导航定位系统技术

1、导航定位系统技术建议书 “北斗一号” 卫星导航定位系统工程是根据我国国情和我军对导航定位的需要申请立项建设的重要国防工程项目，1994年1月经国务院、中央军委批准立项。该工程的目的是建立一个全天候、高精度、快速实时区域导航定位系统，并兼有简短数字报文通信与授时的功能，使我军获得先进的、独立自主和快速有效的定位手段。 “北斗一号” 卫星导航定位工程的建设是我军现代化建设的重要组成部分，它由应用系统、卫星系统、测控系统、运载系统、发射系统五大系统组成。“北斗一号”卫星导航定位系统可为我国大陆、台湾、南沙及其它岛礁、中国海、日本海、太平洋部分海域及周边部分地区，时速1000公里以下的中、低动态用户和

2、静态用户提供每小时54万次以上的定位/通信/授时服务。根据不同的使用区域，定位精度为10100米。能安全地传输机密级以下的保密性信息，用户每次可传输120个汉字。系统建成投入使用后，可同时为200400个步兵团（平均每团配备50台用户机）、2500辆战车、2000艘舰船、200800架飞机及部分特殊用户提供导航定位、简短数字报文通信和授时服务，满足未来高技术局部战争对导航定位的需要。“北斗一号”卫星导航定位系统由三颗地球同步卫星（两颗工作星分别定点在80°E、140°E，在轨备份星定点在110.5°E）、一个地面中心控制系统、标校系统和各种用户机等组成，系统组成见

3、图所示：系统组成示意图系统采用三球交会测量原理进行定位，即以两颗卫星(位置已知)为两球心，两球心至用户的距离(本系统要完成的测量量)为半径可作二球面；另一个球面是以地心为球心，以地球半径与用户所在点的高程之和为半径的球面，三球交会点即为用户的位置。系统的工作过程是由地面中心向卫星和卫星同时发送出信号（C频段），两颗工作卫星接收后，经出站转发器向服务区内的用户广播（S频段），用户接收卫星信号，需要定位或通信时向卫星发射入站信号，经卫星转发回地面中心（C频段），地面中心接收解调用户发射的信号，测量出用户所在点至两卫星的两个距离和量，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，根据测出

4、的两距离和量，加上从储存在计算机内的数字地图查寻到的用户高程值，计算出用户所在点的坐标位置，然后置入出站信号中发送给用户，用户收此信号后便知自己的坐标位置。对通信申请，地面中心将通信内容置入出站信号中，按收信地址转发给收信人。系统出站信号采用超帧与帧结构的多路传输体制，入站信号采用突发帧传输体制，每一帧的数据段以数据形式传输电文信息，实现双向通信。通信的数据主要为汉字和代码两种形式的短消息；中心控制站通过出站信号以时帧形式将 “北斗一号”系统标准时发往用户，用户在收到标准时和信号传输时延后，可获取高精度的时间信息，完成定时授时功能，在特定情况下用户机还可以发送双向定时申请信息给中心站，中心站处

5、理之后可将更高精度的定时信息发往申请用户，完成双向定时功能。系统在运行期间能安全地传输机密级以下的保密性信息。对信号在空间传输过程中采用了信道加密和信源加密两重加密处理，信道加密是对每个有保密要求的用户都选用一对独特的伪随机码(PN码)对载频信号进行扩频，一户一码，信源加密方案按信道中能传输机密级信息进行独立设计。由于“北斗一号”卫星导航定位系统用户间通信具有卫星通信的特点，因而通信质量不受距离和地形的影响，在一定程度上弥补了北斗短信定位指挥系统与前线组合终端间地面微波通信的不足，可以作为两者间通信的备用手段，提高战场通信的可靠性。另外，用户间通信采用段突发扩频信号，发射时间仅为0.1秒，具有

