北斗卫星导航系统基础知识第四次课

北斗卫星导航系统基础知识第四次课内容概要卫星导航定位需求？什么是导航定位？？卫星导航定位怎么实现的？？为什么需要卫星导航定位？？怎样更好利用导航定位服务生产生活？卫星导航定位需求—定位迷路是不知道自己在哪里，不能和已知的位置建立起方位和距离的联系。定位，解决我在哪儿的问题。怎么定位？指南针地图灯塔定位是确定在哪儿卫星导航定位需求—定位定位是确定在哪儿手机信号定位卫星定位无线电定位卫星导航定位需求—导航导航是确定怎么去导航解决怎么走的问题。规划路径，安排时间，力求省时省力。例如从上海瀚文小学到北京天安门，利用卫星导航可以准确规划出最优路径，全程约1216公里，开车前往大概需要13小时24分。卫星导航定位需求—日常生活车载导航网购物流查询公交系统公安执勤移动商店无处不在的卫星导航定位运动记录卫星导航定位需求—载体导航卫星导航定位需求—工程应用工程测量桥梁监测地球形变测量内容概要四大导航系统北斗系统的发展—四大系统全球四大卫星定位系统

目前，世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。当前全球有四大卫星定位系统，分别是美国的全球卫星导航定位系统、俄罗斯的格罗纳斯系统、欧洲在建的“伽利略”系统、和中国的北斗卫星导航系统。美国长期垄断美国国防部从1973年开始实施的系统，这是世界上第一个全球卫星导航系统，在相当长的一段时间内垄断了全球军用和民用卫星导航市场。全球定位系统计划自1973年至今，先后共发射了41颗卫星，总共耗资190亿美元。原来是专门用于为洲际导弹导航的秘密军事系统，在1991年的海湾战争中首次得到实战应用。随后，在科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战争中大显身手。美国系统长期以来，美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号——也就是说，地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人掌握，其他国家只知道个“大概”。在海湾战争时，美国还曾置欧盟各国利益不顾，一度关闭对欧洲服务。从克林顿时代起，该系统开始应用在了民用方面。现运行的系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。美国利用获得了巨大的经济利益，多年来在出售信号接收设备方面赚取了巨额利润。以1986年为例，当时一台一般精度的定位仪价格5万美元，高精度的则达到10万美元。现在价格虽然有所下降，但也可推算出20年来“收获颇丰”俄罗斯（格洛纳斯）系统“格洛纳斯”是俄语中“全球卫星导航系统”的缩写。作用类似于美国的、欧洲的伽利略卫星定位系统。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与类似。欧洲“伽利略计划”在上世纪90年代的局部战争中，美国的出尽风头。利用系统提供定位的导弹或战斗机可以对地面目标进行精确打击，这给欧洲国家留下了深刻印象。为减少欧洲对美国军事和技术的依赖，经过长达3年的论证，2002年3月，欧盟15国交通部长会议一致决定，启动“伽利略”导航卫星计划。“伽利略”计划的总投资预计为36亿欧元，由分布在3个轨道上的30颗卫星组成长期以来，美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号——也就是说，地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人掌握，其他国家只知道个“大概”。在海湾战争时，美国还曾置欧盟各国利益不顾，一度关闭对欧洲服务

中国要想不受治于人就必须自主发展自己的导航系统。

北斗卫星导航系统（）简称北斗系统，英文缩写为，曾用名为，是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（），是继美国的全球定位系统（）和俄罗斯的之后第三个成熟的卫星导航系统,与伽利略导航系统并称全球四大卫星导航系统。分为北斗1代和北斗2代。北斗卫星导航系统简介北斗系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务，军用与民用目的兼具。北斗卫星导航系统简介应用北斗卫星导航系统简介发展历程试验系统（北斗一代）：1983年陈芳允院士提出，1994年开始研制，2003年完成组建伽利略系统合作计划正式系统（北斗二代）：2004年-2020年北斗卫星导航系统简介北斗卫星北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。北斗卫星导航系统简介北斗卫星：倾斜卫星同步轨道：地球静止轨道：中地球轨道北斗系统的发展—北斗三步走第一步——试验系统，实现从无到有1983年提出发展建设概念。1994年北斗卫星导航系统工程启动，之前历经8年理论论证。2000年发射第一颗卫星。2003年完成试验系统。最终成果：成功发射3颗卫星，建成北斗卫星导航试验系统。系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务。2000年10月31日140E2000年12月21日80E2003年5月25日北斗系统的发展—北斗三步走第二步——亚太组网，实现亚太区域服务2012年建成由14颗卫星组成的区域星座，区域服务覆盖亚太地区，并正式提供服务。2007年4月14日卫星2009年4月15日卫星2010年1月17日卫星卫星运载火箭北斗系统的发展—北斗三步走第三步——全球组网，实现全球服务2020年建成由35颗卫星（5颗，30颗）组成的全球导航系统。第二步2012年第三步2020年

