北斗卫星定位系统

北斗卫星定位系统 开放分类: 科技、卫星、国防、卫星定位系统、LBS(Location Based Service 基于位置的服务) 目 录 , • 简 介 , • 系 统 工 作 原 理 , • 与 GP S 系 统 对 比 , • 双 星 定 位 不 同 于 “多星” 定 位 , • 北斗 系 统 三 大 功 能 , • 北斗 卫 星 定 位 系 统 的 民 用 服 务 提 供 商 , • 北斗 一 号 卫 星 定 位 系 统 民 用 终 端 设 备 行 业 标 准 , • 北 斗 应 用 五 大 优 势 , • 北 斗 卫 星 定 位 系 统 将 服 务 北 京 奥 运 , 简 介 北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。 该系统由三颗(两颗工作卫星、 一颗备用卫 星) 北斗定位卫星(北斗一号)、 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， 授时精度可达数十纳秒(ns) 的同步精度， 其定位精 度与GP S相 当。 北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。 三颗导航定位卫星的发射时间 分 别 为:200 0年10月 31日;200 0年12月 21日;200 3年5月25日，第 三 颗 是 备 用 卫 星。200 8年北 京 奥 运 会 期 间，它 将 在 交 通、 场馆安全的定位监控方面， 和已有的GP S卫 星定位系统一起， 发挥“双保险” 作用。 北斗一号卫星定位系统 的 英 文 简 称 为 BD，在ITU ( 国 际 电 信 联 合 会)登 记 的 无 线 电 频 段 为L波 段 ( 发 射)和S波 段 ( 接 收 ) 。 北 斗 二 代 卫 星 定 位 系 统 的 英 文 为 Compass ( 即 指 南 针 )，在 ITU 登 记 的 无 线 电 频 段 为L 波 段。 北斗 一 号 系 统 的 基 本 功 能 包 括:定 位、通 信 ( 短 消 息)和 授 时。 北 斗 二 代 系 统 的 功 能 与 GPS相同，即 定 位 与 授 时。 系 统 工 作 原 理 “北 斗一号” 卫星定位系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。 “北 斗 一 号”的 覆 盖 范 围 是 北 纬 5?一 55? ，东经 70? 一 140 ?之 间 的 心 脏 地 区，上 大 下 小，最 宽 处 在 北 纬 35? 左 右。其 定 位 精 度 为 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:249 1.7 5MHz。系 统 能 容 纳 的 用 户 数 为 每 小 时 540 000 户。 与 G PS 系 统 对 比 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 颗) 。 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? 。GP S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。 GP S是 被动式伪码单向测距三维导航。 由用户设备独立解算自位解算在那里而不是由用户设 备 完 成 的。 为 了 弥 补 这 种 系 统 易 损 性， GP S正 在 发 展 星 际 横 向 数 据 链 技 术， 使 万 一 主 控 站 被 毁 后 GP S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。 4、 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GP S所 不具备的。 综上所述， 北斗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。 缺点是不能覆盖两极地区， 赤道附近定位精度差， 只能二维主动式定位， 且需提供用户高 程数据， 不能满足高动态和保密的军事用户， 用户数量受一定限制。 