lesson3第二章中国的卫星导航定位系统

1、卫星导航定位理论与方法卫星导航定位理论与方法授课教师：王 菊北京理工大学雷达技术研究所北京理工大学雷达技术研究所 王菊第二章第二章 中国的卫星导航定位系统中国的卫星导航定位系统主要内容主要内容: : p 中国自主卫星导航系统的发展中国自主卫星导航系统的发展p 北斗一号卫星导航系统介绍北斗一号卫星导航系统介绍p 北斗二号卫星导航系统介绍北斗二号卫星导航系统介绍北京理工大学雷达技术研究所 王菊中国自主卫星导航系统的发展历程中国自主卫星导航系统的发展历程o 我国早在上个世纪我国早在上个世纪6060年代末就开展了卫星导航系统的研制工年代末就开展了卫星导航系统的研制工作作(691(691计划计划) )，

2、但由于多种原因而天折。在自行研制，但由于多种原因而天折。在自行研制“子午仪子午仪”定位设备方面起步较晚，以致后来使用的大量设备中，基本定位设备方面起步较晚，以致后来使用的大量设备中，基本上依赖进口。上依赖进口。o 上个世纪上个世纪7070年代后期以来，国内开展了适合国情的卫星导航年代后期以来，国内开展了适合国情的卫星导航定位系统的体制研究。先后提出过单星、双星、三星和定位系统的体制研究。先后提出过单星、双星、三星和3 3一一5 5星的区域性系统方案，以及多星的全球系统的设想，并考虑星的区域性系统方案，以及多星的全球系统的设想，并考虑到导航定位与通信等综合运用问题。但是由于种种原因，这到导航定位

3、与通信等综合运用问题。但是由于种种原因，这些方案和设想都没有能够得到实现。些方案和设想都没有能够得到实现。北京理工大学雷达技术研究所 王菊中国自主卫星导航系统的发展历程中国自主卫星导航系统的发展历程o 19821982年年7 7月由美国三位科学家提出并于月由美国三位科学家提出并于1212月定名的月定名的GEOSTARGEOSTAR系系统，是一种两颗卫星的主动式卫星定位系统。然而在实施的统，是一种两颗卫星的主动式卫星定位系统。然而在实施的过程中，由于更优越的过程中，由于更优越的GPSGPS卫星导航系统的兴起和迅速发展，卫星导航系统的兴起和迅速发展，最终最终GEOSTARGEOSTAR系统在系统在

4、19911991年年9 9月被撤走资金，而宣告失败。月被撤走资金，而宣告失败。o 19831983年年“两弹一星两弹一星”功勋奖章获得者陈芳允院士提出了利用两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。同步卫星导航系统的基本技术路线。o 按照陈芳允院士的方案，中国科学家在按照陈芳允院士的方案，中国科学家在1988198819891989年利用现有年利用现有2 2颗颗C C频段通信卫星成功地进行了定位原理的试验。频段通信卫星成功地进行了定位原理的试验。北京理工大学雷达技

5、术研究所 王菊北斗一号系统立项北斗一号系统立项o 试验表明定位精度与测距速率、试验表明定位精度与测距速率、2 2颗卫星的相隔距颗卫星的相隔距离、测距精度和用户高度有关，基本结论是定位精离、测距精度和用户高度有关，基本结论是定位精度可达数十米以下、定时精度可达数十纳秒以下。度可达数十米以下、定时精度可达数十纳秒以下。o 19931993年我国进一步进行了双星定位系统的试验，从年我国进一步进行了双星定位系统的试验，从而奠定了全面建设而奠定了全面建设“北斗一号北斗一号”系统的基础。系统的基础。o 在此基础上，在此基础上， 19941994年中国年中国“北斗一号北斗一号”卫星导航系卫星导航系统项目正式

