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。系统的 工作过程是：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

8、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。对定位申请， 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

9、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，又可知道用户出于某一与地球基准 椭球面平行的椭球面上。从而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。什么是导航电文？导航电文（Navigation Message）是由各GPS卫星在L1和/或L2信号上, 以50 bps （每秒比特）播发的1500bit （比特）导航电文。电文包含有系统时间、 时钟改正参数、电离层延迟模型参数、卫星星历及卫星健康状况、由C/A码捕 获P码的信息等。这是为了给用户提供时间、位置坐标、速度等结果数据，而 用于GPS信号处理的有关信息。导航电文同样以二进制码的形势播送给用

10、户， 因此又叫数据码，或称D码（珂-娜* （片-yf + （远-刃訂 +。化厂几）三城 也F）2 4 （旳+ （习-勿马* Y他F %）=爲 （施-汙+ （y2亠yY +亠勿勺+H竹汀 （心-开严+ （w - y? +仗斗-）2 “+&（乙-殆J =心上述四个方程式中X、y、z为待测点坐标，Vto为接收机的钟差为未知参数，其中di=cAti, （i=l、2、3、4）, di分别 为卫星i到接收机之间的距离，分别为卫星i的信号到达接收机所经历的时间，xi、yi、zi为卫星i在t时刻的空 间直角坐标，Vti为卫星钟的钟差，c为光速。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vt。

11、这时候就有人说了，干嘛要四颗卫星呢，三颗不就够了吗？想想还蛮有道理的，三个球面，交汇于一点，不 就可以定出接收机所在的位置了吗？但是实际上，GPS接收器在仅接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定二维 坐标即经度和纬度，只有收到四颗或四颗以上的有效GPS卫星信号时，才能完成包含高度的3D定位。这是为什么呢？ 原来，大家忽略了一件事情，那就是时间。先来看一颗卫星，它在一个规定的时间发送一组信号到地面，比 如说每天8： 00整开始发送一组信号，如果地面接收机就在8点零2秒收到了这一组信号，那么就是说信号从卫星到 接收机的距离是电波花2秒能够跑到的距离，由于这颗卫星的位置和电波的速度已知，那么就可以肯定接收机就在以 卫星为球心的一个球面上，那么再多测2个卫星的距离，就可以得到3个空间球，3个空间球的焦点只有2个，那么 逻辑排出一个不在地球表面的，剩下的就是接收机的位置。这就是我们所想象的三颗卫星可以定位的情形。但是，这 只是假象的情况，卫星和接收机的距离如此之近，以至于卫星和接收机的时钟必须完全同步和准确，否则距离偏差会 很大。实际上，如果接收机这端不配备一个銫原子钟的话，定出来的位置肯定差了个十万八千里。銫原子钟的价格我 也不太清楚，反正肯定是比你坐的汽车要贵了。所以，由于时间需要校准，这就需要四颗卫星。可以从方程里看到， 时间都不是绝对时间，都是以卫星之间的钟差来计量的。