北斗卫星导航系统的发展流程

上世纪60年代末20世纪70年代后20世纪80年代到90年代试验阶段（北斗一号）“北斗二号”区域系统全球卫星导航系统9颗“北斗导航试验卫星”共35颗“北斗卫星导航系统”北斗系统的发展—用户终端应用用户终端应用效果较好的环境空旷地楼顶高处电磁辐射弱北斗系统的发展—用户终端应用用户终端应用效果差的环境隧道水面高架城市高楼树林下电磁环境复杂卫星定位基本原理—系统简介美苏争霸美苏空间信息激烈竞争，为卫星导航系统提供了大量的资金支持。通信技术的发展为卫星信号远距离传输提供了可能。电子技术进步为卫星的控制、制造提供了强有力的保证。经济社会的需求是卫星导航系统持续发展的源动力。卫星导航系统有三部分组成：空间星座部分，地面控制部分，用户终端设备。系统简介北斗卫星导航系统的建设二、北斗的组成（1）空间端空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星（2）地面端主控站、注入站和监测站等若干个地面站（3）用户终端卫星定位基本原理—系统组成地面控制部分地面控制部分包括：主控站，上行注入站和监测站。负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据，并向每颗卫星注入更新的导航电文。卫星地面控制部分卫星定位基本原理—定位原理原理说明卫星向地面发射电磁波，以光速传播。卫星距地面高度约为20000。x公里？t秒？卫星定位基本原理—定位原理定位原理得到卫星和接收机之间的距离后如何定位？卫星定位基本原理—定位原理平面定位原理卫星定位基本原理—定位原理定位原理黑色=可见,红色=不可见,绿色=视线总共50颗以上卫星。地球任意一点可以看到5-12颗卫星。任一卫星的瞬时位置可根据星历计算得到。美国欧盟伽利略俄罗斯中国空间距离交汇定位卫星定位基本原理—定位原理()为待求的接收机位置，d为卫星到接收机的距离，()为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。定位误差卫星定位基本原理—定位原理三方面的误差：卫星产生的误差传播路径产生的误差接收机产生的误差定位方程修正卫星定位基本原理—定位原理伪距定位基本观测方程是通过延时计算的星站距离是真实的星站距离是时钟偏差引起的误差星站距离计算以码相位对齐测出信号时延以时延计算距离卫星定位空间距离交会法定位同步观测4颗以上卫星北斗一代试验系统北斗卫星导航试验系统又称为北斗一号，是中国的第一代卫星导航系统，即有源区域卫星定位系统，1994年正式立项，2000年发射2颗卫星后即能够工作，2003年又发射了一颗备份卫星，试验系统完成组建，该系统服务范围为东经70°－140°，北纬5°－55°。在卫星的寿命到期后（设计值8年），系统已停止工作。北斗一代系统组成系统分为三个部分，分别为空间段、地面段、用户段：空间段：由3颗地球静止轨道卫星组成，两颗工作卫星定位于东经80°和140°赤道上空，另有一颗位于东经110.5°的备份卫星，可在某工作卫星失效时予以接替。地面段：由中心控制系统和标校系统组成。中心控制系统主要用于卫星轨道的确定、电离层校正、用户位置确定、用户短报文信息交换等。标校系统可提供距离观测量和校正参数。用户段：用户的终端。北斗一代工作原理北斗一代工作原理首先由中心控制系统向卫星I和卫星同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。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。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。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。北斗一代定位原理（双星定位法）

①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；②和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。③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一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。北斗一代主要参数服务区：我国及周边地区定位精度：水平精度100米（1σ），设立标校站之后为20米（类似差分状态）。定位时间：几秒钟授时精度：单向100，双向20通信能力：双向短报文通信120个汉字北斗一代优点成本低定位快双向通信与授时位置报告缺点缺乏隐蔽性用户容量受限制定位精度不高，无测速功能北斗二代正式系统北斗卫星导航系统”一词一般用来特指第二代系统。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与相似。在计划中，整个系统将由35颗卫星组成，其中5颗是静止卫星，以与使用静止轨道卫星的北斗卫星导航试验系统兼容。2012年实现区域性覆盖，预计在2020年达到全球覆盖。北斗二代频段B1频点：1559.052－1591.788B2频点：1166.220－1217.370B3频点：1250.618－1286.423注：其中B1、B2是民用信号，B3是军用信号。B1的标称频率为1561.098。北斗二代定位技术-三球交汇定位（与定位原理一致）北斗二代定位技术题外：分为局域差分（)与广域差分()两种可覆盖整个国家，包括卫星就是利用静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。现有的卫星包括(欧洲）、（美国）、（日本）、（印度）。覆盖范围一般在10~100，精度可达到厘米级。依靠基准站校准发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。电文采用的协议为104。北斗二代定位技术北斗二代融卫星导航与广域差分为一体，向用户实时播发卫星导航信息、广域差分改正信息及完好性信息等。导航信息可为用户提供基本的导航定位服务；广域增强信息根据用户的不同等级，可为用户提供更高精度的定位精度，改善区域的导航性能，为所覆盖区域导航用户提供全天候、高性能的导航定位服务。完好性信息可为用户提供区域导航系统的可用性信息，当系统不可用或导航精度降低时，及时向用户告警。北斗二代定位技术北斗导航定位增强系统主要包括三部分：空间部分、地面部分和用户部分。空间部分由携带导航转发器的地球静止轨道（）卫星组成。地面部分由若干参考站和主控站组成。北斗导航定位增强系统具有三种功能，即地球静止卫星（）测距功能、完好性监测功能和广域差分功能。北斗二代增强型定位技术（差分定位）通过北斗用户机周围建立位置已知的北斗差分基准站，用基准站测得的伪距与其真实位置的差值，由基准站发射到用户，北斗用户在测距过程中将之差掉，以此提高精度。目前，交通运输部东海航海保障中心在我国黄海南部和长江口水域进行了国内首次无线电指向标——差分北斗卫星导航系统(—)播发与接收试验，并取得圆满成功。误差可由10米降为1米。北斗二代时间系统北斗卫星导航系统的系统时间叫做北斗时，属于原子时，溯源到中国的协调世界时，与协调世界时的误差在100纳秒内，起算时间是协调世界时2006年1月1日0时0分0秒。北斗二代文件北斗的空间信号接口控制文件()是约束、规范和定义北斗导航卫星与接收终端之间信号接口的