6、立项统项目正式立项。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统建设完成北斗一号系统建设完成o20002000年年1010月月3131日、日、20002000年年1212月月2121日、日、20032003年年5 5月月2525日日我国使用我国使用CZCZ3A3A火箭成功地发射了火箭成功地发射了“北斗一号北斗一号”的第的第1 1、2 2、3 3颗卫星，加上地面的配套设施，完成颗卫星，加上地面的配套设施，完成了了“北斗一号北斗一号”系统的建设。系统的建设。o我国是世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的我国是世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家。国家。o“北斗一号北斗一号”系统于系统于200

7、42004年正式向军、民用户开放年正式向军、民用户开放使用。使用。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统o “北斗北斗” ” 系统在国际电信联盟系统在国际电信联盟(ITU)(ITU)登记的频段为卫星无线电登记的频段为卫星无线电定位业务定位业务(Radio Determination Satellite Service, RDSS)(Radio Determination Satellite Service, RDSS)频段频段n 中心站至卫星：中心站至卫星：C C波段，上行波段，上行6GHz6GHz，下行，下行4 GHz4 GHz；n 用户机至卫星：用户机至卫星：u 上行为上

8、行为L L频段频段( (频率频率16101626.5MHz)16101626.5MHz)，下行为，下行为S S频段频段( (频频率率2483.52500MHz);2483.52500MHz);u 传输速率：上行传输速率：上行12.625 kbps12.625 kbps；下行；下行31.25kbps31.25kbps。o 登记的卫星位置为赤道面登记的卫星位置为赤道面8080E E、140140E E和和110.5110.5E(E(备份星备份星星位星位) )。用户机对卫星的可工作仰角范围：。用户机对卫星的可工作仰角范围：10107575。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统o该

9、系统由空间部分、地面系统和用户设备三大部分组成。该系统由空间部分、地面系统和用户设备三大部分组成。o空间部分由空间部分由3 3颗地球同步轨道卫星颗地球同步轨道卫星(G(G) )组成组成( (其中其中1 1颗为在轨备份星颗为在轨备份星) )。轨道倾角为轨道倾角为0 0，公转周期为，公转周期为24 h24 h恒星时，轨道高度为恒星时，轨道高度为36 000 km36 000 km。卫星。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户机之间的双向无线上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户机之间的双向无线电信号的中继任务。电信号的中继任务。o地面系统：地面系统：n地面中心站地面中心站1 1个，

10、位于北京，中心站配有电子高程图，负责系统测控、个，位于北京，中心站配有电子高程图，负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等; ;n地面网管中心地面网管中心1 1个个, ,位于北京位于北京; ;n地面参考标校站数十个地面参考标校站数十个, ,分布于全国各地分布于全国各地; ;n用户指挥机用户指挥机, ,按不同的用户集团配备按不同的用户集团配备. .o用户设备：可分为车载型、船载型、手持型导航定位终端和授时接收用户设备：可分为车载型、船载型、手持型导航定位终端和授时接收机等机等. .电子地图则按需配备电子地图则按需配

11、备. .北京理工大学雷达技术研究所 王菊北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统工作过程工作过程o 首先由中心控制系统向卫星首先由中心控制系统向卫星1 1和卫星和卫星2 2同时发送询问信号，同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。经卫星转发器向服务区内的用户广播。o 用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发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。送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。o 中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户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

12、数据处理。的申请服务内容进行相应的数据处理。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统功能北斗一号系统功能o 1 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、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。航信息。o 2 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、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。用户可以一次传送报文通信。用户可以一次传送210210字节，即每次最多字节，即每次最多105105个汉字的短报个汉字的短报文信息。文信息。o 3 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

13、正、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。可向用户提供值。可向用户提供20ns100ns20ns100ns时间同步精度。其中单向授时精度：时间同步精度。其中单向授时精度：100ns100ns，双向授时精度：，双向授时精度：20ns20ns。o 其中，后两项功能（通讯和授时）是全球定位系统其中，后两项功能（通讯和授时）是全球定位系统( () )所不能提所不能提供的。供的。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统特点北斗一号系统特点p（1 1）完全独立自主，不受他国的控制和限制，）完全独立自主，不受他国的控制和限制，可靠性、可用性、安全性较有保证。可靠性、可用性、安全性

