北斗导航系统
“北斗”导航系统是中国具有自主知识产权的卫星定位系统,与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。中国已成功发射了第二代北斗导航试验卫星,未来将形成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的网络,中国自主卫星定位导航正在由试验向应用快速发展。
编辑摘要该系统由三颗(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。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务,定位精度可达数十纳秒的同步精度,其精度与GPS相当。
北斗导航定位卫星的发射时间分别为:
2000年10月31日;(北斗-1A)
2000年12月21日;(北斗-1B)
2003年5月25日,第三颗是备用卫星。(北斗-1C)
2007年2月3日,北斗导航试验卫星升空。
2009年4月15日,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。
作为北斗导航系统的重要一环,终端芯片2006年起开始研制。由复控华龙和复旦微电子合作,在多个中标单位中第一个拿出了产品。“领航一号”,主要用于双向接收卫星导航信号。
“领航一号”将替代“北斗”导航系统内的国外芯片,可以广泛应用于海陆空交通运输、有线和无线通信、地质勘探、资源调查、森林防火、医疗急救、海上搜救、精密测量、目标监控等领域,具有重大的国防意义和经济价值。
卫星
北斗卫星导航定位系统的系统构成有:由两颗地球静止卫星(800E和1400E)、一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。
| 日期 | 火箭 | 卫星 | 轨道 | 使用状况 |
| 2000年10月31日 | 长征三号A | 北斗-1A | 地球静止轨道 140°E | 否 |
| 2000年11月21日 | 长征三号A | 北斗-1B | GEO 80°E | 是 |
| 2003年5月25日 | 长征三号A | 北斗-1C | GEO 110.5°E | 是 |
| 2007年2月3日 | 长征三号A | 北斗-1D | GEO 86°E | 是 |
| 2007年4月14日 | 长征三号A | 北斗-2A | 中地球轨道 21500KM | 是 |
工作原理
系统的工作过程是:首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号,径卫星转发器项服务区内的用户广播。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,径卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号,然后根据用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统的延迟;和从中心控制发出询问信号,经上述同一卫星到达用户,用户发出响应信号,经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。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。
北斗系统四大功能
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20ns-100ns时间同步精度。
定位精度: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:2491.75MHz。
系统容纳的最大用户数:每小时540000户。
一、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°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)。
二、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°。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。
三、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。
四、定位精度:北斗导航系统三维定位精度约几十米,授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m,C/A码目前己由25-100m提高到12m,授时精度日前约20ns。
五、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。
六、生存能力:和所有导航定位卫星系统一样,“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。为了弥补这种系统易损性,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。
七、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GPS所不具备的。
1.同时具备定位与通信功能,无需其他通信系统支持。
2.覆盖中国及周边国家和地区,24小时全天候服务,无通信盲区。
3.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。
4.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”。
5.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”卫星导航定位系统基本上是以满足商用服务为主,虽然目前军事用途仍有限,不过其仍具有雄厚的军事应用潜力,这也是大陆未来发展重点。理由很简单,虽然大陆卫星导航定位应用近年来发展迅速,但是绝大多数的军民应用范畴都是建立在美国GPS之上。一旦发生战争,美国关闭GPS或加大民用码误差,对大陆而言,后果不堪设想,所以大陆必须末雨绸缪,发展自主的卫星导航定位系统。
其实“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似,如:飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航;弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位,以缩短反应时间;人员搜救、水上排雷定位等。不过,因运作方式不同,“北斗”卫星导航定位系统有一些GPS没有的军事功能,其中最重要的就是部队的指挥管制。
由于“北斗”卫星导航定位系统的简短通信功能可进行“群呼”,如集团用户中心发出的各种指令经“北斗”指挥型用户机上传至“北斗”卫星接着转给地面控制中心,再经出站链路传至“北斗”卫星向目标用户转发,使得集团用户中心可对其下属用户进行指挥调度。另外,当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时,不仅用户知道门己的测定位置,而月-共调度指挥的上层单位或其他有关单位也可得知用户所在位置。
这项功能用在军事上,意味着可主动进行各级部队的定位,也就是说大陆各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统,除了可供自身定位导航外,高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置,并传递相关命令,对任务的执行有相当大的助益。换言之,大陆可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。
较之目前仍在运行的“北斗一号”,“北斗二号”在诸多方面具有优势,包括可以有效避免遭受电磁干扰和攻击,实现无源定位,在精确度方面大大提高,“北斗一号”精确度在10米之内,而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内。
随着北斗2号的发射成功,中国自主研制的北斗卫星导航系统从2009年起进入了组网高峰期,预计在2020年左右形成覆盖全球的卫星导航定位系统。2009年将有多颗卫星发射升空,3年内完成系统组网,并具备基本的运行能力。在此基础上将逐步发展到为全球服务。
正在建设的北斗卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供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,测速精度为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。随着“北斗一号”卫星导航定位系统的推广应用和中国正在着力研究开发的下一代卫星导航定位系统(CNSS)。
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