败。 1983 年/ 两弹一星0功勋奖章获得者陈芳允院
士提出了利用两颗同步定点卫星进行定位与导航 的设想, 并指出了建立两颗同步卫星导航系统的基 本技术路线。在此基础上, 1994 年中国/ 北 斗一 号0 卫星 导航 系统项 目正 式立 项。 1. 2 / 北斗一号0卫星导航定位系统的建立
2000 年 10 月 31 日零时 2 分, 第一颗/ 北斗导 航试验卫星0发射成功, 这为我国/ 北斗导航系统0 的建设奠定了基础。
1 个配有电子高程图的地面中心定位控制站、 几十个分布于全国的参考标校站。
( 3) 用户设备 2. 2 / 北斗一号0卫星导航定位系统的主要功能
/ 北斗一号0采用双星有源导航定位体制, 只能 提供低动态和静态导航定位服务, 可以全天候、全 天时提供区域卫星导航信息。服务范围包括中国 大陆、台湾、南沙及其它岛屿、中国海、日本海、太平 洋部分海域及我国部分周边地区。
格和功耗方面处于不利的地位。
北斗导航系统三维定 位精度 约几十米 , 授 时精 度约 100ns。
G PS 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 时精度目前约 20 China/ 2004. 4
/ 北斗一号0导航系统是我国独立自主建立的 卫星导航系统, 它并不排斥国内民用市场对 GP S
的广泛使用。相反, 在此基础 上已经建立了 基于 / 北斗 一号0 卫星 的 GPS 广 域差分系 统。总体 来 看, / 北斗一号0是区域性有源导航定位系统( / 北斗 一号0采用的是有源定位, GP S 和 GL ONASS 等都 是无源定位, 这是它们本质上的不同点。) , 与 GP S 等全球定位系统有较大 区别; / 北斗一号0不 优于 GPS, 但也有 GPS 没有的优点。表 1 给出了/ 北斗 一号0卫星导航系统与 GPS 系统的技术特征和应 用特征的比较结果。
据。/ 北斗 一号0 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
G PS 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。
设备必须包含发射机, 因 此在体 积、重 量上、价
2000 年 12 月 21 日零时 20 分, 第二颗/ 北斗 导航试验卫星0, 在西昌卫星发射中心用/ 长征三号 甲0火箭发射升空, 并准确进入预定轨道。它与 10 月 31 日发射的第一颗/ 北斗导航试验卫星0一起构 成了/ 北斗导航系统0。
2003 年 5 月 25 日发射了/ 北斗一号0 卫星的
G PS 系统本身不具备通信 能力, 需要 和其他通 讯系统结 合才 能实 现移 动目 标的 远 程定 位与 监控 功能。
高动态
/ 北斗一 号/ 卫 星定 位系 统是 一 种有 源定 位 系统, 因 此对 于高 速 运动 体, 就 加大 了定 位 的误差。所 以只 能 提供 低 动态 和 静 态定 位 服务, 不能满足高 动态和 保密的 军事用 户要 求。
2. 1 / 北斗一号0卫星导航定位系统的组成 / 北斗一号0卫星导航定位系统是由三个部分
组成: ( 1) 空间卫星部分 两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星。其三
颗卫星的登记位置为赤道面东经 80b、140b和 110. 5b, 其中前两颗卫星位置的经度相距 60b, 最后一个 为备份星星位。卫星遥测遥控分系统在国际电信 联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段。 ( 2) 地面控制与标校系统
北斗卫星定位系统的技术 特征分析与应用*
周 露, 刘宝忠
( 北京师范大 学计算机系, 北京, 100875) ( 中国石油集团物探局 测绘工程中心, 河北涿洲市, 071751)
摘 要: 给出了双星导航系统的发展历程, 指出了北斗卫星导航系统的建立和组 成; 分析了北斗卫星导航系统的功能和定位原理, 并在此基础上, 通过与 GPS 系统的 对比, 分析了北斗卫星导航系统的技术特征, 特别指出了北斗卫星导航系统在民用领 域带来的经济效益; 最后, 展望了未来卫星导航系统的发展前景。
G PS 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 G PS 的用户设备容量是无限的。
同所有导航定位卫 星系统 一样,0 北 斗一号0 是基于中心控制 系统 进行工 作的, 但 / 北斗 一号0对中心控制 系统的 依赖性 明显要 大很 多, 因为 定位 解算 在 中心 控制 站, 而 不是 由 用户设备完成的。 / 北斗一 号0 卫 星导 航系 统具 备 短信 通讯 功 能。
