北斗卫星导航定位系统综述

北斗卫星导航定位系统 杨晶超 （中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原，030051） 1．北斗卫星导航定位系统概述 1.1发展历程 卫星导航是六十年代发展起来的一种新型导航方式，它不仅可以为国民经济的发展带来巨大的经济效益，而且也为国家安全提供了强有力的保障。卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的经济效益和社会效益，涉及政治、经济、军事等领域，对维护国家利益具有重大意义。 目前，世界上只有少数国家具备自主建设卫星导航系统的能力，正在运行的有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统，中国参与的欧洲伽利略全球卫星定位计划也正在紧锣密鼓地进行。中国作为发展中国家，拥有广阔的领土和海域，有必要也有能力拥有自己的全球卫星定位系统。我国政府高度重视卫星导航系统的建设，努力探索和发展拥有自主知识产权的全球卫星导航定位系统。但是限于国力，中国不可能像美国那样在短时期内发展GPS卫星导航系统，因此在八十年代中期提出了“北斗导航系统”的发展计划。 中国科学院院士陈芳允先生于1983年提出“双星定位”的，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的方案，但美国和欧洲的公司从事双星定位的研究以失败告终，中国获得了成功，并命名为北斗一号。 依据北斗导航定位系统的方案，在1988-1989年利用现有2颗C频段通信卫星成功地进行了定位原理的试验。试验表明，定位精度、测距速率、2颗卫星的相隔距离、测距精度和用户高度有关，基本结论是可达数十米以下的定位精度、数十纳秒以下的定时精度。1993年进一步进行了双星定位系统的试验，从而奠定了全面建设北斗导航定位系统的基础。 我国从1994年开始自行研制建设具有自主知识产权的中国第一代卫星导航定位系统“北斗卫星导航系统”（Compass Navigation Satellite System，CNSS为英文名称，Beidou为中文音译名称）。先后于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日，使用CZ-3A火箭成功地发射北斗导航定位系统的第1、2、3颗卫星，分别位于赤道上空静止地球轨道的80ºE，140ºE和110.5ºE，其中第3颗星为备份星，连同地面的配套设施建设，实现了北斗导航定位系统的构成。在此基础上建成了中国“北斗一号”导航试验系统，使我国成为世界上继美国、俄罗斯之后第三个拥有卫星导航系统的国家，同时CNSS是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后世界上第三个成熟的卫星导航系统。 2007年2月3日，我国第4颗北斗导航试验卫星北斗1D发射升空。北斗1D仍然属于北斗一代系列，不过它的任务除了进一步提高试验系统的性能和可靠性外，还将参与二代系统的试验。北斗1D升空后太阳帆板展开时发生故障，不能正常运行，西安卫星测控中心会同有关单位经过两个月奋战，成功排除了故障，为发射二代北斗卫星扫除了障碍。 2007年4月14日4时11分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星送入太空。这是第一枚没有冠以“试验”二字的北斗导航卫星。约14分钟后，星箭分离，西安卫星测控中心传来的数据表明，卫星准确进入预定轨道。这颗北斗导航卫星名为COMPASS－M1，飞行在高度为21500千米的中圆轨道。 未来的北斗卫星导航系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。从轨道高度看，北斗M1和以往试验星36000千米的高度不同，而与国外的GPS系统、格罗纳斯系统、伽利略系统卫星高度接近，这意味着它属于北斗系统30颗非静止轨道卫星之一。M1的意思是中圆轨道（MEO）的首星，按照这个编名，以后发射的北斗系列其它非静止轨道卫星的名称将从北斗M2排到北斗M30，静止轨道（GEO）卫星则将从北斗G1排到北斗G5。 和试验系统不同，北斗卫星导航系统即二代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。未来几年里，我国还将陆续发射系列北斗导航卫星，计划2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，再逐步扩展为全球卫星导航系统。 为提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统之间的兼容性和互操作性，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，我国政府公开表示愿意与其他国家合作，共同发展卫星导航事业。 