6、很好的隐蔽性，适合战场使用条件。用户机是“北斗一号”卫星导航定位系统的应用终端，具有体积小、重量轻、耗电少、结构紧凑、性能可靠、操作方便等特点。按运载方式可分为便携式、车载式、舰载式和机载式四大系列，每一系列又有若干类型，满足不同用户的需求。按使用者的管辖权限又可分为普通型和指挥型两类。指挥型用户机是指拥有一定用户数量的上级集团管理部门，配有所属用户全部的接收地址及密钥，不仅能接收中心控制系统发给它自己的定位、定时和通信信息，而且能够同时接收中心控制系统传送给所属用户的定位及通信信息。指挥型用户机既可以与其他用户进行点对点通信，也可以对所辖用户进行广播通信。并可通过标准接口将定位和通信信息实时

7、输出。综上所述，北斗导航定位系统拥有以下几个重要特点：l 同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系统支持l 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l 特别适合集团用户大范围监控与管理和数据采集用户数据传输应用l 融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，提供更丰富的增值服务l 自主系统、高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用卫星导航定位技术是北斗短信定位指挥系统的重要组成部分，利用先进成熟的卫星导航定位技术，实时为国电系统指挥机关提供通信车所在的位置和进行通信交互，北斗短信定位指挥系统基于 “北斗一号” 卫星导航定位系统，将进一步扩展 “北斗一号” 卫星导航定位系

8、统的应用领域，更好地为国电系统测试和试验提供现代化指挥手段。结合北斗短信定位指挥系统包括：指挥站、车载站（下一步可直接引入手持型单元）组成。各站之间相互联系，由指挥站统一管理。下面我们将北斗短信定位指挥系统作以介绍：指挥站：指挥站主要使用的为指挥型用户机，其除了拥有普通型用户机的基本功能外还拥有如下特点：l 可以同时接收所有被管辖的普通型用户机的定位信息，并可以接入GIS系统。l 可以同时接收所有被管辖的普通型用户机之间的通信信息。l 可以同时接收所有被管辖的普通型用户机同指挥型用户机之间的通信信息。l 可以点对点与普通用户机进行各种通信。l 可以以通播方式向所管辖的普通型用户机发布各种命令信

9、息。l 可以查询某个被管辖的普通型用户机的最新的位置信息。指挥型用户机拥有定位查询的功能，可以查询某个被管辖的用户机最新的定位信息，该项功能非常有效，例如：当某个普通型用户机出现故障或者其他事故时，便可以准确知道该用户机最后出现的位置。指挥站是整个指挥系统的最高领导者，它可以通过 “北斗一号”指挥型用户机接收所有的车载站（以及可以扩容的手持单元）的定位信息和通信信息，并可以与他们进行点对点、以及点对群的通信模式，在本系统中共有1台指挥型用户机（将来可以升级为层次指挥），对于指挥站来说，每个指挥站最多可以管辖500个用户单元。指挥站主要由信息处理单元（ “北斗一号”指挥型用户机）、网络交换单元以

10、及监控显示单元三部分组成。其中信息处理单元就是指的 “北斗一号”指挥型用户机，主要包含：天线、电缆、电源、主机箱四个模块。网络交换单元指的是与信息处理单元以及其他显示控制设备的接口部分，监控显示单元则主要是计算机和操作软件。车载站： 车载站主要使用的为 “北斗一号”车载型用户机，其主要的功能为：可以对所管辖的信息进行收集处理，可以向上一级指挥站汇报；并可以接收上一级指挥系统的命令向战场前线各（车、手持）单元传输信息、下达命令。它可以同指挥站、各（车、手持）单元进行点对点的通信。车载站主要由以下部分组成：信息收集单元（“北斗一号”车载用户机）和监控显示单元（计算机、手柄等）组成。其中信息收集单元

11、包含的车载用户机是可以直接上架的 “北斗一号”车载用户机（多功能通信终端），包含：天线、电缆、电源、GPS、主机箱组成。根据情况为了采集更多的信息，车载站的其他设备收集到的信息，也可以经由车载用户机传送。在这个北斗短信定位指挥系统中，以指挥站系统为核心，使用 “北斗一号”卫星导航定位系统在军事地理信息系统中确定各所辖试验车的位置，具体的说就是使用 “北斗一号”指挥机收集网内各用户单元的方位，以及各种通信信息，可以接入地理信息系统中，以便于观看，实时掌握系统内各用户行动的动态情况，可以采用多媒体，以多媒体的形式统一显示在监控系统中，使指挥站能广泛、直观地了解整个网络的局势；并且在需要的时候可以通

