北斗双星定位通信系统

北斗双星定位通信系统面对卫星导航技术的迅猛发展和导航技术在国民经济发展和现代战争精确打击中的地位和作用，我国于２０世纪８０年代开始探索适合我国国情的卫星导航定位系统技术途径和系统方法。1983年中国科学院院士陈芳允提出了双星定位方案，与此同时美国静止卫星公司和欧洲本地卫星公司也提出了类似方案。利用两颗地球同步静止卫星实现区域性导航定位并兼有简短报文通信的双星导航定位系统。1988-1989年利用现有的两颗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实验”，证明了系统体制的正确性和可行性。实验表明定位精度与测距速率、两颗卫星的间距、测距精度和用户高度有关。1993年进一步进行双星定位系统试验，1994年双星导航定位系统工程正式启动。2000年10月31日和12月21日，我国相继成功发射了北斗系统第一颗和第二颗导航定位试验卫星，2003年5月25日在西昌发射中心用长征三号运载火箭将第三颗导航卫星送入太空。2004年北斗导航定位系统正式投入运营。双星导航定位系统简介1、系统概况由通信导航卫星、地面应用系统和测控系统组成。（1）导航通信卫星既是空间的位置基准点，也是通信中继站。三颗卫星位于距离地面约36000km高的地球静止轨道上，两颗工作卫星分别定点在东经800和1400上空，另一颗备用卫星定点在东经110.50上空。每颗卫星由有效载荷、电源、测控、姿态和轨道控制、推进、热控、结构等分系统组成。卫星上设置有两套转发器，一套构成从地面中心到用户的通信链，另一套构成从用户到地面中心的通信链。（2）地面测控网地面测控网包括主控站、测轨站、气压测高站和校准站。A、主控站：位于北京，控制整个系统工作。1）接收卫星发射的遥测信号，向卫星发射遥控指令，控制卫星的运行、姿态和工作。2）控制各测轨站的工作，收集他们的测量数据，对卫星进行测轨、定位，结合卫星的动力学、运动学模型，制作卫星星历。3）实现卫星与用户间的双向通信，并测量电波在中心、卫星、用户间的传播时间（或距离）。4）收集来自测高站的海拔高度数据和校准站的系统误差校正数据。5）主控站利用测得的主控站、卫星和用户间电波往返传播时间、气压高度数据、误差校正数据和卫星星历数据，结合存储在计算中心的系统覆盖区数字地图，对用户进行精确定位。6）系统中各用户通过与计算中心的通信，可间接实现用户与用户间通信。由于主控站集中了系统中全部用户的位置和航迹等信息，可方便地实现对覆盖区内的用户进行识别、监测与控制。B、测轨站：设置在位置坐标精确已知的地点，作为卫星定位的位置基准点，测量卫星与测轨站间电波传播时间（距离），以多边定位方法确定卫星的空间位置。一般需要设置三个或三个以上的测轨站，为获得较好的几何精度系数，各测轨站间的距离应拉开。目前双星系统的三个测轨站分别为佳木斯、湛江和喀什。各测轨站将测量数据通过卫星发送至主控站，由主控站进行卫星位置的解算。C、测高站：设置在系统覆盖区内，用气压式高度计测量测高站所在地区的海拔高度。通常一个测高站测得的数据粗略地代表其周围100-200km地区的海拔高度。海拔高度与该地区的大地水准面高度之和为实际地形距离基准椭球面的高度。测高站的测量数据通过卫星发送给主控站。D、校准站：分布在坐标已知的系统覆盖区内，所用设备与工作方式与用户相同。由主控站对其进行定位，将主控站解算的校准站位置坐标与实际坐标相减求得差值，由此差值形成了用户定位修正值。一个校准站的修正值一般可用来修正其周围100-200km内的用户位置。（3）用户设备用户设备是带有全向收发天线的接收和转发器，用于接收卫星发射的S波段信号，从中提取由主控站发送给用户的数字信息。用户设备简单，仅有接收和转发设备，成本低。用户设备的特点：1）快速开机定位功能：用户开机几秒钟可定位，其他系统需要几分钟。2）位置报告功能：用户与用户、用户管理部门，以及地面中心之间均可实行双向报文通信，传递位置及其他信息，目前其他系统不具备该功能。3）双向授时功能：其他系统不具备该功能。北斗系统采用有源定位体制，使得系统在用户容量、定位精度、隐蔽性和定位频度等方面受到一定限制，无测速功能，不能满足远程精确打击武器的制导要求。优点是投资少，具有其他系统不具备的位置报告功能，性价比较高，具有中国特色。2、系统的主要技术指标（1）服务区域：700-1450（E），50-550（N）（2）动态性能与环境条件：适合于用户机载体瞬时速度小于1000km/h的动静态用户使用。陆上用户在有树木轻微遮挡条件下能正常使用。（3）用户容量：系统可为下列用户提供每小时54万次服务。一类用户机10000-20000个，适合于单兵携带用户，5-10min服务一次；二类用户5500个，适用于汽车、坦克、装甲车、舰船及直升飞机等用户，10-60s服务一次；三类用户20-100个，每1-5s服务一次，适合于机载和高速运动。（4）数据阻塞率小于10-3。（5）数据误码率小于10-5。（6）定位精度：平面位置精度（1