14、较有保证。n美国的美国的GPSGPS目前取消了目前取消了SASA限制，但仍可随时掺入干扰限制，但仍可随时掺入干扰信号降低定位精度，甚至对其他国家用户关闭使用权；信号降低定位精度，甚至对其他国家用户关闭使用权；n俄国的俄国的GLONASSGLONASS本应由本应由2424颗卫星组成，但因经济困颗卫星组成，但因经济困难无力补网，目前只有难无力补网，目前只有6 6颗星在轨，不能独立组网。颗星在轨，不能独立组网。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统特点北斗一号系统特点p （2 2）符合中国国情，投资少，周期短、高仰角覆盖。）符合中国国情，投资少，周期短、高仰角覆盖。n美国的美国的GPSGPS耗

15、资耗资300300亿美元，历时亿美元，历时2020年，虽能全球覆盖但由于轨道年，虽能全球覆盖但由于轨道低而使用户的遮蔽角大，在山区使用就受到限制；低而使用户的遮蔽角大，在山区使用就受到限制；n俄罗斯的俄罗斯的GLONASSGLONASS耗资耗资3030多亿美元，历时多亿美元，历时2020多年，总体性能与多年，总体性能与GPSGPS相当，但未达到相当，但未达到GPSGPS的精度，至今星座因残缺不全而不能独立的精度，至今星座因残缺不全而不能独立使用。使用。n而而北斗一号系统总投资北斗一号系统总投资1010亿人民币，从国家批准到建成总共不到亿人民币，从国家批准到建成总共不到1010年时间，由于卫星位

16、于我国上空的静止轨道，地面用户基本都年时间，由于卫星位于我国上空的静止轨道，地面用户基本都处于高仰角工作状态，特别适合我国高山地区的使用。处于高仰角工作状态，特别适合我国高山地区的使用。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统特点北斗一号系统特点p （3 3） 独具双向移动数据通信的功能。独具双向移动数据通信的功能。n GPSGPS用户可以知道自己的位置，但要让上司或亲友知道用户可以知道自己的位置，但要让上司或亲友知道还需配备还需配备GSMGSM手机等通信工具手机等通信工具; ; n 北斗一号用户无需另配通信设施，用户位置就可自动报北斗一号用户无需另配通信设施，用户位置就可自动报给上司或亲

17、友，且通过双向通信每次可传送多达给上司或亲友，且通过双向通信每次可传送多达105105个个汉字的短信。特别适合集团性用户在大范围内的数据采汉字的短信。特别适合集团性用户在大范围内的数据采集和监控管理。集和监控管理。p （4 4）用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处）用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。理站。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统的定位北斗一号系统的定位-双星定位双星定位n是一种有源定位是一种有源定位( (应答式、主动式应答式、主动式) )系统。系统。n卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和

18、用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。之间的双向无线电信号的中继任务。n定位可以由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行定定位可以由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行定位后将位置信息发送出去由该用户获取，也可以由中心站主位后将位置信息发送出去由该用户获取，也可以由中心站主动进行指定用户的定位，定位后不将位置信息发送给用户，动进行指定用户的定位，定位后不将位置信息发送给用户，而由中心站保存。而由中心站保存。n与与GPSGPS系统不同，所有用户终端位置的计算都在地面控制中心系统不同，所有用户终端位置的计算都在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位站完成。因此，控

