卫星导航完整版本

卫星导航技术卫星导航导航的发展卫星导航原理及其应用北斗卫星导航系统简介原理应用全球四大卫星导航系统比较北斗的战略意义主要内容导航历史

早在公元前3500年前，人类就有历史记载用大船装在货物进行商业贸易的历史。这标志了人类导航艺术的诞生。早期的导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来辨别方向的。他们通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。他们没有航海图，但他们列出了所需的方向，类似于今天的巡航向导..导航历史

当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨别南北方向。四分仪（Quadrant）航海员星盘（Mariner‘sAstrolabe）星盘（Astrolabe

）夜间记时仪器（Nocturnal）古代导航工具指南针-中国古代导航工具汉朝（BC.206－AD.220）

南宋（AD.1127-1279）

北宋（AD.960-1127）

北宋（AD.960-1127）

导航的两个关键因素

确定地球上的位置现在时间是几点?INS:惯性导航系统

CNS:天文导航系统

TAN:地形辅助导航

RNS:无线电导航系统

GNSS:全球导航卫星系统新导航定位技术脉冲星导航量子导航重力导航磁力导航冷原子导航视觉导航现代导航系统全球导航卫星系统美国GPS欧盟伽利略俄罗斯GLONASS中国北斗竞相发展的全球卫星导航系统全球导航卫星系统卫星导航卫星导航定位系统是以卫星为空间基准点，用户利用接收设备测定至卫星的距离或多普勒频移等观测量来确定其位置和速度的系统。卫星导航定位系统主要由三大部分组成：空间卫星、地面监测网和用户设备。12卫星导航的优点：全球全天候高精度多功能庞复性卫星导航卫星导航卫星定位技术是通过GNSS接收机同时接收4颗以上的GNSS卫星发出的信号来测定接收机在地球上的位置。四颗卫星可以确定一个点坐标。卫星导航用户的三维坐标(X、Y、Z)和接收机钟差(t)一共四个未知数，所以需要四个联立方程才能求解。只有跟踪到4颗卫星，才能建立四个联立方程求解。当接收机捕获到多于4颗星时，接收机会自动从卫星组中选择几何分别最合理、信号强度最好的4颗卫星进行定位求解。卫星导航x,y,z,

t卫星导航卫星充当轨道上运动的已知控制点，观测值为测站至卫星的

伪距(由时延值推算得到)由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知数：经度，纬度，高程，接收机钟差导航系统的应用导航系统的应用导航系统的应用北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（CNSS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗发展历程1、建成试验系统，实现从无到有2000年10月31日2000年12月21日2003年5月25日北斗发展历程2、星箭组批生产，启动组网发射2007年4月14日MEO卫星2009年4月15日GEO卫星2010年1月17日GEO卫星北斗发展历程2012年10月25日GEO卫星卫星运载火箭北斗发展历程3、关键技术攻关，致力持续发展北斗发展历程4、发挥系统特色，应用初见成效北斗发展历程空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成Non-GEO卫星GEO卫星星座北斗系统组成地面段：由主控站、上行注入站和监测站组成北斗系统地面段北斗系统组成用户段：由北斗用户终端以及与其它GNSS兼容的终端组成北斗系统组成三球交会测量原理双星系统定位原理图北斗定位原理北斗导航定位系统工作时，中心站的天线1定时经卫星1向用户询问是否需要定位服务。用户机平时只处于光收听不发信息的状态。一旦需要定位服务，用户机的应答信号将分别经过卫星1、卫星2传回地面中心站。中心站根据所测得的信号往返时间，可计算出中心站分别到两颗卫星再到用户机的距离。由于卫星的位置是已知的，所以可利用这两个距离测量数据进一步推算用户的位置。最后，中心站就可将该定位信号经卫星1传给用户机1。北斗导航定位系统也可确定用户的运动速度。1、二维定位的问题

由于“北斗”卫星导航定位系统是双星系统，因此，其用户接收机只能测得二维(平面)的定位数据。用户若位于海平面上，因高度为零，可以直接求得三维(平面和高度)的定位数据；但用户若位于陆地或空中，就需要利用地面控制中心的数字地图或用户自备的测高仪才能求得用户的高度，并进一步确定用户的三维坐标。若控制中心的数字地图数据库数据不够准确，尤其是要拿到非本国的地理精确数据并不容易，定位出的位置数据就会有问题。北斗定位原理2、定位时间的问题

用户的定位申请要送回地面控制中心，经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料之后再发回用户。无线电信号从地面发出，经卫星返回地面的上下行时间约为0.24-0.28秒，从用户接收器应答测距信号到接收定位结果，信号经过两次上下行链路的传送，时间约需0.56秒，加上中心控制系统的计算时间，整个定位时间约需1秒钟，即用户接收机约可在1秒钟完成定位。这1秒的定位时间对飞机、导弹这种高速运动用户嫌时间长，会加大定位的误差，因此若要进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较适合。北斗定位原理3、有源应答的问题(1)

由于“北斗”卫星导航定位系统的客户端要请求定位服务时，必须发出应答信号，即“有源应答”，如果使用者是军方单位就会使自身失去隐蔽性，且这个定位服务要求的信号也可被敌方定位，而招致攻击。另外，客户端除了要和卫星一样接收来自地面控制中心的询问信号，也要发出应答信号，因此，整个系统的同一时间内服务用户的数量便受用户可使用的通信频率数量、询问信号速率和用户的响应速率等条件的限制。北斗定位原理3、有源应答的问题(2)

