北斗卫星导航系统介绍
北斗卫星导航
安全1201 马振鑫
目录
1.发展历程 2.组成部分
3.定位的基本原理 4.应用前景 5.与GPS导航系统的比较
全球卫星导航系统
一、发展历程
北斗卫星导航系统﹝BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球 卫星导航系统,缩写为BDS。截至目前,我国“北斗”卫星导航系统建 设的“三步走”规划已成功实现第一、二步。
2003年5月25日 东经110.5度
一
2009年4月15日 GEO卫星
2010年1月17日 GEO卫星
一、发展历程
二、系统组成
(1)空间段
由5颗GEO(静止轨道)卫星和30颗Non-GEO
(非静止轨道)卫星组成
GEO 卫星
MEO 卫星
空间星座
二、系统组成
实现中心与用户间的双向通信,并测量电波在中心 、卫星、用户间往返的传播时间(或距离)。
二、系统组成
2) 地面测控网(2)
主控站利用测得的主控站、卫星与用户间电波往返 的传播时间、气压高度数据、误差校正数据和卫星 星历数据,结合存储在计算中心的系统覆盖区数字 地图,对用户进行精确定位。
系统中各用户通过与计算中心的通信,间接地实现 用户与用户之间的通信。由于主控站集中了系统中 全部用户的位置、航迹等信息,可方便地实现对覆 盖区内的用户进行识别、监视和控制。
三、定位的基本原理
更具体的表述:定位采用三球交会测量原理。地 面中心通过两颗卫星向用户广播询问信号 (出站信号 ),根据用户响应的应答信号 (入站信号)测量并计算出 用户到两颗卫星的距离;然后根据中心存储的数字地 图或用户自带测高仪测出的高程,算出用户到地心的 距离,根据这三个距离就可以确定用户的位置,并通 过出站信号将定位结果告知用户。授时和报文通信功 能也在这种出、入站信号的传输过程中同时实现。
二、系统组成
2) 地面测控网(4) 校准站亦分布在系统覆盖区内,其位置坐标应 准确已知。校准站的设备及其工作方式与用户机及 其工作方式完全相同。由主控站对其进行定位,将 主控站解算出的校准站的位置坐标与校准站的实际 位置坐标相减,求得差值,由此差值形成用户定位 修正值。一个校准站的修正值一般可用来作为其周 围100~200km区域内用户的定位修正值。
第三步:2020年左右,北斗卫星导航 系统形成全球覆盖能力。
第二步:建设北斗卫星导航系统,2012年左右形成覆盖亚太 大部分地区的服务能力。 第一步:2000年建成了北斗卫星导航试验系统,使中国成为世界上第三个拥 有自主卫星导航系统的国家。
一、发展历程
2000年10月31日 东经140度
2000年12月21日 东经80度
三、定位的基本原理
几何原理 以卫星为球心,以卫星至测站(用户)的斜距 为半径,可以作两个大球,在满足—定条件下 ,两大球面相交形成交线圆,并穿过赤道面, 在地球的南半球和北半球各有一个交点、其中 一个交点就是用户的点位,在已知用户大地高 时,可惟一确定用户的位置。
三、定位的基本原理
根据系统定位的几何原理和几何分析,要惟一确 定用户的点位必须满足以下3个条件: 两卫星间的弦长必须小于两斜距之和,即两卫星间的 最大夹角不得超过162°。否则以卫星至用户的斜距 为半径的两个大球不能形成交线圆。当两卫星的弧距 为60°时,几何精度最好。
四、应用前景
北斗卫星导航系统已成功应用于诸多领 域,产生了显著的经济效益和社会效益。 特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震 救灾中发挥了重要作用。
四、应用前景
军用功能:“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。
四、应用前景
5.海运和水运 6.航空运输 7.应急救援
五、对比GPS
覆盖范围
卫星数量 北斗导航 VS GPS
服务能力
定位原理
定位精度
五、对比GPS
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)。
二、系统组成
(2)地面段
由主控站、主控站(计算中心)、 测轨站、气压测高站和校准站。 组成 。
二、系统组成
(3)用户段
由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO 等其他卫星导航系统兼容的终端组成
北斗系统的用户终端
二、系统组成
三、定位的基本原理
双星通信导航定位系统采用双星定位体 制,系统中用户的点位是利用卫星位置、用户 至卫星的斜距以及用户的大地高计算出来的, 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。
四、应用前景