12、过 “北斗一号”指挥机对下属试验车进行调度和下达命令，当然仅限于短信。在使用 “北斗一号”卫星导航定位系统的过程中，下属各车载站（以及手持单元），不需要专门向指挥站汇报，作为“北斗一号”指挥机可以站在更高级别上，对各个车载站（以及手持单元）进行监控。当然由于车载站是安装在通信车上，因此对于车载站发送的命令，各车载站之间则采用点对点模式通信。指挥站可以由很多个组成，当然作为他们的联系，我们可以通过更高级别的指挥系统来统一指挥，这只需要增加信息量以及提高“北斗一号”指挥机的级别就可以了。北斗短信定位指挥系统北斗短信定位指挥系统中，车载站（以及手持单元）是一个重要的组成部分，它可以进行试验观察或者侦

13、察活动。当然了，也可以海、陆、空同时进行，在“北斗一号”定位系统中，支持1500公里/小时的动态范围。车载站（以及手持单元）包括北斗双星普通型用户机，（还可以包含数据采集单元和宽带无线电台）。这一级装备的数据采集单元可以通过多种途径获取，如果对于少量数据的信息，可以通过北斗卫星向指挥站汇报，用户位置信息通过北斗无线链路传送给指挥站的北斗指挥型用户机，这对于“北斗一号”定位系统来说是非常容易的。现在，我们再从北斗短信定位指挥系统三个组成部分之间的信息流关系来描述系统的功能，从信息处理的角度更好地分析北斗短信定位指挥系统的工作原理，并且通过分解指挥站、车载站、船载站（以及手持单元）三部分模块的信息

14、流输入输出，更好地理解各个组成部分实现的功能。指 挥 站车载站车载站手持用户机北斗短信定位指挥系统信息流示意图该系统由可以交叉组网，或者独立组网，实现方式灵活多样。整个系统跨越长距离和中短距离通信范围，具有强大的机动灵活性，可以根据需要准确、灵活地布置野战系统网络。北斗短信定位指挥系统在战争状态及和平时期都可以发挥作用，系统采集准确的、多元化的、多媒体的实时信息，为指挥的科学性和及时性提供全面的情报数据，增强对战场态势的感知力l 部队作战、演习、训练时对现场情况的指挥、观摩。l 地方遇到重大事件，突发灾情等情况需要支援处理时，指挥部能客观、实际地了解现场情况，从而对一线部门进行及时、准确的指挥

15、。整个北斗短信定位指挥系统是围绕北斗双星系统，充分发挥双星定位功能，同时对于少量的数据采集部分，又可以充分利用北斗双星的短消息功能。系统根据收到的观测信息，将各通信车在全国的分布以及实际现场环境信息以清楚的反映到指挥中心以及指挥车的控制画面上，下面对北斗短信定位指挥系统的三个系统组成情况分别进行详细描述。指挥站北斗短信定位指挥系统指挥中心示意图北斗短信定位指挥系统指挥站包括卫星信息处理单元、网络信息交换单元和监控显示单元。系统结构如图所示：其中虚线方框内的部分可以接入目前指挥站设备，本方案预留各接口。北斗短信定位指挥系统指挥站在正常情况下通过放在指挥站的北斗指挥型用户机与各车载站（以及手持单元

16、）数字报文式进行简短通信。下面分别介绍指挥站的各个组成部分。卫星信息处理单元可以由多种部分组成，在本方案中，主要由“北斗一号”指挥型用户机组成（包含军用地理信息系统），并可以通过多媒体智能交换等模式将通信电文的短消息以声音的形式加以显现。指挥中心示意图如上图所示，系统中的多媒体智能交换系统将主要负责翻译从“北斗一号”指挥机传送出来的短消息内容，从卫星接收下来的不同地理位置信息则被送往系统主机工作站的军用地理信息系统中处理，并加以显示。系统主机工作站配置综合信息处理系统软件，从多媒体智能交换系统接收各个单元的坐标信息，结合数据库中的电子地图信息确定各中心的地理位置，并且将此军事地图地理信息显示在