19、制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。用户机自身无定位能力，处于被动地位。置及时间信息。用户机自身无定位能力，处于被动地位。n此外，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。此外，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统的定位北斗一号系统的定位-双星定位双星定位o 导航信号台设置在空间上，导航信号台设置在空间上，S1S1和和 S2S2分别为分别为1 1号和号和2 2号导航卫星。号导航卫星。o 测出卫星测出卫星S1S1从发射到接收机接收信从发射到接收机接收信号的时间延迟号的时间延迟tl tl，就得到两者之间，就得到两者之间的距离的距离L1L1

20、，以，以L1L1为半径在空间画一为半径在空间画一个球面个球面B1B1。o 测出接收机与测出接收机与S2S2之间的距离之间的距离L2L2，以，以L2L2为半径的一个球面为半径的一个球面B2B2。o 接收机的位置一定在上述两个球面接收机的位置一定在上述两个球面交线的圆弧上。交线的圆弧上。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统的定位北斗一号系统的定位-双星定位双星定位o由电子高程图提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为由电子高程图提供一个以地心为球心、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即可获得用户的半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户的位置

21、。位置。o 要唯一确定用户机位置必须满足的条件要唯一确定用户机位置必须满足的条件: :(1)(1)两卫星的弦长必须小于两斜距之和。两卫星的弦长必须小于两斜距之和。“北斗一号北斗一号”的弦长的弦长为为42000KM42000KM，而斜距和略大于，而斜距和略大于72000KM72000KM。(2)(2)以卫星为球心，斜距为半径的两球面的交线的圆弧必须与以卫星为球心，斜距为半径的两球面的交线的圆弧必须与用户机位置的水平面相交。用户机位置的水平面相交。(3)(3)已知用户机位置的大地高，即地球球心至用户机的距离。已知用户机位置的大地高，即地球球心至用户机的距离。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号

22、系统的定位北斗一号系统的定位-双星定位双星定位o通常这通常这2 2颗卫星在轨道上的弧距为颗卫星在轨道上的弧距为30306060，相应的弦长为，相应的弦长为2200042000KM2200042000KM，这个距离范围小于，这个距离范围小于2 2颗卫星到用户机构斜距之和颗卫星到用户机构斜距之和( (略大于略大于72000KM)72000KM)，所以两个球面必定相交，所以两个球面必定相交，其交线圆弧穿过赤道面，在地球的南其交线圆弧穿过赤道面，在地球的南半球和北半球各有一个与地球表面的半球和北半球各有一个与地球表面的交点，其中的一个交点就是用户机位交点，其中的一个交点就是用户机位置，鉴于置，鉴于“北

23、斗一号北斗一号”是覆盖中国及是覆盖中国及其周边地区的区域性导航定位系统，其周边地区的区域性导航定位系统，因此只有北半球的交点才是唯一因此只有北半球的交点才是唯一“解解”。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统用户机北斗一号系统用户机 根据根据“北斗一号北斗一号”卫星导航系统用户机的应用环境和功能的不同卫星导航系统用户机的应用环境和功能的不同点，可以将点，可以将“北斗一号北斗一号”卫星导航系统的用户机划分成如下卫星导航系统的用户机划分成如下五类五类: :(1)(1)基本型：适合于一般车辆、船舶及便携等用户的导航定位应用，可接基本型：适合于一般车辆、船舶及便携等用户的导航定位应用，可接收和发

24、送定位信息，可与中心站及其他用户终端双向通信。收和发送定位信息，可与中心站及其他用户终端双向通信。(2)(2)通信型：适合于野外作业、水文测报、环境监测等各类数据采集和数通信型：适合于野外作业、水文测报、环境监测等各类数据采集和数据传输用户，可接收和发送短信息、报文，与中心站和其他用户终据传输用户，可接收和发送短信息、报文，与中心站和其他用户终端进行双向或单向通信。端进行双向或单向通信。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统用户机北斗一号系统用户机(3)(3)授时型：适合于授时、校时、时间同步等用户，可提供数十纳秒级授时型：适合于授时、校时、时间同步等用户，可提供数十纳秒级的时间同步精度