总之，北斗导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统，是我国具有自主知识产权的卫星定位系统，是我国卫星导航事业摆脱受制于人的重要基础设施，也是打破GPS独占我国卫星定位导航应用市场局面的根本手段。 1.2系统功能 北斗系统是一种全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统，运行至今工作稳定、状态良好，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。 北斗系统提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、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。这个系统将主要用于国家经济建设，为我国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务，应用前景十分广阔。 北斗卫星定位通信系统具有快速定位、实时导航、简短通信和精密授时4大功能。 （1）快速定位 地面中心发出的C波段测距信号含有时间信息，经过卫星——测站（用户）——卫星，再回到地面中心，有出入站信号的时间差可计算出距离。“北斗”系统可提供全天候、高精度、快速实时定位服务。 （2）实时导航 系统地面中心有庞大的数字化地图数据库和各种丰富的数字化信息资源，地面中心根据用户的定位信息，参考地图数据库可迅速的计算出用户距目标的距离和方位；另外，用户收发机也具有一定的信息存储和处理能力，可以设置多个航路点、目标点、用户航行允许最大偏差等信息，计算用户距目标的距离和方位，导引用户到达目的地。 （3）简短通信 用户与用户之间、用户与中心控制系统之间均可实行双向简短数字报文通信。通信过程为地面控制中心接收到用户发送来的响应信号中的通信内容，进行解读后再传送给收件用户端。一般用户1次可传输36个汉字，经过批准的特殊少量用户可连续发送120个汉字。 （4）精密授时 系统具有单向和双向两种定时功能。中心控制系统定时播发授时信息，由用户确定自己的准确时间并与地面中心进行严格的时间同步。单向授时终端的时间同步精度为l00ms，双向授时终端的时间同步精度为20ns。 1.3与其它卫星导航定位系统的比较 1.3.1四大卫星导航定位系统简介 目前，世界上正在运行的卫星定位导航系统主要有三个：一是美国的GPS，二是俄罗斯的GLONASS系统，第三就是中国的北斗导航系统，加上目前尚处在开发阶段的“伽利略”系统，全球四大卫星定位系统并存的格局已经确立。欧洲航天局准备在2008年建成伽利略系统，第一颗实验卫星已于2005年12月底成功发射。因此，到2008年，全球四大卫星导航系统将同时运行在太空中。 GPS系统的主体部分由24颗分布在6条中圆轨道上的卫星组成，这些卫星与地面支撑系统组成网络，用户终端可根据同时收到的4至8颗卫星的位置信息，计算出准确的定位信息，其优势是终端定位隐蔽，用户数量不限。 俄罗斯的GLONASS系统从1995年开始实施。该系统可准确确定飞机、火车、汽车及船只的位置和行进速度。系统本应由21颗处于工作状态的卫星构成，但由于经费原因，该计划搁置了5年，只有8颗卫星能够长期正常工作。 1999年，欧盟提出“伽利略”计划。欧洲国家计划投资35亿欧元，预期于2008年底建成并投入运营。其最突出的功能是信号中继，即向用户终端传输信号可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通信网来实现。“伽利略”终端不仅可以接受本系统信号，而且可以兼容GPS、GLONASS这两大系统的信号，并且具有导航功能与移动电话功能相结合的优越性能。 伽利略系统是一个开放的系统，允许其他国家参与开发。中国是加入欧洲伽利略计划的第一个非欧洲国家。根据中欧达成的协议，中国将在“伽利略”计划方面投入2亿欧元。“中欧伽利略计划合作项目”是我国目前最大的对外科技合作项目。 由于四大卫星导航定位系统工作原理不同且功能各有特点，对于用户来说，综合使用可提高导航终端设备使用性价比，因此未来各大卫星导航系统终端信号兼容将是发展的方向。欧洲伽利略系统从构建开始就表明将兼容GPS和GLONASS信号。专家介绍，目前我国企业也正在考虑生产兼容GPS信号的北斗系统终端。 1.3.2北斗卫星导航定位系统与GPS系统比较 （1）覆盖范围：北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-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，2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；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。