基于“北斗一号”的卫星定位与定时系统设计方案

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1、基于“北斗一号”的卫星定位与定时（国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心）摘要：“北斗一号”是我国第一代自主的卫星定位系统，可为分布在我国及周边地区的用户提供定位、短消息通信及定时服务。本文对“北斗一号”的组成、工作原理及性能进行简要的介绍。1引言源于军事应用需求的卫星导航定位系统经过长期的发展，其应用已深入到国民经济的各个领域，创造了巨大的经济效益，日益成为与交通、能源、通信等并列的国家基础性产业，是一个国家综合国力的重要体现。“北斗一号”卫星定位系统又名双星定位系统，是我国第一代自主的卫星导航定位系统。该系统于80年代

2、中期开始预先研究，1995年正式启动工程研制。2000年10月和12月，两颗工作卫星先后发射成功，地面应用系统设备全部安装到位，系统初步建成。经过两年多的调试和试运行，系统于2003年1月1日正式投入使用。2003年5月第三颗“北斗一号”导航定位卫星（备份星）发射成功，为系统更加可靠的运行提供了保证。“北斗一号”系统的建成标志着我国成为继美(GPS)、俄(GLONASS)之后第三个拥有独立的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国防和经济建设将起到积极作用。本文将介绍“北斗一号”系统的组成、定位和定时的工作原理、工作流程和性能，并

3、与GPS系统进行比较。2系统组成与功能“北斗一号”系统是一种新型、全天候、区域性的卫星导航定位系统。它由三颗地球同步卫星（其中一颗为备份星）、位于北京的地面中心站、分布全国的二十余个标校站和大量用户机组成；各部分之间由出站链路（地面控制中心─卫星─用户机）和入站链路（用户机─卫星─地面控制中心）相连接，如图1所示。两颗导航工作卫星和一颗备份卫星位于36000km赤道上空，分别定点于东经80°、140°和110.5°，星上带有转发器，用于转发地面中心站出站信号和标校站、用户机的入站信号。地面中心站接收入站信号，完成定位、通信和定时信

4、号的处理，发送导航电文，监视和控制整个系统的工作情况。标校站为卫星精密定轨、定位差分处理提供基准测量数据。用户机同时具有收发功能，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发送定位、通信或定时申请信号，不含定位解算处理器，设备比较简单。“北斗一号”系统服务区由东经70度至东经145度，北纬5度到北纬55度，覆盖我国和周边地区，包括战略敏感区域，诸如台海、南沙等区域。系统在服务区内提供三项服务：（1）定位（导航）：快速确定用户所在点的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。在标校站覆盖区定位精度可达到20米，无标校站覆盖区定位精度

5、优于100米。（2）通信：用户与用户、用户与中心控制系统之间均可实现最多120个汉字的双向简短数字报文通信，并可通过信关站与互联网、移动通信系统互通。（3）授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。定时精度可达100ns（单向授时）和20ns（双向授时）。上述三大功能在同一信道内完成。图1北斗一号系统组成3“北斗一号”定位、通信的原理与流程3.1定位原理“北斗一号”采用三球交会测量原理进行定位（如图2所示）：图2“北斗一号”的“三球交会”定位原理（1）分别以两颗同步卫星为球心，以卫星到用户接收天线距离为半径，构

6、成两个球面；（2）两球面相交得一圆，该圆垂直于赤道平面；（3）在地球不规则球面的基础上增加用户高程，获得一个“加大”的不规则球面；（4）圆与不规则球面相交，得两个点，分别位于南北半球，取北半球的点即为用户机的位置。地面中心站存有全国的地面数字高程库，上述定位解算在地面中心站完成。3.2定位流程“北斗一号”采用集中式信号处理，定位、通信和双向定时都必须通过中心站进行，由中心站判断用户请求的业务类型，并执行相应的操作。定位的工作流程是：（1）中心站持续不断地以特定的频率发射具有超帧、分帧结构的伪码扩频的连续波信号，此信号经两颗地球同步

7、卫星分别向各自天线波束覆盖区域内的所有用户广播。（2）用户机接收出站信号，以出站信号的某一帧时标为起始时刻向卫星发射入站信号，卫星转发至中心站。这一过程可视为将出站信号反射回中心站。对非地面用户，入站信息中同时包含用户机高程信息。（3）中心站测得信号往返时间，除于2，扣除卫星到中心站这一已知时延，再经必要的电离层修正、对流层修正和设备时延修正，即可求出卫星到用户机距离。中心站同时解调出用户高程信息，利用三球交会原理计算用户位置。（4）中心站将用户位置信息加密后加入出站广播电文中，通过卫星发送给用户。（5）用户接收出站信号，解调出定

8、位信息。从以上流程可以知道，用户机从发射定位申请到收到定位结果，必须至少等待信号经用户机－卫星－地面中心站－卫星－用户机所需的约0.5秒的传输延迟。因此，“北斗一号”用户机主要应用于中、低动态用户的定位。同时，受系统容量限制，用户申请定位的频度最高