25、。的时间同步精度。(4)(4)指挥型：适合于小型指挥中心的指挥调度、监控管理等应用，具有指挥型：适合于小型指挥中心的指挥调度、监控管理等应用，具有鉴别、指挥下属其他鉴别、指挥下属其他“北斗一号北斗一号”卫星导航系统用户机的功能。卫星导航系统用户机的功能。可与下属可与下属“北斗一号北斗一号”卫星导航系统用户机及中心站进行通信卫星导航系统用户机及中心站进行通信, ,接接收下属用户的报文，并向下属用户播发指令。收下属用户的报文，并向下属用户播发指令。(5)(5)多模型：既能接收多模型：既能接收“北斗一号北斗一号”卫星导航系统卫星定位和通信信息，卫星导航系统卫星定位和通信信息，又可利用又可利用GPSG

26、PS系统导航定位。适合于对位置信息要求比较高的用户。系统导航定位。适合于对位置信息要求比较高的用户。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统用户授权北斗一号系统用户授权o 获取北斗定位导航服务需要履行的手续获取北斗定位导航服务需要履行的手续北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统与与GPSGPS系统比较系统比较（1 1）覆盖范围）覆盖范围北斗导航系统是覆盖我国本土地区的区域导航系统。北斗导航系统是覆盖我国本土地区的区域导航系统。覆盖范围东经约覆盖范围东经约7070145145E E，北纬，北纬5 5 55 55 N N。即东至日本以东，西至阿富汗的喀布尔，南至南沙群即东至日

27、本以东，西至阿富汗的喀布尔，南至南沙群岛，北至俄罗斯的贝加尔湖，涵盖了我国全境、西太岛，北至俄罗斯的贝加尔湖，涵盖了我国全境、西太平洋海域、日本、菲律宾、印度、蒙古、东南亚等周平洋海域、日本、菲律宾、印度、蒙古、东南亚等周边国家和地区。边国家和地区。 GPSGPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球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上任何地点、任何时间能同时观测到6 69 9颗卫星颗卫星( (最多最多能观测到能观测到1111颗颗) )。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统与与GPSGPS系统比较系统比较（2 2）卫星数量和轨道特性）

28、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北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2 2颗地球同步颗地球同步卫星，两颗卫星的赤道角距约卫星，两颗卫星的赤道角距约6060。轨道高度为。轨道高度为36000km36000km。 GPSGPS是在是在6 6个轨道平面上设置个轨道平面上设置2424颗卫星，轨道赤道倾角颗卫星，轨道赤道倾角5555，轨道面赤道角距，轨道面赤道角距6060。轨道高度。轨道高度20200km20200km。卫星。卫星绕地球一周需要绕地球一周需要1111小时小时5858分。分。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统与与GPSGPS系统比较系统比较（3 3

29、）定位原理）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，提供用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，提供用户三维定位数据。户三维定位数据。 GPSGPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备自己解算三维定位数据。是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备自己解算三维定位数据。 “ “北斗一号北斗一号”的这种工作原理带来三个方面的问题：的这种工作原理带来三个方面的问题：一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，存在着用户位置容易暴露的缺一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，存在着用户位置容易暴露的缺点，这在军事上相当不利的；点，这在军事上相当不利的；此

30、外，由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面此外，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。处于不利的地位。“北斗一号北斗一号”有源定位功能只能进行两维定位，需要地面高程数据库才能有源定位功能只能进行两维定位，需要地面高程数据库才能确定水平坐标，即需要依赖数字地图，在制作精确数字地图有困难的地区确定水平坐标，即需要依赖数字地图，在制作精确数字地图有困难的地区定位误差会增大。定位误差会增大。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统与与GPSGPS系统比较系统比较（4 4）定位精度）定位精度 北斗导航系统三维定位精度约几十米，北斗导