项目 卫星数量 轨道特性 覆盖范围
定位原理
定位精度
表 1 / 北斗一号/ 与 GPS 系统比较
北斗一号
GPS 系统
2
北斗导航系统是在地球 赤道平 面( 轨道高 度为 36000km) 上设置 2 颗地球同 步卫星, 2 颗 卫星 的赤道角距约 60b。
24 G PS 是在 6 个 轨道 平面 上设 置 24 颗卫 星 ( 轨 道高度 为 20183km) , 轨道 赤道 倾 角 55b, 轨道 面赤道角 距 60b。卫星 绕 地球 一 周需 11 小时 58 分。
境和功能的不同点, 可以将/ 北斗一号0卫星导航系 统的用户机划分成如下五类:
间同步精度。其中单向授时精度: 100ns, 双向授时 精度: 20ns。 2. 3 / 北斗一号0卫星导航系统的定位原理
( 1) 系统组成部分在定位解算中的作用 / 北斗一号0卫星导航定位系统采用双星定位 体制, 由 2 颗地球静止卫星( GEO) 对用户双 向测 距, 由 1 个配有电子高程图库的地面中心站进行位 置解算。定位由用户终端向中心站发出请求, 中心 站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。 ( 2) 定位原理的几何解释 / 北斗一号0卫星导航系统采用的定位原理是 基于三球交会原理, 即以 2 颗卫星的已知坐标为圆 心, 各以测定的本星至用户机距离为半径, 形成 2 个球面, 用户机必然 位于这 2 个球面交线的 圆弧 上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地心 为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球 面。求解圆弧线与地球表面交点, 并已知目标在赤 道平面北侧, 即可获得用户的二维位置。 ( 3) 定位解算的工作过程 / 北斗一号0卫星导航定位系统的具体定位解 算工作过程是: 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, 从而知道用户处于二颗卫星为球 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。
* 收稿日期: 2004- 02- 02
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GNSS World of China/ 2004. 4
备份星, 它与前两颗/ 北斗一号0工作星组成了完整 的卫星导航定位系统, 也是我国第一个卫星导航定 位系统。至此, 我国成为世界上第三个拥有卫星导 航定位系统的国家。
2 / 北斗一号0 卫星导航定位系统介 绍
G PS 系统适用高动态。
自主性 北斗导航系统是有中国自主控制。
G PS 系统则是由美国军方控制。
时间延迟 寿命周期
/ 北斗一 号0 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。
1982 年 7 月由美国三位科学家提出并于同年 12 月定名的 GEOST AR 系统, 就是两颗卫星的主 动式卫星导航定位系统。后来在实施的过程中, 由 于有更优越的 GP S 卫星导航系统的兴起并迅速发 展, 使 GEOST AR 系统不得不在 1991 年 9 月撤走 资金, 导致正在实施中的 GEOST AR 系统宣告失
用户容量
生存能力 短信功能
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。
/ 北斗一号0卫星导航定位系统是利用地球同 步卫星为用户提供快速导航定位、简短数字报文通 信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星导航定 位系统。系统的主要功能体现在三个方面:
( 1) 定位 快速确定用户所在地的地理位置, 向用户及主 管部门提供导航信息。 ( 2) 通讯 用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现 双向简短数字报文通信; 北斗系统用户终端具有双 向数字报文通信能力, 用户可以一次传送多达 120 个汉字的短报文信息。 ( 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。可向用户提供 20ns~ 100ns 时
2004. 4/ 全球定位系统
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图 1 / 北斗一号0 系统的工作原理