17、主屏幕上；多媒体智能交换单元是指挥站的重要组成部分。多媒体交换系统主要设置在指挥部所在地，可以将需要的多媒体信息数据灵活、方便地组织和交换。当然在本方案中只是对多媒体智能交换单元进行提示，本方案只是预留了相应的接口以备将来使用。智能多媒体交换系统在指挥中心中的作用“北斗一号”指挥型用户机主要功能：l 对北斗系统所有六个波束同时捕获、接收；l 指挥调度功能，实时最多管理500个子用户；l 具有地图管理软件及数据库系统，在数字海（地）图上监测和管理所属子用户；l 对所属子用户单发或分组群发报文；l 收到报文时有声、光提示；l 具有以太网和标准RS232接口；l 具备授时、定位和导航功能。“北斗一号

18、”指挥用户机主要指标：l 发射功率：20Wl 首捕时间：2sl 失锁重捕获时间：1sl 定位精度：20米l 接收信号误码率：10-5l MTBF 5000小时；MTBR30分钟l 一次报文长度：120个汉字或420个BCD码（取决IC卡级别）l 抗冲击15g/sl 抗振动0.1g/(20-100)Hzl 湿度95%（40°C）l 工作环境温度主机：-20°C+55°Cl 工作环境温度天线：-40°C+70°Cl 储存环境温度：-55°C+70°Cl 满足“五防”要求l 主机至天线馈线长度： 45米l 体积：标准2U机箱l 供

19、电要求：AC 220V±20 932V宽电压直流指挥站实物照片软件操作界面车载站车载站在本系统中是准二级车载指挥站，包括“北斗一号”车载机和显示监控单元等等。在本方案中，车载站的指挥控制是通过点对点的通信模式进行的。系统结构如图所示：北斗短信定位指挥系统车载站车载站的北斗车载型用户机完成指挥车对前线其他车载站，（以及手持单元）的通信，并将通信车的位置、通信信息向指挥站汇报。通过装备实现这套信息系统，可以大大提高国家电网的信息采集量，并提高指挥车的判断能力和效率，为指挥部门能以最快的速度下达正确的指挥命令提供丰富、直观、准确的信息系统。“北斗一号”车载用户机主要功能：l 可进行汉字和B

20、CD码两种电文输入、编辑、发送、接收和显示，支持外接标准键盘输入和手持终端输入；l 存贮100条报文；l 收到报文时有声、光提示；l 具有单点定位确定车辆位置功能；l 具有查询、编辑行车路线功能；l 具有显示车辆方位，平均行驶速度功能；l 具备授时功能，精确显示行驶时间；l 提供标准RS232接口。“北斗一号”车载用户机主要指标：l 发射功率：20Wl 首捕时间：2sl 失锁重捕获时间：1sl 北斗定位精度：20米l GPS定位精度：10米l 授时精度：100nsl 接收信号误码率：10-5l MTBF 5000小时；MTBR30分钟l 一次报文长度：120个汉字或420个BCD码（取决IC卡

21、级别）l 抗冲击15g/sl 抗振动0.1g/(20-100)Hzl 湿度95%（40°C）l 工作环境温度主机：-20°C+55°Cl 工作环境温度天线：-40°C+70°Cl 储存环境温度：-55°C+70°Cl 满足“五防”要求l 主机至天线馈线长度： 15米l 供电要求：AC 220V±20 DC12V±15l 体积：标准1U机箱接口描述l 供电接口：具有220V和12V两种供电模式，可以方便切换。l 数据接口：分为前串口（连接手柄）、后串口（连接外设）l 电平与阻抗是标准的RS232接口l 详见

