船载北斗卫星导航系统(BDS)接收设备性能标准.pdf

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1、规则规范及标准2017年第6期总第170期DOI：10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.06.097船载北斗卫星导航系统（BDS）接收设备性能标准林德辉（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）1GPS与BDS全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）由美国于1970年建设，其前身是一套专为美军研制的定位系统，出于军用考量，为防止敌方通过定位信号截获美军位置，定位系统被设定为单向传输（即［1］GPS接收机只接受卫星信号，而不向外发射信号），这一特性也为GPS面向民用领域奠定了基础。打开GPS，地球上空的卫星在几分钟之内就会

2、锁定你的位置，并告诉你行进的速度、所处位置的海拔高度……。现在，世界上可以提供精确定位的全球导航系统共有四种：美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（GalileoSatelliteNavigationSystem）和中国的北斗卫星导航系统（BeidouSatelliteNavigationSystem，BDS）。目前美国的GPS最为成熟，覆盖面也最广。全球定位系统（GPS）空间部分GPS由空间、地面监控和用户三部分组成（参见由三个部分组成：24颗GPS卫星组成图1）：

3、（1）空间部分，由24颗GPS卫星（包括21颗工用户部分监控站作卫星和3颗备用卫星）组成；GPS接收机（2）地面监控部分，由1个主控站、3个注入站和注入站地面监控部分5个监控站组成；1个主控站（3）用户部分，即GPS接收机，主要作用是从5个监控站主控站3个注入站GPS卫星接收信号，并利用传来的信号计算用户的三图1GPS卫星系统的组成［1］维位置及时间。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上（即每个平面上4颗卫星），各个轨道面均设定为特定的角度。这种布局旨在保证每个接收机在全球范围随时随地至少可以接收4颗卫星的信号。每颗卫星每时每刻都在任何地点向全球播报自己的位置信号。既然GPS接收机

4、不向卫星发送任何信号，只是接收卫星信号，而卫星只是播报自己的位置，那么GPS如何通过这些数据确定用户位置？为此必须关注此定位系统中的重要部件原子钟与GPS芯片。卫星播报自己位置信号时，会附上信号发出的时间。GPS终端接收到信号后，用当前时间减去发送时间，乘以传播速度（光速），即得出接收机与卫星的距离。GPS芯片的核心功能是读懂卫星发来的信号并进行相关运算。为精确测定接收机与卫星的距离，在光速确定的情况下，时间必须精准，原子钟正是收稿日期：2017-11-09作者简介：林德辉（1941-），男，研究员。研究方向：船舶电气标准（含规则、规范）。97船舶林德辉：船载北斗卫星导航系统（B

5、DS）接收设备性能标准为确保时间的精准度。因为时间上的微小误差，在乘以光速之后则会失之毫厘、差之千里。根据立体几何原理，在三维空间中，三个坐标就可以确定一个点的位置。如此看来，似乎只需要3颗卫星就足够了，但事实上必须有4颗卫星才能进行定位，3颗卫星定位只是理想状态。光速数字实在太大，对时间精度有极高要求，并且光速在大气中也因受到一定影响而产生误差，而卫星播报自己的位置也会有误差。这些误差的存在，使3颗卫星不足以保证定位精度。根据爱因斯坦相对论，快速移动的物体随时间的流逝比静止的要慢，卫星上的时钟就和地球的时钟并不同步，这样GPS卫星每天都会产生38微秒的偏差，即每天将会增大11k

6、m的误差，这种误差也必须进行补偿。所以，要进行有效定位，必须引入第4颗卫星来提高定位精度。在实际应用中，定位卫星数往往大于4，理论上GPS接收机接收到的卫星数越多，定位越精准。以上是GPS定位原理。除上述四大全球导航系统外，世界上尚有两个区域性导航系统：（1）印度区域导航卫星系统（IndianRegionalNavigationSatelliteSystem，IRNSS）以前，印度有一个依赖于GPS的区域增强系统，在印巴冲突期间，美国关掉了交战双方的GPS服务。印度后来自力更生，由印度空间研究组织（ISRO）建成了一个独立的区域型卫星导航系统，覆盖范围仅限印度及其附近，印度政府对

7、这个系统有完全的掌控权。但最近其几颗卫星上的原子钟接连出现故障，如不快速发射卫星进行补充，很可能会导致任务失效。（2）日本的准天顶卫星系统（Quasi-ZenithSatelliteSystem，QZSS）这是一个依赖于GPS服务、加强GPS系统在日本地区应用的系统，发的信号与GPS相同。如果美国GPS关闭信号，它则无法使用。现在仅有3颗卫星为其服务。日本的准天顶卫星系统是目前世界上最小［2］的导航系统。我国的北斗卫星导航系统（BDS）与GPS相比，其原理略有不同，在相关功能上有