）20m（不设标校机区域100m），高程控制精度（1

）10m。（1

表示达到指标的概率为0.68）。（7）简短报文通信：用户每次最多可传送120个汉字信息。（8）授时精度（相对控制中心时间系统）：单向传递精度100ns，双向传递精度20ns。（9）工作频段：中心站至卫星：C波段，上行6GHZ，下行4GHZ；用户机至卫星：上行为L波段，1610-1626.5MHz；下行为S波段：2483.5-2500MHz。（10）用户机对卫星的可工作仰角范围：100-750。（11）传输速率：上行16.625kbps，下行31.25kbps。（12）定位响应时间：从定位申请到获得位置数据的时间，一类用户小于5s，二类用户小于2s，三类用户小于1s。（13）一次定位成功率：95%（14）时间系统：协调世界时UTC，精度

1s（15）坐标系统：1954北京坐标系，1985高程北斗双星导航定位系统服务区域双星定位系统解算方法双星导航定位系统的定位原理为三球交会测量原理：地面中心通过两颗卫星向用户广播询问信号（出站信号），根据用户响应的应答信号（入站信号）测量并计算出用户到两颗卫星的距离；根据中心存储的数字地图或用户字带测高仪测出的高程，计算出用户到地心的距离。根据三个距离确定用户的位置，并通过出站信号将定位结果告知用户；授时与报文通信功能也在出入站信号的传输过程中实现。1、系统基本工作过程：由地面中心向卫星1和卫星2同时发送出站询问信号（C波段）；两颗工作卫星接收后，经卫星上的转发器变频放大后，向服务区内的用户广播（S波段）；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入站信号（L波段，包括用户的申请服务内容），经过卫星转发给地面中心（C波段）；地面中心接收解调用户发送的信号，分别测量出用户所在点至两颗卫星的距离，再根据用户申请服务内容进行相关数据处理。2、基本定位方程系统测量的是电波在测控中心、两颗卫星和用户间往返传播的时间，换算为相应的观测距离分别为地面中心用户s1s2

1

1卫星1卫星2根据L1、L2和用户高程，可联立求解用户的空间直角坐标分量（X、Y、Z）根据解算方法的不同，分为：代入法、相似椭球法、交会法和近似椭求法。３、定位解算的三边交会法设测站点的大地高为Ｈ，测站法线到短轴的距离为观测值