3.道路交通管理 卫星导航将有利于减缓交通阻塞,提升 道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星 导航接收机和数据发射机,车辆的位置信息 就能在几秒钟内自动转发到中心站。 4.铁路智能交通 北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精 度的定位、测速、授时服务,促进铁路交通 的现代化,实现传统调度向智能交通管理的 转型。
二、系统组成
2) 地面测控网(1) 主控站(计算中心)、测轨站、气压测高站和校准站。 主控站设在北京,控制整个系统工作,主要任务有:
接收卫星发射的遥测信号;向卫星发送遥控指令, 控制卫星的运行、姿态和工作。
控制各测轨站的工作,收集它们的测量数据,对卫 星进行测轨、定位,结合卫星的动力学、运动学模 型,制作卫星星历。
五、对比GPS 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。
五、对比GPS
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码目前已由16m 提高到6m,C/A码目前已由25-100m提高 到12m,授时精度目前约20ns。
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。
四、应用前景
民用功能: 1.个人位置服务 当你进入不熟悉的地方时,你可以使用装有 北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置 找到你要走的路线。 2.气象应用 北斗导航卫星气象应用的开展,可以促进我 国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测, 也可以提高空间天气预警业务水平,提升我国气象 防灾减灾的能力。
三、定位的基本原理
用户坐标Xu是空间三维坐标,即式1的两个方程含 三个未知数。若能给出用户的第三维坐标,则可求解 用户的其余两维坐标。用户坐标可以是地固直角坐标 (X,Y, Z)或大地坐标(λ,ϕ,H),日常生活中多用大地坐标 表示地点位位。利用该式可以得到含大地高度的大地 经纬度λ 和ϕ 的表达式,只有给定用户的大地高H, 才能求出λ 、ϕ的具体数值,即双星定位需要知道大 地高。
系统中的卫星是空间导航站,即在空间的位置 基准点,也是通信中继站,它是离地约36000km 高 的地球静止卫星。由三颗北斗一号卫星组成,两颗 卫星分别定点在东经80°、东经140°上空 ,另一颗 在轨备份卫星定点在东经 110.5°上空。每颗卫星 由有效载荷、电源、测控、姿态和轨道控制、推进 、热控、结构等分系统组成。卫星上设置两套转发 器,一套构成地面中心到用户的通信链,另一套构 成由用户到地面中心的通信链。卫星波束覆盖我国 领土和周边地区,主要满足国内导航通信需要。
交线圆必须与用户水平面相交,否则产生同步卫星定 位的“模糊区”。
必须已知用户点的大地高。
三、定位的基本原理
代数原理
是指如何利用已知的卫星位置、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函数关系, 进行测站(用户)的位置解算。一个测站(用户)应答 询问信号之后可得两个观测量方程。
(式1) Xs和Xu分别为卫星坐标矢量和测站(用户)坐标矢量
二、系统组成
2) 地面测控网(5) 测高站设置在系统覆盖区内,用气压式高度计 测量测高站所在地区的海拔高度。通常一个测高站 测得的数据粗略地代表其周围100~200km地区的海 拔高度。海拔高度与该地区大地水准面高度之代数 和,即为该地区实际地形离基准椭球面的高度。各测 高站将测量的数据通过卫星发送至主控站。 一般的测轨站、测高站、校准站均是无人值守 自动数据测量、收集中心,在主控站控制下工作。
四、应用前景
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,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:540000户/小时。
(式1)
三、定位的基本原理
双 星 系 统 定 位 原 理 图
三、定位的基本原理
用户所在点大地高为H,用户点位纬度处的卯酉圈曲率半径 (卯酉圈曲率半径恰好等于椭球面和短轴之间的一段法线的长度 ,亦即卯酉圈的曲率中心位于椭球的旋转轴上)Ne。N=Ne+H, 可看成是一个观测量,则又可以组成一个观测方程 (式2) Xo’为过用户的法线与短轴交点O′坐标矢量,其值为 这样在给定用户大地高 H 时,此式与上式联立得到三个 观测方程,便可解算出用户三维坐标。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。