“北斗”卫星导航定位系统的用户设备容量是有限的，虽然每个客户端都有专用识别码，不过一旦被破解，很容易使整个系统被敌人或有心人士以伪冒信号加以饱和，使系统瘫痪或者是传送假信息，迷惑友军。由于“北斗”卫星导航定位系统中地面控制中心扮演着系统关键角色，如：承转卫星信息、解算用户位置等，因此，一旦地面控制中心被毁，整个系统就不能运作了，这也是“北斗”系统的致命伤。北斗定位原理4、用户机的问题

系统使用的卫星是同步轨道卫星，这意味着落地信号功率很小，因此用户机需要有较大天线(直径达20厘米)才能接收信号，而且因"有源应答"运作方式，所以，用户机还要包含发射机，因此在体积(普通型用户机长20厘米、宽17.5厘米、高5.2厘米)、重量、耗电量，甚至价格都远比GPS接收机来得大、重、耗电与贵，而且这么大且重的用户机，不要说是装在导弹上，就是单兵使用都是一大负担。北斗定位原理5、抗干扰的问题

系统“有源应答”的运作模式，使得数据更新速度较慢，原本就不利于速度较快的飞机和导弹做精确定位。所以一旦配备“北斗”的飞机或导弹，被敌方干扰，其误差值要比使用GPS制导被干扰要来得大。北斗定位原理服务和性能：全球服务开放服务：定位精度:10m测速精度:0.2m/s授时精度:20ns授权服务区域服务广域差分服务定位精度:1m短报文通信服务北斗系统服务和性能

2003年北斗卫星导航试验系统正式提供服务以来，在交通、渔业、水文、气象、林业、通信、电力、救援等诸多领域得到广泛应用，产生了显著的社会效益和经济效益。北斗系统的应用交通运输

基于北斗系统的“新疆公众交通卫星监控系统”、“公路基础设施安全监控系统”、“港口高精度实时定位调度监控系统”等应用推广工作，取得了良好的示范效果。北斗系统的应用海洋渔业基于北斗系统的海洋渔业综合信息服务平台，实现了向渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。基于北斗系统的海洋渔业综合信息服务网络海洋渔业应用分布

北斗系统的应用水利

基于北斗系统的水文监测系统，实现了多山地域水文测报信息的实时传输，大大提高了灾情预报的准确性，为制定防洪抗旱调度方案提供重要的保障。北斗系统的应用气象

研制成功了一系列气象测报型北斗终端设备，提出了实用可行的系统应用解决方案，解决了国家气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输和可视化问题。基于北斗的高原地区气象监测站基于北斗的珠峰气象监测站北斗系统的应用林业

基于北斗的森林防火系统已成功用于实战，目前已经配备700多台套。北斗系统的应用通信

成功开展了北斗/GPS双模授时应用示范，突破了光纤拉远、抗干扰螺旋天线等关键技术，研发了一体化卫星授时系统。TD-SCDMA抗干扰螺旋天线北斗/GPS光纤拉远授时示意图北斗系统的应用电力

成功开展了基于北斗系统的电力时间同步应用示范，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。北斗/GPS高精度电力授时服务器北斗系统的应用救援

基于北斗系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，极大地提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。减灾中心工作人员在玉树现场利用北斗用户机报告灾情汶川地震救灾现场北斗系统的应用美国GPS欧盟伽利略俄罗斯GLONASS中国北斗北斗与其他卫星导航系统的比较覆盖范围定位原理通讯功能用户容量生存能力自主性性能价格比北斗vsGPS覆盖范围北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务，没有通讯盲区。GPS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4—11颗卫星。由于卫星信号和周围环境对GPS的使用影响较大，在某些地区，特别是市区内高楼密集地区，GPS信号接收很差，有些根本没有信号。北斗vsGPS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，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航,由用户设备独立解算自己三维定位数据。北斗vsGPS通讯功能

北斗系统同时具备定位与双向通信能力，可以独立完成移动目标的定位与调度功能，不需要其他通讯系统支持。GPS只能定位。北斗vsGPS用户容量北斗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，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS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GPS的用户设备容量是无限的。北斗vsGPS生存能力和所有导航定位卫星系统一样，北斗系统对中心控制系统的依赖性明显要大，因为定位解算在地面控制中心，而不是由用户设备完成的。GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而北斗系统从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。北斗vsGPS数据的共享性由于北斗系统是双星系统，因此，用户接收器只能测得二维(平面)的定位数据。地面中心控制系统根据地图数据库提供的高度数据解算，供用户三维(平面和高度)定位数据。若控制中心的数值地图数据库数据不够准确，定位出的位置数据就会有问题。而GPS采用的是地心坐标系，数据的共享程度比较高。北斗vsGPS自主性北斗导航系统由中国自主控制，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用GPS系统则由美国军方控制北斗vsGPS性格价格比

北斗系统使用的卫星是同步轨道卫星，其落地信号功率很小，因此，用户机需要有较大天线(直径达20cm)才能接收信号，而且因“有源应答”运作方式，所以，用户机还要包含发射机，因此在体积、重量、耗电量，甚至价格都远比GPS接收机大。北斗vsGPS北斗北斗GPS格洛纳斯伽利略历史渊源上世纪八十年代中期开始，2003年开始提供服务。20世纪70年代1978年，美国成功发射了第一颗用于GPS系统的卫星，经过20多年的建设，1994年建设完毕。几乎和GPS同时开始同时建成。99年提出计划，05年末头一颗卫星升空，预计2008年投入初步使用。覆盖范围覆盖我国本土及周边国家全球全天候全球全球（未建成）卫星数量35颗24颗24颗27颗运行卫星和3颗预备卫星（未建成）定位精度三维定位精度约几十米定位精度10米定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m定位误差不超过1米可容纳用户数量用户数量有限可容纳无限多用户无限多无限多（未建成）用户范围军民两用，民用为主军民两用，军用为主军民两用，军用为主军民