北斗卫星导航系统专题知识

1、北斗卫星导航系统Beidou Navigation Satellite System北斗卫星导航系统专题知识第1页定位原理简单地讲，就是借助若干个已知参考点来推算出未知点坐标。以平面坐标轴为例，已知两个点A,B坐标，而且知道某个点U分别A,B点距离，就能够列一个方程组来求解U点所在位置。注：该方程组会得到2个解，在实际情况下会依据经验或者限制条件来剔除掉其中1个解，又或者引入更多已知参考点。北斗卫星导航系统专题知识第2页再引入一个参考C，并得到未知点到C点距离，再列新数学方程式，就能够得到唯一解。在二维空间下，最少需要2个已知参考点才能完成定位。同理，三维空间下点，最少需要3个参考点才能完成定

2、位。北斗卫星导航系统专题知识第3页定位条件1、足够已知点（卫星）2、未知点到已知点距离卫星是按照预设轨道和速度运行，卫星会定时将自己星历、历书等以导航电文方式向覆盖区域广播，用户在接收并解算出导航电文，就能够依据卫星星从来计算卫星发送信号时位置与速度。伪距=传输时间传输速度传输时间=接收时间-发出时间因为当地时间（普通为石英钟）与卫星时间（原子时钟）不一样时，会存在一个叫钟差未知数，造成传输时间误差较大，所以测量出距离不是真实距离，故称“伪距”。能够看出，存在4个未知数，所以地球上任意一点最少需要4颗卫星才能进行三维定位。北斗卫星导航系统专题知识第4页北斗卫星导航系统介绍中国北斗卫星导航系统是

3、中国自行研制全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统GPS、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统GLONASS之后第三个成熟卫星导航系统，与GPS、GLONASS、Galileo等合称GNSS（全球导航卫星系统）。北斗卫星导航系统可分为北斗一号卫星导航定位系统和北斗二号卫星导航定位系统两大类。注：12月27日，正式公布了北斗卫星导航系统英文名称，即BeiDou Navigation Satellite System，缩写为BDS，旧译Compass被取消。北斗卫星导航系统专题知识第5页北斗一号卫星导航定位系统北斗一号卫星导航定位系统是一个全天候、高精度、区域性卫星导航定位系统，可实现（有源）定位、通信和授

4、时三大功效。整个系统由两颗地球同时（GEO）卫星、地面测量控制中心站（简称中心站）和用户机共三部分组成，各部分间由无线链路连接。北斗卫星导航系统专题知识第6页历史发展20世纪60年代末开展了卫星导航系统研制工作；20世纪70年代后期开展了探讨适合国情卫星导航定位系统体制研究；1983年提出了利用2颗地球同时静止卫星实现区域性导航定位并兼有短报文通信双星导航定位系统；19881989年利用现有2颗C频段通信卫星成功进行了“双星快速导航定位通信系统演示试验”，证实了系统体制正确性和可行性；1993年深入进行双星定位系统试验，1994年双星导航定位系统工程正式开启；10月31日成功发射北斗-1A，位

5、于140E赤道上空；12月21日成功发射北斗-1B，位于80E赤道上空；年5月25日成功发射北斗-1C，位于110.5E赤道上空；20北斗导航定位系统正式投入运行；202月3日成功发射北斗-1D，位于86E赤道上空。北斗卫星导航系统专题知识第7页RDSSRadio Determination Satellite Service卫星无线电测定业务首先由中心站向2颗北斗卫星发送出站问询信号；2颗北斗卫星将接收到出站问询信号变频放大后，向服务区域内用户广播；用户接收某1颗卫星问询信号后，向2颗卫星同时发送入站响应信号，经2颗卫星转发回中心站；中心站接收并解调用户发来入站响应信号，然后依据用户申请服务

6、内容进行对应数据处理。因为北斗一号只有2颗卫星，用户无法独立完成定位，所以需要借助外部系统来完成定位。RDSS是北斗一号卫星系统独有工作模式。北斗卫星导航系统专题知识第8页北斗智能卡北斗一号卫星系统提供是有偿服务，用户机需要装载授权北斗用户卡才能使用，每张北斗智能卡都有唯一序列号，类似于手机号，用于身份识别。北斗智能卡可分为主卡（又称指挥卡）与子卡（又称下属卡），一张主卡可拥有若干张子卡，一张子卡可隶属于多张主卡。北斗智能卡又分为北斗民用智能卡和北斗军用智能卡，普通情况情况下，军用卡要求焊接在用户机里，而民用卡则能够随意装载和取出。北斗卫星导航系统专题知识第9页服务频度与通信等级受限于卫星数量

7、与信道，卫星不能够无时无刻地、无限制地为北斗终端用户服务，所以需要对北斗智能卡服务频度和通信等级进行控制。用户类别服务频度备注一类300600秒默认600秒二类1060秒默认60秒三类15秒默认5秒通信等级电文长度备注1110 bit7个汉字和27个BCD码2408 bit29个汉字和102个BCD码3628 bit44个汉字和157个BCD码4848 bit60个汉字和210个BCD码普通情况下，北斗下属卡服务频度为60秒，北斗指挥卡服务频度为5秒或1秒。北斗指挥机端或用户机接收端接收短报文不受时间频度制约北斗卫星导航系统专题知识第10页有源定位第一个时间延迟是指从中心站发出问询信号，经某颗

