北斗卫星导航系统的发展与应用

北斗卫星导航系统的发展与应用

1在定位性能上有创新中国自行开发的北斗卫星网络系统不仅能够随时确定用户的地理距离和海拔高度，还能够提高定位性能。北斗系统与其他系统最大的不同,在于它不仅能使用户知道自己的所在位置,还可以告诉别人自己的位置,特别适用于需要导航与移动数据通信场所。北斗系统的成功运行及相关通信部件的小型化,使其在自持式剖面循环探测漂流浮标(以下简称剖面漂流浮标)的应用成为可能,也使实现剖面漂流浮标卫星数据传输国产化成为可能。2“北平”卫星探测系统我国早在20世纪60年代末就开展了卫星导航系统的研制工作,但由于多种原因而天折。70年代后期开始,国内开展了探讨适合国情的卫星导航定位系统的体制研究,但是由于种种原因,没能够得到实现。我国的“北斗一号”卫星导航系统正是80年代提出的“双星快速定位系统”发展计划。北斗导航系统的方案于1983年提出,突出持点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是定时、双向短报文通信、授时等。2003年5月25日,第三颗“北斗一号”导航定位卫星发射成功。前两颗分别于2000年10月31日和12月21日发射升空,这两颗卫星构成了独特的“双星有源定位”系统。第三颗“北斗一号”是导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗一号”工作星组成了中国完整的第一代卫星导航定位系统。正如“北斗星通”卫星导航技术公司总裁周儒欣指出,中国的卫星导航应用近年来发展迅速,但是绝大多数应用都是建立在美国的GPS之上。如果一旦发生战争,美国关闭应用,后果不堪设想。作为中国这样的大国,必须有自主的卫星导航系统。这就是建立“北斗”系统的意义。我国于2000年10月31、12月21日和2003年5月25日分别发射的三颗“北斗”卫星,组成了完整的卫星导航定位系统,确保全天候、全天时提供卫星导航信息。这标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后,在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家,北斗导航试验系统运行至今工作稳定、状态良好,已在测绘、电信、水利、交通运输、勘探和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。2007年2月3日第四颗“北斗”卫星的成功发射,标志着中国的北斗卫星导航系统又向前大大推进了一步,形成美、俄、欧、中在卫星导航系统上的“四强争霸”格局。如图1所示,“北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星(800E和1400E)和两颗在轨备份卫星、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。系统的工作过程是:首先由中心控制系统向卫星I和卫星II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,然后根据用的申请服务内容进行相应的数据处理。3“北平”系统水质特点(1)覆盖范围:北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°~140°,北纬5°~55°。(2)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2颗地球同步卫星,卫星的赤道角距约60°。(3)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,提供用户三维定位数据。(4)定位精度:北斗导航系统三维定位精度约几十米,授时精度约100ns。(5)用户容量: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,北斗系统的用户设备容量是有限的。(6)实时性:“北斗一号”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,因此对于高速运动体,就加大了定位的误差。(7)具备短信通讯功能。该功能是常用GPS所不具备的,而且在2008年汶川大地震中发挥了突出的作用。综上所述,北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多种用途,可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。