“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。 （4）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。 （5）生存能力：和所有卫星导航定位系统一样，“北斗一号”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。为了弥补系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，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。 （6）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。 虽然GPS已广泛应用，但也绝非完美无缺。 （1）其规模太大、造价太高，其他国家很难效仿，俄罗斯和欧洲的空间局就是典型的例子。 （2）GPS只能用作导航却无法实现通信功能，而“北斗”具有定位和通信双重作用。 2．北斗卫星导航定位系统的组成及原理 2.1系统组成 北斗卫星导航定位系统由空间部分、地面控制管理部分及用户终端3大部分组成。 （1）空间部分：通常有两颗地球同步卫星同时工作，每颗星均主要由C/S和L/C两个转发器组成。 （2）地面控制管理部分：中心控制站位于北京，是整个系统的管理控制处理中心。中心控制站由5个分系统组成：信号收发分系统、信息处理分系统、监控分系统、时统分系统、测试分系统。中心控制站与两颗工作卫星进行双向通信，上下行频率均为C波段。30多个标校站分布于全国各地，每个标校站均设置于己知精确位置的固定点上，用于对整个工作链路中各环节的时延特性进行监测和标校处理。 （3）用户终端：用户机是整个系统的定位定时和通信终端，可用于陆地、海洋和空中的各种用户，满足用户对导航定位、定时授时及通信方面的需求。用户机及标校机与卫星之间的双向通信上行频率为L波段，下行为S波段。 系统的组成示意图如图1所示： 图1北斗系统组成示意图 2.2工作原理 2.2.1快速定位原理 定位过程如图2所示。 图2北斗定位过程 图中序号依次描述为： 1、中心站以特定频率发射一具有超帧、分帧结构的伪码扩频的连续波信号； 2、此信号经两颗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； 3、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）的某一帧，提出申请服务项目并发送入站信号； 4、经两颗卫星转发至地面中心，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； 5、用户的位置信息放在出站信号的某帧的数据段内； 6、经卫星1或卫星2转发给申请用户。 定位原理如图3所示。 图3北斗双星定位原理 双星定位系统是利用己知卫星位置、用户至卫星的斜距以及用户的概略大地高度计算出来的。如何由卫星位置、两条斜距和大地高计算用户的位置就是系统的定位原理问题。系统的定位原理可以从几何和代数两个方面来描述。 (1)几何原理： 如果分别以两颗卫星为球心，以卫星到待测站的距离为半径作两个大球。因为两颗卫星在轨道上的弧度距离为60º(备份星离两颗星都约为30º)，即两颗卫星的直线距离约为42000km之间，这一直线距离小于卫星的到观测站的两个距离之和(约为72000km)，所以两个大球必定相交。它们的相交线为一大圆，称之为交线圆。由于同步卫星轨道面与赤道面重合，因此，通过远离赤道的地面点的交线圆必定垂直穿过赤道面，在地球南北两半球各有一个交点，其中一个就是待测站。但是，地球表面不是一个规则椭球面，即用户一般不在参考椭球面上，要唯一确定待测站三维坐标，还必须事先给定待测站地面点的大地高，才能唯一地确定待测站位置。不过待测站的交线圆与待测站水平面不一定总相交，有时可能相切(赤道上)或近似重合(赤道附近)。当交线圆与地球表面垂直相交，交会出的测站唯一，定位精度高；当交线圆与地球表面缓慢相交，交会出的测站纬度值将会有很大的误差，定位精度差。由于地形的复杂性，即使在中纬度地区山区也可能产生交线圆与地球表面缓慢相交。这些地区称为双星定位的“模糊区”。另外，因为地球同步卫星只能覆盖南北纬81度之间的区域，所以81度以上区域是双星定位的“盲区”。盲区和模糊区的存在是双星定位几何上的弱点。 (2)代数原理： 系统定位的代数原理是如何利用己知的卫星位置、观测站应答询问信号之后的观测量与测站点位坐标之间的数关系，进行测站(用户)的位置解算。一个测站应答询问信号之后可得两个观测量方程： O1=F1(Xs,Xu) O2=F2(Xs,Xu) 式中Xs和Xu分别为卫星坐标矢量和测站(用户)坐标矢量。