但最重要的是， “北 斗一号” 导航系 统是我国独立自主建立的卫星导少的初步起步系统。 此外， 该系统并不排斥国内民用市场对GP S的 广泛 使 用。相 反，在 此 基 础 上 还 将 建 立 中 国 的 GPS广域 差 分 系 统。可 以 使 受 SA干 扰 的 GPS民用 码 接 收 机 的 定 位 精 度由百米级修正到数米级， 可以更好的促进GP S在 民间的利用。 当然， 我们也需要认识到， 随着我军高技术 武 器 的 不 断 发 展， 对 导 航 定 位 的 信 息 支 持 要 求 越 来 越 高。 双星定位不同于“多星”定位 “一代 „北斗? 只 用 双 星 定 位， 比 GP S等投 资 小、 建 成 快 ，” 范 本 尧 说 这 是 我 国 国 情 决 定 的， 也 对 一 代 “北斗” 的 技 术 路 线 提 出 了 特 殊 的 要 求，“所 以 我 们 的 定 位 系 统 具 有 自 己 的 特 点 。” 美 国 的 GPS和俄 罗 斯 的 GLONASS，都 是 使 用 24 颗 卫 星 (GPS还 另 有3颗 备 份 卫 星，GLONASS则因 经 费 问 损 失 了 几 颗 卫 星)组 成 网 络。这 些 卫 星 不 中 断 地 向 地面站发回精确的时间和它们的位置。 GP S接 收器利用GP S卫 星发送的信号确定卫星在太空中的位置， 并 根据无线电波传送的时间来计算它们间的距离。 等计算出至少3, 4颗 卫星的相对位置后， GP S接 收器就可 以用三角学来算出自己的位置。 每个GP S卫 星都有4 个高精度的原子钟， 同时还有一个实时更新的数据库， 记载着其他卫星的现在位置和运行轨迹。 当GP S接 收器确定了一个卫星的位置时， 它可以下载其他所有 卫星的位置信息， 这有助于它更快地得到所需的其他卫星的信息。 “19 83 年， „两弹一星? 功勋奖章获得 者陈芳允院士和合作者提出利用两颗同步定点卫星进行定位导航的设想， 经过分析和初步实地试验， 效果良好，” 中国计量科学研究院的黄秉英研究员说， 这一系统被称为“双 星定位系统” 。 一代 “北斗” 采用的基本技术路线最初来自于陈芳允先生的“双星定位” 设想， 正式立项是在199 4年。 北斗卫星导 航 系 统 由 空 间 卫 星、 地 面 控 制 中 心 站 和 用 户 终 端 等3 部 分 即 可 完 成 定 位。 一 代 “北斗” 与 GP S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。 有源无源是关键不同点 “一 代„北 斗? 采用的 是 有 源 定 位，GPS和GLONASS等都 是 无 源 定 位 ，”范 本 尧 说，“这 是 它 们 质 上 的 不 同 点 。” 所 谓 有 源 定 位 就 用户需要通过地面中心站联系及地面中心站的传输， 通讯就不必通过其他的通讯卫星了， 一星多用符 合 我 国 国 情。GPS和GLONASS没有 设 计 通 讯 功 能，主 要 原 因 就 在 于 不 需 要 地 面 站 中 转 服 务 的 无 源 定 位 不 能 提供通讯服务。 区域性基于技术水平 一代“北 斗” 是区域卫星导航系统， 只能全天候、 全天时用于 中 国 及 其 周 边 地 区;而 GPS和GLONASS都是 全 球 导 航 定 位 系 统，在 全 球 的 任 何 一 点，只 要 卫 星 信 号 未 被 遮 蔽 或干扰， 都能接收到三维坐标。 “区 域性是我国双星定位的技术特点、 水平以及国家需求决定的，” 范本尧 说。 GPS和GLONASS的空 间 部 分 是 高 度 在2万 千 米 左 右 的 卫 星 组 成 的 网 络。GPS的卫 星 平 均 分 布 在6个 轨 道 平 面 上，GLONASS卫星 平 均 分 布 在3个 轨 道 平 面 上，不 停 地 绕 地 球 旋 转。这 样，在 全 球 的 任 何 位 置、任 何 时 间 都 可同时观测到4 颗以上的卫星， 通过它们就可以获得高精度的三维定位数据。 “北 斗” 一号是双星定位， 轨道偏高， 距离地面3 万6 千千米， 是地球同步静止轨道卫星。 之所以要在这么高的高度是因为我们只有两 颗定位卫星， 不能覆盖整个地球， 如果在较低轨道上绕地运行， 每天就要有一定时间不能监控我国所在 区 域。 二 代 “北斗” 可 称 “中国 的 GP S” “我国 发 展 二 代 „北斗? 