31、航系统三维定位精度约几十米， 与与GPSGPS相比精度相比精度 较低较低 。 北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统与与GPSGPS系统比较系统比较（5 5）用户容量）用户容量 北斗导航系统由于是主动双向测距的询问一应答系统，用户设备北斗导航系统由于是主动双向测距的询问一应答系统，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。因决

32、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，系统每小时能提供的此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的，系统每小时能提供的服务仅为服务仅为540000540000次，系统平均用户容量约为次，系统平均用户容量约为3030万。万。 GPSGPS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，因此文即可进行测距定位，因此GPSGPS的用户设备容量是无限的。的用户设备容量是无限的。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统与与GPSGPS系统比较系统比较（6 6）

33、生存能力）生存能力 和所有导航定位卫星系统一样，和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号北斗一号”基于中心控制系统基于中心控制系统和卫星的工作，但是和卫星的工作，但是“北斗一号北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要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。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，为了弥补这种系统易损性，GPSGPS正在发展星际横向数据链技术，正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后使万一主控站被毁后GPSGPS卫星可以独立运行。而卫星可以独立运行。而“北斗一号北斗一号”系统从系统从原理上排除了这种可能性

34、，一旦中心控制系统受损，系统就不能继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。续工作了。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统与与GPSGPS系统比较系统比较（7 7）实时性）实时性 北斗一号北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中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，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，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。中心控制系统的处理，时间延迟就更长了。 因此

35、，对于高速用户等效于加大了定位误差。通常，因此，对于高速用户等效于加大了定位误差。通常，只适用于瞬时速度低于只适用于瞬时速度低于1000km/h1000km/h的用户，不能满足高动态的用户，不能满足高动态用户的定位需要。用户的定位需要。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统与与GPSGPS系统比较系统比较（8 8）寿命周期）寿命周期 目前目前“北斗一号北斗一号”3 3颗星的寿命都是颗星的寿命都是8 8年，专家年，专家正不断研究，预计下一次发射的卫星寿命就能达到正不断研究，预计下一次发射的卫星寿命就能达到1010年左右。年左右。 目前目前GPSGPS卫星的寿命都是卫星的寿命都是

36、1212年左右年左右。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统无源定位无源定位o 所谓无源定位，就是在用户自主定位的过程中不发射所谓无源定位，就是在用户自主定位的过程中不发射电滋波，完全是被动工作，相对于有源定位技术具有电滋波，完全是被动工作，相对于有源定位技术具有隐蔽接收、不易被发现的优点，具有广泛的实用性。隐蔽接收、不易被发现的优点，具有广泛的实用性。o 北斗一号系统北斗一号系统无源定位是指用户利用北斗信号进行的无源定位是指用户利用北斗信号进行的自主定位。自主定位。o 北斗一号系统有北斗一号系统有3 3颗卫星，即东星、西星及中星颗卫星，即东星、西星及中星( (在轨在轨热备份

37、星热备份星) ) 在轨运行。在轨运行。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统无源定位无源定位o 无源定位方法无源定位方法n 双星无源定位双星无源定位u 需测高数据；需测高数据；u 需高稳定度时钟，并能描述钟差参数。需高稳定度时钟，并能描述钟差参数。n 三星无源定位三星无源定位北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统三星无源定位三星无源定位北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统三星无源定位三星无源定位o由于地面控制中心到卫星的传播时延和卫星的星历可由北斗一号地面由于地面控制中心到卫星的传播时延和卫星的星历可由北斗一号地面控制中心给出，并通过广播

38、的出站链路向全服务区的用户广播。因此，控制中心给出，并通过广播的出站链路向全服务区的用户广播。因此，用户和地面控制中心站都可以计算得到卫星到用户机间的距离用户和地面控制中心站都可以计算得到卫星到用户机间的距离u u。而而u u可表示为：可表示为： 式中，式中，i=1i=1、2 2、3 3；(X(X、Y Y、Z)Z)代表用户在空间直角坐标系中的三维坐代表用户在空间直角坐标系中的三维坐标；标；(Xi(Xi，YiYi，Zi)Zi)代表第代表第i i颗同步卫星在空间直角坐标系中的颗同步卫星在空间直角坐标系中的3 3维坐标，维坐标，是已知量。这样是已知量。这样3 3个方程、个方程、3 3个未知量，用户就

