北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)介紹

北斗衛(wèi)星導航安全1201馬振鑫目錄1.發(fā)展歷程

2.組成部分3.定位的基本原理

4.應用前景5.與GPS導航系統(tǒng)的比較全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)一、發(fā)展歷程北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞是中國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),縮寫為BDS。截至目前，我國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設的“三步走”規(guī)劃已成功實現(xiàn)第一、二步。第一步：2000年建成了北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，使中國成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。第二步：建設北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務能力。第三步：2020年左右，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)形成全球覆蓋能力。北斗的進展穩(wěn)步推進2000年10月31日東經(jīng)140度2000年12月21日東經(jīng)80度2003年5月25日東經(jīng)110.5度一、發(fā)展歷程2007年4月14日MEO衛(wèi)星2009年4月15日GEO衛(wèi)星2010年1月17日GEO衛(wèi)星一、發(fā)展歷程一、發(fā)展歷程二、系統(tǒng)組成（1）空間段由5顆GEO（靜止軌道）衛(wèi)星和30顆Non-GEO（非靜止軌道）衛(wèi)星組成

空間星座GEO衛(wèi)星MEO衛(wèi)星

系統(tǒng)中的衛(wèi)星是空間導航站，即在空間的位置基準點，也是通信中繼站，它是離地約36000km高的地球靜止衛(wèi)星。由三顆北斗一號衛(wèi)星組成，兩顆衛(wèi)星分別定點在東經(jīng)80°、東經(jīng)140°上空,另一顆在軌備份衛(wèi)星定點在東經(jīng)110.5°上空。每顆衛(wèi)星由有效載荷、電源、測控、姿態(tài)和軌道控制、推進、熱控、結構等分系統(tǒng)組成。衛(wèi)星上設置兩套轉發(fā)器，一套構成地面中心到用戶的通信鏈，另一套構成由用戶到地面中心的通信鏈。衛(wèi)星波束覆蓋我國領土和周邊地區(qū)，主要滿足國內(nèi)導航通信需要。二、系統(tǒng)組成2)地面測控網(wǎng)(1)主控站(計算中心)、測軌站、氣壓測高站和校準站。主控站設在北京，控制整個系統(tǒng)工作，主要任務有：接收衛(wèi)星發(fā)射的遙測信號；向衛(wèi)星發(fā)送遙控指令，控制衛(wèi)星的運行、姿態(tài)和工作。控制各測軌站的工作，收集它們的測量數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星進行測軌、定位，結合衛(wèi)星的動力學、運動學模型，制作衛(wèi)星星歷。實現(xiàn)中心與用戶間的雙向通信，并測量電波在中心、衛(wèi)星、用戶間往返的傳播時間(或距離)。二、系統(tǒng)組成2)地面測控網(wǎng)(2)主控站利用測得的主控站、衛(wèi)星與用戶間電波往返的傳播時間、氣壓高度數(shù)據(jù)、誤差校正數(shù)據(jù)和衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，結合存儲在計算中心的系統(tǒng)覆蓋區(qū)數(shù)字地圖，對用戶進行精確定位。系統(tǒng)中各用戶通過與計算中心的通信，間接地實現(xiàn)用戶與用戶之間的通信。由于主控站集中了系統(tǒng)中全部用戶的位置、航跡等信息，可方便地實現(xiàn)對覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶進行識別、監(jiān)視和控制。二、系統(tǒng)組成2)地面測控網(wǎng)(3)

測軌站設置在位置坐標準確已知的地點，作為對衛(wèi)星定位的位置基準點，測量衛(wèi)星和測軌站間電波傳播時間(或距離),以多邊定位方法確定衛(wèi)星的空間位置。一般需設置三個或三個以上的測軌站,各測軌站之間應盡可能地拉開距離,以得到較好的幾何精度系數(shù)。三個測軌站分別設在佳木斯、喀什和湛江。各測軌站將測量數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星發(fā)送至主控站，由主控站進行衛(wèi)星位置的解算。二、系統(tǒng)組成2)地面測控網(wǎng)(4)

校準站亦分布在系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)，其位置坐標應準確已知。校準站的設備及其工作方式與用戶機及其工作方式完全相同。由主控站對其進行定位，將主控站解算出的校準站的位置坐標與校準站的實際位置坐標相減，求得差值，由此差值形成用戶定位修正值。一個校準站的修正值一般可用來作為其周圍100～200km區(qū)域內(nèi)用戶的定位修正值。二、系統(tǒng)組成2)地面測控網(wǎng)(5)