不 会 采 取 一 步 到 位 的 方 式， 也 不 会 停 掉 一 代， 另外发展二代，” 范本尧说， “我们会在一代的基础上不断补充卫星数， 增加其功能， 提高其整体水平。” 这 位 将 继 续 承 担 二 代 “北斗” 设 计 工 作 的 科 学 家 说: “二代 „北 斗? 可 以 称 为 „中 国 的 GP S?， 不 过 它 仍 然 会 比 GP S多 一个通讯为发展我国二代“北 斗” 的关键技术提供了准备。 范本尧举例说， 此次定位的“北 斗” 一号备份卫星 上新装载了用于卫星定位的激光反射器， 能够参照其他星， 把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以 内。 这颗卫星已定位成功， 表明这种技术是有效而可靠的。 这样， 当我们不断发射新的卫星构建二代“北 斗” 体 系 时，众 多 卫 星 就 会 找 准 自 己 的 位 置，构 成 符 合 标 准 的 网 络。此 外，“北 斗”一 号 的3颗 星 寿 命 都 是8年，专 家 正 不 断 研 究，预 计 下 一 次 发 射 的 卫 星 寿 命 就 能 达 到 10年 左 右 了;而 目 前 GPS卫星 的 寿 命 都 是 12年 左 右，GLON ASS卫星 的 寿 命 则 是3 到5 年。 “20 世 纪 原 子 钟 最 辉 煌 的 应 用 莫 过 于 由 它 构 成 了 全 球 定 位 系 统 的 核 心 ，” 黄 秉 英 说，导 航 星 和 地 面 站 全 离 不 开 它。目 前 的 原 子 钟 主 要 有3种:铷 钟、铯 钟 和 氢 钟。结 构 紧 凑、可 靠 性 高、寿 命长的原子钟正是发展全球定位系统必需的。 在结构方面， 铷钟最小体积已达到6 立方厘米; 在频率稳定 度方面， 氢钟最好; 而在长期频率稳定度和准确度方面， 则以铯钟最佳。 目前， 设在中国计量科学研究院的 国家授时中心使用的就是被称为“激光冷却,铯原子喷泉频率基准” 的铯钟， 我国的授时基准---U TC (N IM) 都是由它提供并不断同国际基准校正的， 而“北 斗” 将建成， 届时， 国民经济各领域都将从中获得更大的效 益。 200 3年5月25日，我 国 在 西 昌 卫 星 发 射 中 心 将 第 三 颗 “北 斗 一 号”导 航 定 位 卫 星 送 上 太 空，标 志 着 我 国 拥有了自己的第一代完善的卫星导航定位系统。 北斗卫星导航定位系统是第一代全天候、 全天时提供 卫星导航信息的区域导航系统， 它由两颗工作星和一颗备份星组成。 前两颗“北 斗一号” 卫星分别于200 0年 10月 31日 和 12月 21日 发 射 升 空。 北 斗 卫 星 导 航 系 统 可 以 为 船 舶 运 输、公 路 交 通、铁 路 运 输、野 外 作 业、 水文测报、 森林防火、 渔业生产、 勘察、 环境监测等众多行业以及其他有特殊调度指挥要求的单位提 供定位、 通信和授时等综合服务。 200 0年， 北斗导航定位系统两颗卫星成功发射， 标志着我国拥有了 自己的第一代卫星导航定位系统， 这对于满足我国国民经济、 国防建设的需要， 促进我国卫星导航定位 事业的发展， 具有重大的经济和社会意义。 北斗导航定位系统由北斗导航定位卫星、 地面控制中心为主 的地面部分、 北斗用户终端三部分组成。 北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国系统可广泛 应 用 于 船 舶 运 输、公 路 交 通、铁 路 运 输、海 上 作 业、渔 业 生 产、水 文 测 报、森 林 防 火、环 境 监 测 等 众 多 行 业，以 及 军 队、 公 安、 海 关 等 其 他 有 特 殊 指 挥 调 度 要 求 的 单 位。 北斗系统三大功能 快 速 定 位: 北 斗 系 统 可 为 服 务 区 域 内 用 户 提 供 全 天 候、高 精 度、快 速 实 时 定 位 服 务，定 位 精 度 20—100m; 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 20n s-100n s时间 同 步 精 度。 