用户坐标是空间三维坐标，方程组的两个方程含三个未知数。若能给出用户的第三维坐标，用户的其余两维坐标便能惟一确定。 用户坐标可以是地固直角坐标(X,Y,Z)或大地坐标(λ,L,H)，日常生活中多用大地坐标表示点位。利用观测方程可以得到含大地高H的大地经纬度λ和L的表达式，只有给定用户的大地高H，才能求出L,λ得具体值。 如图4所示，用户所在点大地高是用户点位纬度卯酉圈曲率半径N=Ne+H沿法线的延长线。N与用户坐标和参考椭球有一定的函数关系，可以看成是用户对法线与短轴交点O'的观测量，则又可以组成一个观测方程 O3=F3(XO',Xu) 图4双星定位示意图 式中XO'为过用户的法线与短轴交点的坐标矢量O'，其值为 XO'=[0 0 -Ne2sinL]T 这样，在给定用户大地高H时，方程联立，得到三个观测方程，便可解算出用户的三维坐标。 实际工作中用户大地高H由地面中心的数字化地形图或用户携带的气压测高仪提供。 2.2.2站间报文通信原理 从地面中心站发出询问信号到用户获得定位和导航信息，数据流程时间约为0.6秒。中心站发出的询问信号与用户站响应的入站信号中均留有通信信息段，在进行站间简短报文通信时（包括用户站之间、用户与中心站之间），只需将报文信息填入该段内，并填上发文地址（发信方）与接收地址（收信方）即可完成站间简短报文通信。 2.2.3授时与定时原理 地面中心站将在每一超帧周期内的第一帧的数据段发送时间（天、时、分信号与时间修正数据）和卫星的位置信息，用户接收此信号与本地时钟进行比对，并计算出用户本地时钟与标准时间信号之差值，然后调整本地时钟与标准时间对齐（单向授时）；或将对比结果通过入站链路经卫星转发回地面中心，由地面中心精确计算出本地时钟和标准时间的差值，再通过出站信号经卫星1或卫星2转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐（双向授时）。 3．北斗卫星导航定位系统前景展望 一代“北斗”采用的是有源定位，GPS和GLONASS等都是无源定位。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，通信就不必通过其他的通信卫星了，一星多用符合我国国情。GPS和GLONASS没有设计通信功能，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信服务。 第二代北斗导航系统相比第一代北斗导航系统最显著的提升是增加了被动定位功能。“被动定位”是指持有终端设备的用户，无需向卫星发射定位请求，而是可以直接通过卫星发射的信号定位，因此不存在占用卫星信号带宽问题。这意味着中国北斗导航系统的用户数量将与采用被动定位的美国GPS系统一样没有数量限制，用户群可大大增加。 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，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。二代“北斗”可以称为“中国的GPS”，不过它仍然会比GPS多一个通信功能。“北斗”一号备份卫星上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，预计未来发射的卫星寿命就能达到10年左右；而目前GPS卫星的寿命都是12年左右，GLONASS卫星的寿命则是3到5年。 参考文献 [1] 张平.RDSS/GPS/SINS组合导航系统仿真与研究.西北工业大学硕士学位论文.2006年3月 [2] 马瑞峰.基于北斗导航定位系统的伪卫星技术研究.西北工业大学硕士学位论文.2005年3月 [3] 郝斌.基于北斗卫星的野外移动定位环境监测技术研究.南京航空航天大学硕士学位论文.2006年2月 [4] 陈刘成.卫星导航及相关技术研究和实现.中国人民解放军信息工程大学硕士学位论文.2002年4月 [5] 魏武财.北斗导航系统与GPS的比较.航海技术.2003年06期 [6] 夏德安，朱宏. 北斗卫星导航定位系统在防空兵中的应用.兵工自动化.2007年第26卷第4期 [7] 康向阳.中国的GPS-北斗导航系统.天津航海 2007年01期 [8] 司德平，王彦海.北斗导航系统与全球卫星定位系统.现代物理知识.2001年 06期 [9] 沈鹏，徐景硕，张建忠.北斗导航系统及其在无人机上的应用.航空电子技术.2007年02期 [10] 王亚，姚宜斌.基于北斗系统的搜索营救.测绘信息与工程.2007年06期 作者简介：杨晶超(1985-)，男，汉族，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：无线电与通信。 联系地址：山西省太原市中北大学1059信箱 邮编：030051 E-mail：yjc_085@163.com 用户 终端 6 3 2 5 4 1 中心控制站