3，与1

、2三边交会于测站点上。根据椭球几何学，椭球短轴上o

点的空间直角坐标Ｘ1,Ｙ1,Ｚ1卫星１卫星２子午面ＺYＮＨＸ,Ｙ,ＺＸ2,Ｙ2,Ｚ2ba

b

1a

2赤道上空

３Ｂoo

测站点到o

点的距离为式中，B为测站点纬度，N为测站点卯酉圈曲率半径，e2为椭球偏心率。观测方程为设观测方程的右函数为将非线性观测方程线性化，在用户近似坐标处展开，写成矩阵设方程组的系数矩阵为其中根据空间直角坐标与大地坐标的转换关系可将系数矩阵A进一步改写为用户坐标改正数向量为示例：设卫星S1和S2的坐标为别为:(X1,Y1,Z1)42164000(cos800,sin800,0),(X2,Y2,Z2)42164000(cos1400,sin1400,0)。地面控制中心北京坐标为：(X3,Y3,Z3)42164000(cos400cos116.40,sin400sin116.40,sin400)。观测值为：L1=149626086.869m,L1=144796561.605m观测站概略大地坐标为：（B，L，H）=(30038,114047,50m)试利用三边交会法完成定位计算？（1）已知参数:椭球长半径a=6378137m，e=0.081819190842622，R=42164000m（2）计算卯酉圈曲率半径：N0=（3）计算测站近似空间直角坐标：

[X0，Y0，Z0]=[-2.25893106,5.00687,3.23101106]（4）计算卫星1、卫星2和地面控制,中心的坐标：

[X1，Y1，Z1]=[7.3217106,4.15234107,0][X2，Y2，Z2]=[-3.22995107,2.71025107,0][X3，Y3，Z3]=[-1.43615107,2.8931107,2.71025107](5)计算测站与卫星的近似距离，以及控制中心与卫星的距离。

01=3.78904107

02=3.74311107S1=4.60954107S2=3.6351107(6)计算系数矩阵A：(7)计算自由项（距离差）：

[L1，L2，L3]=[49.9998,-49.9997,5435.2](8)计算坐标改正数：[X，Y，Z]=Inverse[A][L1，L2，L3]=[-230.739,894.307,9130.02](9)计算改正后的测站坐标：[X,Y,Z]=[X0,Y0,Z0]+[X,Y,Z]=[-2.25916106,5.00776106,3.24014106]4、定位解算的相似椭球法卫星１卫星２子午面ＺYＮＨＸ,Ｙ,ＺＸ1,Ｙ1,Ｚ1Ｘ2,Ｙ2,Ｚ2ba

b

1a

2赤道上空

３Ｂoo

所谓的相似椭球是指中心重合、三轴重合、偏心率相等的椭球。如图所示，设测站大地高为H，则通过测站的相似椭球方程为根据相似关系可得将相似椭球的长短半径代入相似椭球方程中，并考虑相似椭球的偏心率可得可得观测方程：解算方法与三边交会法相同，根据用户的近似坐标（B，L）查询或计算H和N的值。李贵琦和吴延忠（1991年）模拟了几种解算方法，解算点经度范围为700-1600E，纬度范围为100-550N，见下表。表明几种计算方法从精度和计算时间上差别不大。从精度、时间和难易三种指标看，三边交会法为好。刘基余1993年用高程代入法、相似椭球法、近似椭球法、三边交会法等四种方法进行了仿真计算，也得到了相似结论，即三边交会法是北斗一号导航定位解算用户位置的最好方法，而高程代入法不适用于低纬度地区的用户位置计算。不同解算方法精度比较北斗系统定位误差分析同步卫星定位系统的主要误差源有卫星位置误差、大气传播延迟修正残差、转发延迟误差、高程误差和用户机测距误差等。这些误差的大小还与测站、卫星、控制中心的相对几何结构有关。1、用户机测距误差：两部分。（1）地面中心接到用户应答信号并进行相关处理取得总传播延迟的测定误差，当码频率为4MHZ时，相关处理的等效距离误差为3-5m。（2）用户机接收询问信号后发播应答信号的时间延迟，分为系统性延迟和随机性延迟。系统性延迟指应答延迟中不变的分量，可根据出厂时的检定值按常差加以修正。随机延迟是经检定后的残差，随时间不断变化，包括检定误差和检定后的变化部分。引起导航定位误差的主要因素是随机延迟。不同用户机有不同的误差量级，一般估计等效测距误差为2-5m。2、卫星位置误差：包括沿相对地心矢径方向的径向分量