北 斗 卫 星 定 位 系 统 的 民 用 服 务 提 供 商 目 前 有五家， 以神州天鸿(北京神州天鸿科技有限公司) 和北斗星通(北京北斗星通卫星导航技术有限公 司) 最 为 出 色。 神 州 天 鸿 公 司 的 网 址 是: ww w.chinatopcom.com 北 斗 星 通 公 司 的 网 址 是: ww w.navchina.com 北 斗 一 号卫星定位系统民用终端设备行业 《 北 斗 一 号 民 用 车 ( 船) 载 遇 险 报 警 终 端 设 备 技 术 要 求 和 使 用 要 求》 ( 标 准 编 号 为 JT/ T59 0-2 004 ) 《 北 斗 一 号 民 用 数 据 采 集 终 端 设 备 技 术 要 求 和 使 用 要 求》 ( 标 准 编 号 为 JT/ T59 1-2004 ) 《 北 斗 一 号 民 用 车 ( 船)载 终 端 设 备 技 术 要 求 和 使 用 要 求》( 标 准 编 号 为 JT/ T59 2-2004 ) 北斗应用五大优势 同 时 具 备 定 位 与 通 信 功 能， 无 需 其 他 通 信 系 统 支 持; 覆 盖 中 国 及 周 边 国 家和地区， 24 小时全天候服务， 无通信区; 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; 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”; 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。 北 斗 卫 星 定 位 系 统 将 服 务北京奥运 从 12 月5 日 开 幕 的 200 7上 海 国 际 导 航 产 业 与 科 技 发 展 论 坛 上 获 悉， 由 我 国 自 主 研 发 的 北 斗 卫星导航系统已进入初步应用阶段。 明年北京奥运会期间， 它将在交通、 场馆安全的定位监控方面， 和已 有 的 GP S卫 星 定 位 系 统 一 起， 发 挥 “双保 险” 作 用。 北 斗 定 位 导 航 系 统 是 覆 盖 中 国 本 土 的 区 域 导 航 系 统。 中国卫星导航工程中心副主任冉承其介绍， 北斗定位导航系统的开发具有重要意义, 并有一些GP S系 统 所没有的长处， 如在静态地图的基础上， 可以把道路拥堵的实时情况在导航仪上反映出来。 一代“北 斗”是 区 域 卫 星 导 航 系 统，只 能 全 天 候、全 天 时 用 于 中 国 及 其 周 边 地 区;而 GPS和GLONASS都是 全 球 导 航 定 位 系统， 在全球的任何一点， 只要卫星信号未被遮蔽或干扰， 都能接收到三维坐标。 “区 域性是我国双星定位 的 技 术 特 点、水 平 以 及 国 家 需 求 决 定 的 ，”范 本 尧 说。 GPS和GLONASS的空 间 部 分 是 高 度 在2万 千 米 左 右 的 卫 星 组 成 的 网 络。GPS的卫 星 平 均 分 布 在6个 轨 道 平 面 上，GLONASS卫星 平 均 分 布 在3个 轨 道 平 面 上，不 停 地 绕地球旋转。 这样， 在全球的任何位置、 任何时间都可同时观测到4 颗以上的卫星， 通过它们就可以获得高 精 度 的 三 维 定 位 数 据。 “北 斗”一 号 是 双 星 定 位，轨 道 偏 高，距 离 地 面3万6千 千 米，是 地 球 同 步 静 止 轨 道 卫 星。 之所以要在这么高的高度是因为我们只有两颗定位卫星， 不能覆盖整个地球， 如果在较低轨道上绕 地运行， 每天就要有一定时间不能监控我国所在区域。 由于对包含车辆的位置和状态信息的数据要求 有一定的实时性。 同时车辆与调控中心之间的信息沟通实际上也是一种数据的通信方式， 其信息量一 般也不会超过GS M短信息的长度范围。 因此利用GS M的短消息业务基本可满足系统通信的需要。 其次， 通过短信息方式发送数据其成本代价远远低于其它方式(如通过话音信道)。 与其他无线电台等传 统 方 式 比 较，采 用 GSM 短 信 息 网 络 系 统 具 有 以 下 优 点: 1、 速 度 快，实 时 性 好，不 掉 线; 2、 可 以 双 向 通 信，及 时 返回终端信息; 3、 设备体积小， 操作简单; 4、 由于控制中心无须专门设置大功率发射电台， 将大大降低安 装 费 用; 5、 覆 盖 面 广 受 地 理 环 境