而且最重要的是,“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统,它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位,解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。4北系统在400m范围内的漂浮浮标应用4.14剖面流变学模型在国家863计划资助下,通过多年努力,我国基本掌握了剖面漂流浮标的各项关键技术,并着手开展采用北斗系统定位和数据传输的工作深度为400m的剖面漂流浮标技术研究。400m剖面漂流浮标主要由耐压密封壳体、柱塞泵、可变体积皮囊、测量传感器、北斗卫星通信单元、控制采集电路、电源等组成。400m剖面漂流浮标结构示意图如图2所示。4.2冷却系统的通信模块随着“北斗一号”的建立和逐步完善及业务化运行,国内已经有多家厂商研制成功适合不同载体的船载、车载、手持等种类繁多的北斗通信模块。通过对国内多个北斗模块生产厂家的调研,选用了一种体积、重量和功耗等均能满足剖面漂流浮标使用的一种通信模块,如图3所示。该模块的主要技术参数:接收频率:2491.75MHz±4.08MHz(扩频频谱零点带宽)首次捕获时间:≤2s(从开机到2通道接收并解调出信息所需时间)信号误码率:≤1×10-5发射频率:1615.68MHz±4.08MHz(扩频频谱零点带宽)整机重量:≤1.0kg外接直流电源电压:13.5~15V(4Amax)4.3天线公共通信的研制根据400m剖面漂流浮标的特点,浮标在海表面露出海水的体积受到限制,所以其卫星通信天线一般均为耐压密封的杆状天线,而且要求其长度在满足通信效果的前提下,直径尽可能小。因为“北斗”系统是同步卫星,落地信号功率很小,通信效果较好的碟型天线,不能安装于剖面漂流浮标。另外北斗通信模块现有杆状天线(总长165.10mm,安装直径25.40mm)长度较小,且不能承受压力,也不能直接安装于剖面漂流浮标。通过理论计算和实验室试验,进行了北斗天线的专门研制。在现有杆状天线外部加装非金属耐压密封壳体,在保证天线通信性能的条件下,解决天线耐压密封问题。同时根据现有天线长度较短的现状,在浮标结构设计及浮力配置等方面采取了适当措施,进一步抬高了天线收发部分的有效高度,确保可靠通信。目前研制的通信天线耐压密封已达到5MPa,能够满足浮标的工作深度要求,而且在实验室及湖上和海上通信试验中,一直具有较好的通信效果。研制的专用北斗天线照片如图4所示。4.44实验结果与分析为了验证升沉功能和北斗通信功能,2007年9月19日在河北潘家口水库进行了剖面漂流浮标的湖上试验。湖上试验照片如图5所示。图中(1)(2)(3)(4)分别为剖面漂流浮标水面定位和数据通信、逐渐下潜、完全浸没和重新上浮到水面进行定位和剖面数据通信的照片。实验过程中,剖面漂流浮标实现了正常的升沉功能,北斗通信工作正常。通过对接收到的剖面数据进行整理和分析,发现剖面漂流浮标升沉控制、数据采集存贮和北斗通信等功能均与预定程序完全吻合。通过本次湖上试验,验证了400m剖面漂流浮标的升沉功能和北斗通信功能,基本证实了北斗系统在剖面漂流浮标应用的可行性,也为后期的海上布放试验奠定了基础。4.54浮标数据的接收及测量分析经过严格的实验室测试及湖上测试后,2008年09月02日进行了浮标的海上布放,浮标共计完成了28个剖面测量,最大下潜深度为406m,与预定深度(400m)基本吻合。其各个剖面的最大深度如图6所示。通过统计,在完成了28个剖面测量工作中,收到完整数据的比率为64.23%,有效数据接收率达到80%的比率为71.43%,达到60%的为92.86%。通过400m浮标的海上布放及测量数据分析,可得到以下结论:·验证了400m浮标自动沉浮、数据采集、存贮和传输功能;·工作深度与预定深度基本吻合,验证了浮标重量调整方法;·成功进行了北斗系统在400m剖面漂流浮标的应用。当然,通过浮标布放后的实际剖面测量工作情况,发现存在有效数据接收率相对较低的问题。后期的浮标设计中,将采用更有效的数据压缩手段和增加重复发射次数等方式,提高浮标的有效数据接收率。4.64浮标的应用效果在试验样机海上试验基础上,经过改进的400m剖面漂流浮标工程样机,于2009年03月至04月进行了海上布放。参加海上布放试验的5台浮标分别完成了159,127,109,94和83个剖面测量工作,在共计完成了572个剖面测量中共发送数据8580条,实际接收到数据8101条,数据接收率达到94.42%,应收到定位数据572次,实际收到定位数据为553次,定位有效率达到96.