22、北斗一号用户机数据接口要求2.1版l GPS输出接口l 天线接口：包括发射、接收、控制状态判定l 电源指示灯：正常情况下加电后常亮，若不亮则说明电源有问题l 锁定指示灯：分别代表一、二、三、四波束，正常情况下其中一盏常亮即代表已经锁定，用户机可使用。锁定指示灯I：常亮说明用户机锁定一波束锁定指示灯II：常亮说明用户机锁定二波束锁定指示灯III：常亮说明用户机锁定三波束锁定指示灯IV：常亮说明用户机锁定四波束l 发射指示灯：正常情况下发射一次信号时闪烁一下车载站产品实物车载站软件使用界面定位系统用户机设计性能符合性列表序号项 目技术要求测试结果符合性l 定位功能1强信号波束搜索四波束四波束

23、14;2双通道接收连 续连续Ö3功率显示5档7档Ö4双收单发时差测量有实时测量Ö5单双通道模式切换自动自动Ö6定位申请入站格式自动实时波束和帧号自动实时波束和帧号Ö7定位信息显示符号或声音实时数据符号、声音实时数据Ö8多值解提示有有Ö9紧急定位有有Ö10一屏显示定位信息L、B、H、TL、B、H、TÖ11大地高/正常高转换有有Ö12先进先出存储定位信息30组30组Öl 导航功能13坐标转换大地/高斯/麦卡托大地/高斯/麦卡托Ö14输入、查询、编辑航线、航路点信息有有Ö

24、15自动定位/手动定位选择用户选择用户选择Ö16自动定位时通信功能可 以可 以Ö17航线、航路点存储能力100航路点/10条航线100航路点/10条航线Ö18坐标采用和转换国军标国军标Öl 通信功能19电文键入、编辑、发送、接收、显示有全部有Ö20一次发射最大电文长度120个汉字/420代码120个汉字/420代码Ö21接收通信信息提示符号或声音符号和声音Ö22通信信息实时显示T、ID、ST、ID、SÖ23发射回执自动自动Ö24通信信息形式汉字和代码汉字和代码Ö25汉字库GB2321-80一级字

25、库GB2321-80一级字库Ö26汉字编码区位码区位码Ö27汉字输入全拼T9拼音Ö28通信期间插入定位帧可以可 以Ö29接收信息存储40条30条Ö30锁定解锁删除接收信息10条10条Ö31查询电文和回执可以可以Ö32待发电文的编辑存储20条35条Öl 功率控制33双收单发时强信号控制有有Ö34单收双发时最大功率有有Öl 整机管理35开机自检状态提示状态提示Ö36工作状况循检状态提示状态提示Ö37初始化参数处理(高程/天线高/坐标/坐标系等)全 部全 部Ö38故障告警

26、可 以可 以Ö39电源状况指示有有Ö40信号锁定状况有显示有显示Öl 安全保护41电源的过流、过压、欠压、偶然极性反接保护有有Ö42掉电后的数据保护有有Öl 信源保密43机密级信源保密功能保密模块或智能IC卡保密模块系统匹配Ö44永久关闭用户机和保密模块保密模块Öl 数据接口45RS-232数据收发符合协议符合协议Ö46入网测试协议规定协议规定Öl 其他功能47时钟校对系统同步系统时Ö48过载抑制有有Ö49背光/非背光模式切换键盘显示器无X50界面切换方 便无X51IC卡获得系统管理信

27、息可 以可 以Öl 整机技术指标52定位申请频度可设定大于1秒大于1秒Ö53设备时延稳定性£10ns5nsÖ54外接直流电源电压932V932V Öl 接收技术指标55频率2491.75M2491.75MÖ56带宽±4.08MHz±4.08MHzÖ57信号功率(I支路)³-127.6dBm-127.8dBm以上Ö58载波频偏£±500Hz£±800HzÖ59伪码频偏£±0.2Hz£1HzÖ60OQPSK载波相位偏差£3°£3°Ö61极化形式右旋圆极化右旋圆极化Ö62接收天线波束宽度方位方向0°360°0°360°Ö垂直方向10