北斗卫星导航系统概述

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1、北斗卫星导航系统概述1008062100钟恩彬引言自从1960年美国发射第一颗导航卫星并于1964年组成美国海军导航卫星系统(NNSS)以来，导航卫星经过了从多普勒定位技术到伪码扩频测距定位，从间断、部分覆盖导航到全天候、全天时、全覆盖导航，从单纯广播式导航到通信导航融合技术的发展，其中运行了近二十年的美国GPS系统是卫星导航技术发展的结晶。随着卫星导航系统应用价值的不断扩展，GPS也暴露了一些不足，比如，GPS能够解决单一用户的精确定位导航问题，但由于它是广播式的导航，用户不能与导航卫星建立通信，定位信息不能传输给

2、用户中心，这一缺点使得它若在战场上运用时虽然能给导弹导航，但不能向指挥中心回传打击效果。我国充分吸收GPS的经验，于上世纪80年代开始研究设计自己的卫星导航系统—北斗卫星导航系统。截至目前，我国已经发射了16颗组网卫星，基本实现了亚太区域覆盖，我们很快就将用上国产的北斗终端设备了。在此背景下，本文将主要从北斗卫星导航系统的基本原理、与其它系统的比较两个方面简要介绍北斗卫星导航系统。一、北斗卫星导航系统的基本原理卫星定位说白了就是测出几颗卫星到定位点的距离，然后在建立的三维空间坐标系中以这些距离为半径画几个球，球的交点

3、即为定位点的坐标，至于导航就是选定一个参考点，测算出它的坐标，引导用户到该参考坐标点就是导航。关键的问题是如何测量出实时的距离，这就需要利用电磁波在卫星与用户之间的来回传播来测算。不过实际的系统远不止这么简单，例如必须保证发射和接受同步，这就好比要使卫星和用户接收机同时开始播放同一首歌，这时站在接收机旁的人会停到两个版本的歌声，滞后的就是来自卫星的歌声，这个时延乘上光速c即为卫星到定位点的距离，当然，这个时延的测量也必须用精准的时钟。为了保证这些，电磁波上必须加载复杂的导航电文。导航电文不是由卫星单独产生的，而要有地

4、面主控站来控制完成，所以为了不受制于人，我国决定开发自己的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端组成，空间端包括35颗组网卫星，其中5颗为静止轨道(GEO)卫星，地面端主要有主控站、注入站和监测站等，而用户端既包括北斗用户终端，也包括与其它导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统分三阶段组网，目前已成功完成北斗-1的试验和北斗-2区域定位导航系统的组网，接下来将在2020年左右完成北斗-2全球定位导航系统的组网，届时北斗定位精度将由于10米，测速精度由于0.2米每秒，授时精度20纳秒。北斗-1是有源定位导

5、航，即用户主动向卫星发送信号请求服务，它只覆盖我国领土范围(包括钓鱼岛)，它的解算原理工作过程是[1]：1)首先由中心控制系统向卫星1和卫星2同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播。2)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,经卫星转发回中心控制系统。3)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

6、统的延迟。4)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二颗卫星的距离,从而知道用户处于两颗卫星为球心的一个球面,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,又可知道用户处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-2是无源定位导航，它包括区域系统和全球系统，它的基本定位原理与美国的GPS大体相同[2]：以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，卫星不间断地发送自身的星历参

7、数和时间信息，用户接收到这些信息后采用空间距离后方交会的方法，计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。对于需定位的每一点来说都包含有4个未知数：该点三维地心坐标和卫星接收机的时钟差，故定位至少需要4颗卫星的观测来进行计算。一般来说，接收机的解算值包括伪距和载波相位[3]，两者结合可得到用户的位置。在计算位置坐标时，四颗卫星的位置必须要知道，以这四颗卫星为球心画四个球，四个球的交点即为用户位置。若采用一个接收机确定卫星位置，误差会比较大，所以北斗-2采用两个以上接收机确定卫星位置的方法即相对定位，这样

8、可大大减小误差。一、北斗与其它卫星导航系统的比较目前世界上最成熟的卫星定位导航系统是美国的全球定位系统-GPS，所以这里主要比较一下北斗与GPS。相较于GPS，我们的北斗最大的优势是它除了具备与其它系统一样的定位、导航与授时功能外，还保留了通信功能，即短报文通信（北斗一次最多可双向传输120个汉字），而GPS要靠地面通信网或其它卫星进行通信。这