39、可以解得自己的地理位个未知量，用户就可以解得自己的地理位置。置。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统三星无源定位三星无源定位o事实上，这是在一定条件下算得的，即假设用户时钟与事实上，这是在一定条件下算得的，即假设用户时钟与“北斗一号北斗一号”地面控制中心站的系统时钟是完全同步的，只有这样才能保证用户地面控制中心站的系统时钟是完全同步的，只有这样才能保证用户测得的卫星到用户机间的距离的真实性。测得的卫星到用户机间的距离的真实性。o而实际上用户的时钟不可能与北斗系统时钟时时完全同步，在未对而实际上用户的时钟不可能与北斗系统时钟时时完全同步，在未对时的情况下用户时钟与系统时钟之间

40、就有一个时间偏差，即用户机时的情况下用户时钟与系统时钟之间就有一个时间偏差，即用户机测得的到卫星的距离就包含了这一项误差，并作为一个未知量带到测得的到卫星的距离就包含了这一项误差，并作为一个未知量带到了了3 3个球面距离方程中。于是有个球面距离方程中。于是有: : 式中，式中，i=1i=1、2 2、3 3；c c为光速；为光速；T T为用户机与北斗系统时钟的偏差。这为用户机与北斗系统时钟的偏差。这样样3 3个方程、个方程、4 4个未知量，用户就不能解得自己的地理位置。而为了个未知量，用户就不能解得自己的地理位置。而为了得到其解，就必须知道其中的一个未知量。得到其解，就必须知道其中的一个未知量。

41、北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统三星无源定位三星无源定位o人们一般首先想到的是人们一般首先想到的是对钟对钟，通过对钟使用户时钟与系统时钟同步，通过对钟使用户时钟与系统时钟同步，从而使从而使T=0T=0。o对钟的方法有很多：一种是搬钟法，就是将用户机搬到地面控制中心对钟的方法有很多：一种是搬钟法，就是将用户机搬到地面控制中心站，与系统时钟一起对时，获得其钟差或将钟面值对齐，然后再运往站，与系统时钟一起对时，获得其钟差或将钟面值对齐，然后再运往别处。这种方法看起来简单，但实际操作起来很麻烦，因为对时后，别处。这种方法看起来简单，但实际操作起来很麻烦，因为对时后，需要设备一直

42、能够加电，以使时标信号处于确定状态，这种要求给设需要设备一直能够加电，以使时标信号处于确定状态，这种要求给设备的批量生产和使用带来了困难。备的批量生产和使用带来了困难。o另一种是利用北斗现有的授时功能得到标准时间，达到时间同步。这另一种是利用北斗现有的授时功能得到标准时间，达到时间同步。这种方法虽然简单，但是不满足无线电静默的无源定位要求，因此也是种方法虽然简单，但是不满足无线电静默的无源定位要求，因此也是不可取的。总而言之，要想求得用户机的位置解就必须要知道未知量不可取的。总而言之，要想求得用户机的位置解就必须要知道未知量之一。之一。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统三

43、星无源定位三星无源定位o通过分析知道，用户的空间直角坐标（通过分析知道，用户的空间直角坐标（X X、Y Y、Z Z）位置的）位置的3 3个量不是个量不是独立的，不能够拆开用某一方法测得其中一个量。但是可以将它们转独立的，不能够拆开用某一方法测得其中一个量。但是可以将它们转换成大地坐标，用大地坐标的换成大地坐标，用大地坐标的3 3个未知量即纬度个未知量即纬度B B、经度、经度L L和海拔高度和海拔高度h h表示表示 式中，式中，a a为地球赤道半径，为地球赤道半径， f f为地球椭圆度，在为地球椭圆度，在BJz-54BJz-54模型中，模型中，a=6378245 ma=6378245 m；f=1