S、在卫星瞬时轨道面上垂直于矢径并指向卫星运动方向的

T和沿轨道面法线并按右手规则取向的W。一般卫星位置误差的径向分量直接影响等效距离误差，其他两个分量以小于一个数量级的程度影响等效距离误差，一般估计等效距离误差达到3-5m。3、卫星转发延迟误差：中心站的询问信号和用户机的应答信号经卫星变频、转发而产生的信号延迟。4、大气传播延迟修正残差：包括对流层和电离层，通常使用模型加以改正。5、高程测定误差：同步卫星导航定位系统中的高程是另行测定的，不属于可归结为等效距离误差的误差源，其测定误差是以另一类观测量的误差来影响定位结果。使用气压高程计测定用户机的高程一般精度为几十米；如果测区设有标校站，高程精度可达数米；如果采用高程数据库迭代读取的高程精度取决于高程数据库精度。2

2

的高密度高程数据库往往使用地形图读取。高程误差的产生包括原地形图的高差误差，以及地形图采集数据网格化和用网格点内插用户点高程误差。一般估计用高程数据库读取高程的误差为5-10m。几何定位精度系数用户的导航定位精度不但与定位系统的误差源的误差量级有关，而且与用户、卫星和主控站的相对几何结构有关。几何结构好，定位精度高。为描述几何结构与定位精度的互动关系，引入几何定位精度系数。以交会法为例，基本观测方程为设两卫星的坐标分别为（X1，Y1，Z1）和（X2，Y2，Z2），对观测方程去全微分并用增量代替系数矩阵与测站、卫星和主控站间相对几何关系有关。系数矩阵可逆，求逆后可得定义通过卫星取得的距离观测量

L1和L2的权为1，通过数字高程模型或气压测高得到的观测量L3的权为其中，为双星定位系统等效距离标准差，H为数字高程模型高程误差或气压测高误差，则随机误差L的权阵为按照随机向量误差传播定律，可得随机误差L引起用户坐标协方差：根据协方差定义有位置几何精度因子或几何误差系数为示例：设等效距离误差

=20m，高程H=10m，其他数据与前面三边交会法相同，则系数矩阵为一般地面使用大地坐标，因此使用前述三维空间坐标推导几何误差系数，其“几何意义并不明显”。为此要概略讨论大地经度、大地纬度定位误差与地面点位的几何关系。一般双星定位是先确定空间直角坐标，在空间直角坐标转换为大地坐标，即上式两端近似微分后有从上式可见，第一式不含大地纬度，精度的确定误差与纬度关系不大；第二式含大地纬度的正弦项且在分母上，表明纬度的确定误差与纬度关系极大，当测站点在赤道附近时B0，会导致不能定位或定位精度极差。北斗系统定位误差分布为了减弱误差的影响，系统在佳木斯、湛江和喀什建有3个测轨标校站，以便高精度确定两颗地球同步卫星在赤道上空的位置。在全国各地建有33个标校站，该标校站有准确测定的地固坐标，以确定双星系统的相应修正量，采用差分技术对用户进行差分修正，使双星系统的定位精度有了较大的提高和较均匀的误差分布。。高程误差5m的定位精度高程误差10m的定位精度高程误差100m的定位精度基本型用户机静动态试验结果与分析基本型用户机的组成划分为天线、高频模块、中频数字信号处理模块、数据处理终端软硬件模块、电源模块等。其外形结构如图所示。所用仪器：北京星地恒通公司生产的北斗双星定位系统基本型用户机。静态试验：两台基本型用户机设置在同一控制点上进行同步观测，主菜单的参数设置中的天线高为10m，采用自动导航定位方式，自动定位时间间隔为10s，采用1954年北京坐标系，显示输出高斯平面坐标。试验时间：2003年8月10日-19日，8月31日-9月5日，每天0.5-2小时不等。静态试验结果：（1）北斗系统x值（北纬）变化较大（2555283-255339），y值（东经）较为稳定（19743646-19743690），短信发报功能强；（2）GPS单点定位精度较高，观测值波动较小。见表。用户机序号定位波动范围/m定位中误差/m1X:2555295-2555339Y:19743662-197436905.453.862X:2555283-2555333Y:19743646-197436865.894.19DGPSX:2555299.9-2555314.1Y:19743662.1-19743674.71.721.74备注试验点坐标：x=2555309.1,y=19743670.0静态试验结果（f表示观测试验频次；试验点坐标：x=2555309.1,y=19743670.0北斗1号x、y坐标观测值分布图GPS的x、y坐标观测值分布图动态试验设备：中海达HD8000B实时差分GPS一套，北斗一号基本型用户机两台。试验方法：将上述接收机天线安置在“426号”测量船的同一位置，GPS每隔2s定位一次，定位数据自动记录；北斗一号接收机每隔20s定位一次，定位数据手工记录。DGPD与北斗双星基本用户机海上动态定位试验结果比较见下表。用户机序号定位值之差波动范围/m互差均方差/m1号机与DGPS之差