8、卫星转发给用户，用户发出定位响应信号，再经同颗卫星转发回中心站时间延迟；第二个时间延迟是指从中心站发出问询信号，经同颗卫星转发给用户，用户发出定位响应信号，再经另一颗卫星转发回中心站时间延迟；因为中心站和两颗卫星位置坐标均是已知，即s1、s2已知，所以能够计算出用户分别到两颗卫星距离r1、r2 ，用户则处于以两颗卫星为球心球面交线圆弧上；中心站从数字化地形图查寻到用户高程值或者由用户自己提供高程值，又可知道用户处于某个与地球基准椭球面平行椭球面上，从而地面控制中心站可最终计算出用户所在位置坐标值；最终，中心站将定位结果经过卫星转发给用户，即完成有源定位。北斗卫星导航系统专题知识第11页短报文通

9、信北斗一号卫星与国际通信卫星一样，能够完成通信任务。北斗短报文能够在没有通信和网络海洋、沙漠和野外，或者移动通信与电力中止灾区发挥出巨大应用价值。在汶川地震时，进入重灾区救援部队就利用北斗短报文功效突破了通信盲点，与外界取得联络，通报了灾情，供指挥部及时做出决议。北斗卫星导航系统专题知识第12页短报文收发过程发送方首先将包含接收方ID号和通信内容通信申请信号进行加密，然后经过卫星转发至地面控制中心站；地面控制中心站接收到通信申请信号后先将其解密，然后再加密，再经过卫星转发给接收方；接收方接收到出站信号，对信号进行解调解密，得到发送方信息，即完成一次通信。北斗卫星导航系统专题知识第13页监听中心

10、站会将下属终端用户定位结果或通信内容发送至对应北斗指挥终端用户上，也就是说北斗指挥卡含有监听下属卡功效。北斗卫星导航系统专题知识第14页通播指挥终端含有对自己下属终端通播功效，类似于短信群发功效，可应用于紧急通知、天气播报等。北斗卫星导航系统专题知识第15页授时授时是指利用无线电波发播标按时间信号工作，依据授时伎俩不一样分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联网和电话授时等。简单地说，用高精度时钟去校正低精度时钟。要校正低精度时钟，就必须知道低精度时钟与高精度时钟误差，这个误差又称为“钟差”。北斗一号卫星系统含有单向授时、双向授时两种方法。北斗卫星导航系统专题知识第16页单向授时假如用户位置坐标

11、是已知、准确，就能够采取单向授时方法：将当地接收信号时间和中心站发出信号时间作差，就能够得到预计信号传输时间toff；因为卫星、中心站和用户位置都是准确已知，所以能够求出信号实际传输时间，即上行时间tup 与下行时间tdown 之和；那么当地时钟与卫星时钟钟差就能够用公式t=toff-tup-tdown 得到，然后采取移相方法调整当地钟输出秒脉冲（PPS），皆能够消除钟差，实现当地时钟与北斗时钟同时。北斗卫星导航系统专题知识第17页双向授时假如用户位置为未知或者不准确，无法计算出出站信号下行时间，所以无法得到信号实际传输时间，只能采取双向授时方法：中心站先发出站信号，用户接收后并发入站信号给中

12、心站，中心站依据接收与发出信号时间差来计算出信号双向传输时间toff ；因为该时间差完全由中心站计算得到，所以无当地时间无关，不存在钟差这个未知数。在不考虑用户运动情况下，可认为出站和入站时间是相同，所以可得到出站信号实际传输时间为toff/2；中心站再将这个出站信号实际传输时间发送给用户，就能够依据单向授时方法来对用户当地时间进行授时。北斗卫星导航系统专题知识第18页总结优点：通信功效能够处理野外、灾区等地面通信难以覆盖或者被破坏问题；地面控制中心站能够保留全部北斗用户位置及时间信息，便于对下属监控与管理。缺点：北斗用户需要包含发射器，所以在体积、重量、价格和功耗等方面需要做出巨大牺牲；北斗

13、用户需要主动向地面控制中心站发出服务申请，这就意味着用户失去了无线电隐蔽性，尤其对军事上非常不利；双向传输时差会造成用户定位结果误差增大，尤其是高速运动用户；受限于卫星数量和信道，北斗用户容量是有限，而且用户还会受到服务频度和短报文长度双重约束。北斗卫星导航系统专题知识第19页北斗二号卫星导航定位系统北斗二号卫星导航系统（BD2）是中国独立开发全球卫星导航系统，它并不是北斗一号简单延伸，而是克服北斗一号存在缺点，提供海、陆、空全方位全球导航定位服务，类似于美国GPS和欧洲伽利略定位系统。北斗二号卫星导航定位系统计划由35颗卫星组成，包含5颗静止轨道（GEO）卫星、27颗中地球轨道（MEO）卫星