測高站設置在系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)，用氣壓式高度計測量測高站所在地區(qū)的海拔高度。通常一個測高站測得的數(shù)據(jù)粗略地代表其周圍100～200km地區(qū)的海拔高度。海拔高度與該地區(qū)大地水準面高度之代數(shù)和,即為該地區(qū)實際地形離基準橢球面的高度。各測高站將測量的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星發(fā)送至主控站。一般的測軌站、測高站、校準站均是無人值守自動數(shù)據(jù)測量、收集中心，在主控站控制下工作。二、系統(tǒng)組成二、系統(tǒng)組成（2）地面段由主控站、主控站(計算中心)、測軌站、氣壓測高站和校準站。組成。二、系統(tǒng)組成（3）用戶段由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO等其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端組成北斗系統(tǒng)的用戶終端二、系統(tǒng)組成

雙星通信導航定位系統(tǒng)采用雙星定位體制，系統(tǒng)中用戶的點位是利用衛(wèi)星位置、用戶至衛(wèi)星的斜距以及用戶的大地高計算出來的，如何由衛(wèi)星位置、兩條斜距和大地高計算用戶的位置就是系統(tǒng)的定位原理問題。系統(tǒng)的定位原理可以從幾何和代數(shù)兩個方面來描述。三、定位的基本原理幾何原理以衛(wèi)星為球心，以衛(wèi)星至測站(用戶)的斜距為半徑，可以作兩個大球，在滿足—定條件下，兩大球面相交形成交線圓，并穿過赤道面，在地球的南半球和北半球各有一個交點、其中一個交點就是用戶的點位，在已知用戶大地高時，可惟一確定用戶的位置。三、定位的基本原理

根據(jù)系統(tǒng)定位的幾何原理和幾何分析，要惟一確定用戶的點位必須滿足以下3個條件：兩衛(wèi)星間的弦長必須小于兩斜距之和，即兩衛(wèi)星間的最大夾角不得超過162°。否則以衛(wèi)星至用戶的斜距為半徑的兩個大球不能形成交線圓。當兩衛(wèi)星的弧距為60°時，幾何精度最好。交線圓必須與用戶水平面相交，否則產(chǎn)生同步衛(wèi)星定位的“模糊區(qū)”。必須已知用戶點的大地高。三、定位的基本原理代數(shù)原理是指如何利用已知的衛(wèi)星位置、觀測站應答詢問信號之后的觀測量與測站點位坐標之間的函數(shù)關系，進行測站(用戶)的位置解算。一個測站（用戶）應答詢問信號之后可得兩個觀測量方程。Xs和Xu分別為衛(wèi)星坐標矢量和測站(用戶)坐標矢量(式1)三、定位的基本原理

用戶坐標Xu是空間三維坐標，即式1的兩個方程含三個未知數(shù)。若能給出用戶的第三維坐標，則可求解用戶的其余兩維坐標。用戶坐標可以是地固直角坐標(X,Y,Z)或大地坐標(λ,?,H)，日常生活中多用大地坐標表示地點位位。利用該式可以得到含大地高度的大地經(jīng)緯度λ和?的表達式，只有給定用戶的大地高H，才能求出λ、?的具體數(shù)值，即雙星定位需要知道大地高。(式1)三、定位的基本原理雙星系統(tǒng)定位原理圖三、定位的基本原理

用戶所在點大地高為H，用戶點位緯度處的卯酉圈曲率半徑(卯酉圈曲率半徑恰好等于橢球面和短軸之間的一段法線的長度，亦即卯酉圈的曲率中心位于橢球的旋轉軸上)Ne。N=Ne+H，可看成是一個觀測量，則又可以組成一個觀測方程Xo’為過用戶的法線與短軸交點O′坐標矢量，其值為

這樣在給定用戶大地高H時，此式與上式聯(lián)立得到三個觀測方程，便可解算出用戶三維坐標。實際工作中用戶大地高H由地面中心的數(shù)字化地形圖或用戶攜帶的氣壓測高儀提供。(式2)三、定位的基本原理