X:-17-+10

Y:-11-+135.8385.6632号机与DGPS之差

X:-22-+19

Y:-13-+197.9115.489备注在双星定位显示的定位精度为20m的定位点资料中随机抽取的220个实验点。海上动态定位ＤＧＰＳ与北斗双星系统的x值之差海上动态定位ＤＧＰＳ与北斗双星系统的y值之差双星定位系统的特点（１）具有简短通信功能：可广泛应用于实时指挥、调度系统需要用户向指挥部或调度室及时报告所在位置；而其他系统需要另外的通信联路。（２）简化了卫星载荷和用户机的技术要求：卫星的主要功能是进行信号的转发，用户机主要是接收来自于卫星的询问信号和转发应答信号。但对军用用户，发射信号不利。（３）天然差分系统：同步导航卫星定位系统的简短通信功能提供了差分导航定位的便利条件，解决了一般差分导航需要另建数据通信联路问题。（4）地面中心技术密集，导致用户量有一定限制。（5）精度分布不均，空中和静态用户精度低：精度分布北高南低，赤道上甚至无解；而空中用户只能自行测定用户高程，精度低。（6）陆地用户需要高程数据库支持。综上：同步卫星导航定位系统具有性能投入比高的特点，对发展中国家也许是最佳选择，但系统的运行需要具备良好的基础测量条件，否则地面高程数据库的建立工程十分浩大。中国第二代导航卫星系统展望由于北斗一号导航系统需要中心站提供数字高程数据和用户机发送上行信号，使得系统用户容量、隐蔽性等受到限制，再体制上不能与国际上的GPS、GLONASS和伽利略系统接轨。中国需要在第一代导航卫星系统的基础上发展第二代导航卫星系统（童凯，2004）。第二代导航卫星系统体制：用户机可免发上行信号，不再依靠中心站高程图和用户提供高程信息，而直接通过接收卫星单程测距信号来定位，系统的用户容量不再受到限制，并可提高用户位置隐蔽性。相应的代价是测距精度要由星载高精度卫星钟来保证，用户机使用低稳定度的石英钟，该钟差与用户位置一并由四个以上卫星测距方程求解。要求的卫星数和系统投资增加，并要建立高精度的卫星轨道基准和时间基准。同时需要加快向国际电联申请和协调，以获取对中国未来导航频率的国际保护。第二代导航卫星系统发展途径（1）充分保证民用导航精度：开发民用市场、批量生产廉价接收机，普及民用逐步取代进口，形成产业。吸取俄罗斯的经验：GLON