14、、3颗倾斜同时轨道（IGSO）卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为58.75E、80E、110.5E、140E、160E，可提供RNSS和RDSS信号链路；27颗MEO卫星分布在倾角为553个轨道平面上，每个面上有9颗卫星，轨道面之间为相隔120均匀分布。从04月14日到年06月12日，我国当前已经发送23颗北斗二号卫星，当前已经能够覆盖我国本土区域导航系统，覆盖范围70E140E，5N55N。北斗二号能够提供通信、（有源与无源）定位、测速、授时等服务，定位精度可达10m，授时精度可达20ns，测速精度可达0.2m/s。北斗卫星导航系统专题知识第20页RNSS北斗二号卫星导航定位系统既保留了RDS

15、S，又拓展了RNSS；GPS、GlONASS、Galileo都属于该系统；因为服务范围内用户在任意时刻都能够接收到4颗以上卫星信号，所以用户不再依赖于地面测量控制中心站，可自主完成（无源）定位、测速、授时等功效，也不再受到客户容量和服务频度限制。Radio Navigation Satellite System卫星无线电导航业务注：短报文属于RDSS功效，依然受到客户容量、服务频度和通信等级限制。北斗卫星导航系统专题知识第21页无源定位和授时假如用户收到n（n4）颗卫星信号，那么就能够依据定位原了解算出用户所在位置以及当地与卫星之间钟差，实现无源定位和授时。北斗卫星导航系统专题知识第22页测速

16、卫星测速依据是多普勒效应，多普勒效应是波在波源移向观察者靠近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。因为卫星和接收机随时都在发生相对位移，所以接收机接收到卫星信号会发生载波频率偏移，即多普勒频偏；多普勒频偏反应了卫星与接收机位置改变率，即相对速度；依据卫星导航电文能够计算出卫星运行速度；依据多普勒频偏和卫星运行速度，并结合以下数学公式，能够解算出接收机速度；北斗卫星导航系统专题知识第23页总结北斗二号卫星系统兼容了RDSS和RNSS两种业务，定位与授时可采取有源和无源两种方式完成，愈加灵活；北斗二号卫星系统继续保持了通信功效，在没有通信和网络海洋、沙漠和野外，或者移动通信与电力中止灾

17、区发挥出巨大应用价值；北斗二号卫星系统定位精度由水平25m、高程30m，提升至当前水平10m、高程10m，测速精度由0.4m/s提升至0.2m/s，受时精度优于20ns，当前在中国及周围地域，北斗系统服务性能与GPS相当；北斗卫星系统使用是三频信号，能够愈加好消除高阶电离层延迟影响，提升定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提升含糊度固定效率。北斗卫星导航系统专题知识第24页其它主要信息RDSS波束北斗一共发射10颗GEO，详细情况以下表所表示：序号发射时间卫星编号轨道类别运行情况备注1.10.31北斗-1A废弃卫星轨道停顿工作北斗一号2.12.21北斗-1B废弃卫星轨道停顿工作3.5.25北斗

18、-1C地球静止轨道（85.3E）正常4.2.3北斗-1D废弃卫星轨道失效5.4.15北斗-G23559436036km 漂移失效北斗二号6.1.17北斗-G1地球静止轨道（140E）正常7.6.2北斗-G3地球静止轨道（84E）8.11.1北斗-G4地球静止轨道（160E）9.2.25北斗-G5地球静止轨道（58.5E）10.10.25北斗-G6地球静止轨道（110.5E）当前北斗用户机RDSS是由北斗二号正常运行5颗GEO提供，因为每颗GEO能提供2个波束，所以北斗用户机最多能收到10个RDSS波束；又因为北斗用户机需要1颗GEO卫星才能通信、2颗GEO卫星才能RDSS定位，故只有当北斗用户

19、机RDSS波束2才能实现通信、4才能实现定位；注：RNSS数量需要4才能实现定位。北斗卫星导航系统专题知识第25页手持终端和指挥终端RDSS波束显示注：RDSS数量指是波束数量、RNSS数量指是卫星数量北斗卫星导航系统专题知识第26页其它主要信息导航电文导航卫星信号普通由3部分组成：载波信号、伪随机噪声码(测距码)和数据码。其中，数据码是卫星以二进制码流形式发送给用户导航定位数据，通常称为导航电文。卫星导航电文是由导航卫星播发给用户描述导航卫星运行状态参数电文，包含星历、历书、时间系统、导航服务参数等：星历是表示卫星准确位置轨道参数，可为用户提供计算卫星运动位置信息；历书是卫星导航电文中全部在轨卫星粗略轨道参数，有利于缩短导航信号捕捉时间。时间系统是以地面主控站主原子钟为基准。卫星时钟和系统时存在着一定差异，地面监测系统监测确定出这种差异，经过导航电文播发给用户。导航服务参数是指卫星标识符、数据期号、导航数据有效性、信