更具體的表述：定位采用三球交會測量原理。地面中心通過兩顆衛(wèi)星向用戶廣播詢問信號(出站信號),根據(jù)用戶響應的應答信號(入站信號)測量并計算出用戶到兩顆衛(wèi)星的距離；然后根據(jù)中心存儲的數(shù)字地圖或用戶自帶測高儀測出的高程，算出用戶到地心的距離，根據(jù)這三個距離就可以確定用戶的位置，并通過出站信號將定位結果告知用戶。授時和報文通信功能也在這種出、入站信號的傳輸過程中同時實現(xiàn)。三、定位的基本原理

短報文通信：北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息。

精密授時：北斗系統(tǒng)具有精密授時功能，可向用戶提供20ns-100ns時間同步精度。

定位精度：水平精度100米，設立標校站之后為20米(類似差分狀態(tài))。工作頻率：2491.75MHz。

系統(tǒng)容納的最大用戶數(shù)：540000戶/小時。四、應用前景北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已成功應用于諸多領域，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。特別是在2008年北京奧運會、汶川抗震救災中發(fā)揮了重要作用。四、應用前景

軍用功能：“北斗”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的軍事功能與GPS類似，如：飛機、導彈、水面艦艇和潛艇的定位導航；彈道導彈機動發(fā)射車、自行火炮與多管火箭發(fā)射車等武器載具發(fā)射位置的快速定位，以縮短反應時間；人員搜救、水上排雷定位等。四、應用前景

民用功能：

1.個人位置服務

當你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導航接收芯片的手機或車載衛(wèi)星導航裝置找到你要走的路線。

2.氣象應用

北斗導航衛(wèi)星氣象應用的開展，可以促進我國天氣分析和數(shù)值天氣預報、氣候變化監(jiān)測和預測，也可以提高空間天氣預警業(yè)務水平，提升我國氣象防災減災的能力。

四、應用前景3.道路交通管理

衛(wèi)星導航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車輛上安裝衛(wèi)星導航接收機和數(shù)據(jù)發(fā)射機，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內(nèi)自動轉發(fā)到中心站。

4.鐵路智能交通

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將提供高可靠、高精度的定位、測速、授時服務，促進鐵路交通的現(xiàn)代化，實現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度向智能交通管理的轉型。

四、應用前景5.海運和水運

6.航空運輸

7.應急救援四、應用前景覆蓋范圍衛(wèi)星數(shù)量服務能力定位原理定位精度北斗導航VSGPS五、對比GPS覆蓋范圍

北斗導航系統(tǒng)是覆蓋中國本土的區(qū)域導航系統(tǒng)，覆蓋范圍東經(jīng)約70°-140°，北緯5°-55°。

GPS是覆蓋全球的全天候導航系統(tǒng)，能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到6-9顆衛(wèi)星(實際上最多能觀測到11顆)。五、對比GPS

數(shù)量軌道

北斗導航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛(wèi)星，衛(wèi)星的赤道角距約60°。

GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛(wèi)星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。GPS導航衛(wèi)星軌道為準同步軌道，繞地球一周11小時58分。

五、對比GPS

用戶容量

北斗導航系統(tǒng)由于是主動雙向測距的詢問--應答系統(tǒng)，用戶設備與地球同步衛(wèi)星之間不僅要接收地面中心控制系統(tǒng)的詢問信號，還要求用戶設備向同步衛(wèi)星發(fā)射應答信號，這樣，系統(tǒng)的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應頻率。因此，北斗導航系統(tǒng)的用戶設備容量是有限的。GPS是單向測距系統(tǒng)，用戶設備只要接收導航衛(wèi)星發(fā)出的導航電文即可進行測距定位，因此GPS的用戶設備容量是無限的。

生存能力

和所有導航定位衛(wèi)星系統(tǒng)一樣，"北斗一號"基于中心控制系統(tǒng)和衛(wèi)星的工作，但是"北斗一號"對中心控制系統(tǒng)的依賴性明顯要大很多，因為定位解算在那里而不是由用戶設備完成的。為了彌補這種系統(tǒng)易損性，GPS正在發(fā)展星際橫向數(shù)據(jù)鏈技術，使萬一主控站被毀后GPS衛(wèi)星可以獨立運行。而"北斗一號"系統(tǒng)從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統(tǒng)受