44、/298.3f=1/298.3；h h为用户测得的海拔高度。为用户测得的海拔高度。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统三星无源定位三星无源定位o而纬度而纬度B B和经度和经度L L也可以用空间直角坐标也可以用空间直角坐标(X(X、Y Y、Z)Z)来表示来表示o这样在大地坐标系中，由于海拔高度是一个独立变量，它可以通过以这样在大地坐标系中，由于海拔高度是一个独立变量，它可以通过以下下2 2个独立的个独立的“无源无源”途径得知：途径得知： 用户机自带全国高程数字地图，通过地形匹配的方式得到用户所在用户机自带全国高程数字地图，通过地形匹配的方式得到用户所在地的海拔高度；地的海拔高

45、度； 通过气压测高的方式得到用户的海拔高度。通过气压测高的方式得到用户的海拔高度。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统三星无源定位三星无源定位o对于方法，因为数字地图是通过对地形高度的离散采样并量化后得对于方法，因为数字地图是通过对地形高度的离散采样并量化后得到的，按照网格距离存放，而网格距离的大小与所需的定位精度和存到的，按照网格距离存放，而网格距离的大小与所需的定位精度和存储量有关，因此存储中国这么大区域范围的高精度的数字地图就需要储量有关，因此存储中国这么大区域范围的高精度的数字地图就需要有有“海量海量”存储器。存储器。o对于方法，目前高精度的数字气压测量仪可以做得体

46、积、重量和功对于方法，目前高精度的数字气压测量仪可以做得体积、重量和功耗都很小，并且气压测量仪不受区域和地理位置的限制，应用范围比耗都很小，并且气压测量仪不受区域和地理位置的限制，应用范围比较广。但是，由于气压受大气温湿度变化的影响，同一个地方的大气较广。但是，由于气压受大气温湿度变化的影响，同一个地方的大气压力是有波动的，有时可达压力是有波动的，有时可达20hPa20hPa，会引起很大的高度误差，会引起很大的高度误差。因此因此在北斗三星无源定位中，用户设备需配备温湿度测量仪，采用修正标在北斗三星无源定位中，用户设备需配备温湿度测量仪，采用修正标校的方法，使高度测量精度达到用户要求。校的方法，

47、使高度测量精度达到用户要求。北京理工大学雷达技术研究所 王菊北斗一号系统北斗一号系统三星无源定位三星无源定位o有了用户高度值，就可以解算以下方程有了用户高度值，就可以解算以下方程 于是就可以按照下面的方法进行北斗三星无源定位解算。于是就可以按照下面的方法进行北斗三星无源定位解算。o先将式先将式(3)(3)代入到式代入到式(2)(2)中，再与式中，再与式(4)(4)联立，即可解得联立，即可解得2 2个用户机坐标个用户机坐标 (X(X、Y Y、Z)Z)的值和一个时值差的值和一个时值差T T。o由于北斗双星定位系统只给位于中国国土及其周边地区的用户发播由于北斗双星定位系统只给位于中国国土及其周边地区的用户发播出站信号，所以北斗三星无源定位用户机可以自动选择位于北半球出站信号，所以北斗三星无源定位用户机可以自动选择位于北半球的点显示和提供给用户使用。的点显示和提供给用户使用。北京理工大学雷达技术研究所 王菊区域增强区域增强o虽然北斗系统的虽然北斗系统的3 3颗地球同步卫星与高度表能实现全天候、快速等颗地球同步卫星与高度表能实现全天候、快速等特点的区域性导航定位，但由于北斗卫星为地球同步卫星，且数目特点的区域性导航定位，但由于北斗卫星为地球同步