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        北斗衛星導航系統常見問題解答

        2013-08-28 11:34:04 來源: 測繪論壇
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         關于北斗衛星導航系統

        北斗衛星導航系統自建成以來,在廣大軍迷中引起強烈反響。但是由于種種原因,部分網友對北斗系統還不是很了解,因此也產生了一些誤會。這里對北斗衛星導航系統進行簡要介紹,并對一些常見問題進行解答,希望對大家有所幫助。
         
        一、北斗系統簡介
         
          北京時間2003525日零時34分,我國在西昌衛星發射中心用"長征三號甲"運載火箭,成功地將我國自行研制的第三顆"北斗一號"導航定位衛星送入太空。這標志著我國已建立了完善的自主衛星導航系統,對我國國民經濟建設將起到積極作用。
         
          北斗衛星導航系統是我國自主建立的衛星導航系統,覆蓋中國全境及周邊國家地區。它由兩顆工作星和一顆備份星組成。此次發射的第三顆"北斗一號"衛星是備份衛星,前兩顆"北斗一號"衛星分別于20001031日和1221日發射升空,該系統已經于2001年底開通運行。目前世界上只有少數國家具備了自主建設衛星導航系統的能力。第三顆"北斗一號"衛星成功進入預定軌道,標志著我國自主建設的北斗衛星導航系統全面建立。
         
        北斗導航系統在國際電信聯盟登記的頻段為衛星無線電定位業務頻段,上行為L頻段(頻率161016265MHz),下行為S頻段(頻率248352500MHz);登記的衛星位置為赤道面東經80度、140度和1105度(最后一個為備份星星位)。
         
          與國外的導航定位系統相比,北斗衛星導航系統是我國自行開發研制,具有自主知識產權、自主控制的區域性衛星導航定位系統。它將定位導航與衛星通信集成一體,能夠全天候、全天時提供衛星導航和通信服務。北斗系統具有快速定位、短報文通信、精密授時三大功能,可為服務區域內用戶提供全天候、高精度、快速實時位置服務,定位精度與GPS相當;用戶終端具有雙向數字報文通信能力,用戶可以一次傳送多達120個漢字的短報文信息;具有精密授時功能,可向用戶提供20ns時間同步精度。
         
        目前北斗系統工作穩定,狀態良好,在西部和跨省區運營車輛、沿海和內河船舶的監控救援,水利、氣象、石油、海洋和森林防火的信息采集,通信、電力網絡的精確授時,公安保衛、邊防巡邏、海岸緝私和交通管理的導航通信等方面有廣泛的應用,市場前景看好。
         
        二、常見問題解答
         
        1、北斗衛星導航系統兩顆星如何定位?
         
          北斗系統由2顆地球靜止衛星(GEO)對用戶雙向測距,由1個配有電子高程圖庫的地面中心站進行位置解算。定位由用戶終端向中心站發出請求,中心站對其進行位置解算后將定位信息發送給該用戶。它的定位基于三球交會原理,即以2顆衛星的已知坐標為圓心,各以測定的本星至用戶機距離為半徑,形成2個球面,用戶機必然位于這2個球面交線的圓弧上。中心站電子高程地圖庫提供的是一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。求解圓弧線與地球表面交點,并已知目標在赤道平面北側,即可獲得用戶的二維位置。
         
        2、北斗衛星導航系統有哪三大功能?
         
        快速定位:北斗導航系統可為服務區域內用戶提供全天候、高精度、快速實時定位服務。
        簡短通信:北斗系統用戶終端具有雙向數字報文通信能力,可以一次傳送超過100個漢字的信息。
        精密授時:北斗導航系統具有單向和雙向兩種授時功能。根據不同的精度要求,利用授時終端,完成與北斗導航系統之間的時間和頻率同步,可提供數十納秒級的時間同步精度。
         
        3、北斗衛星導航系統適用于哪些應用領域?
         
          北斗衛星導航系統可以在服務區域內任何時間、任何地點,為用戶確定其所在的地理經緯度,并提供雙向通信服務。系統可以為船舶運輸、公路交通、鐵路運輸、野外作業、水文測報、森林防火、漁業生產、勘察設計、環境監測等眾多行業以及其他有特殊調度指揮要求的單位提供定位、通信和授時等綜合服務。例如在西部和跨省區運營車輛、沿海和內河船舶的監控救援,水利、氣象、石油、海洋和森林防火的信息采集,通信、電力、鐵路網絡的精確授時,公安保衛、邊防巡邏、海岸緝私和交通管理的導航通信等。
         
        4、利用北斗系統導航定位有何優勢?
         
        北斗應用五大優勢:
        同時具備定位與通訊功能,無需其他通訊系統支持
        覆蓋中國及周邊國家和地區,24小時全天候服務,無通信盲區
        特別適合集團用戶大范圍監控與管理和數據采集用戶數據傳輸應用
        融合北斗導航定位系統和衛星增強系統兩大資源,提供更豐富的增值服務
        自主系統、高強度加密設計,安全、可靠、穩定,適合關鍵部門應用
         
        5、北斗系統與GPS相比有何特點?
         
        北斗導航系統同時具備定位與雙向通信能力,可以獨立完成移動目標的定位與調度功能;GPS系統本身不具備通信能力,需要和其他通訊系統結合才能實現移動目標的遠程定位與監控功能。
        北斗導航系統是區域性導航系統,GPS系統是全球性導航系統。
        北斗導航系統由我國自主控制,而GPS系統則是由美國軍方控制。
        6、北斗用戶機有哪些類型?
         
        依據北斗用戶機的應用環境和功能的不同,可以將北斗用戶機分為五類:
         
        基本型:適合于一般車輛\船舶及便攜等用戶的導航定位應用,可接收和發送定位及通信信息,與中心站及其他用戶終端雙向通信。
         
        通信型:適合于野外作業、水文測報、環境監測等各類數據采集和數據傳輸用戶,可接收和發送短信息、報文,與中心站和其他用戶終端進行雙向或單向通信。
         
        授時型:適合于授時、校時、時間同步等用戶,可提供數十納秒級的時間同步精度。
         
        指揮型用戶機:適合于小型指揮中心指揮調度、監控管理等應用,具有鑒別、指揮下屬其他北斗用戶機的功能。可與下屬北斗用戶機及中心站進行通信,接收下屬用戶的報文,并向下屬用戶發播指令。
         
        多模型用戶機:既能接收北斗衛星定位和通信信息,又可利用GPS系統或GPS增強系統導航定位。適合于對位置信息要求比較高的用戶。
         
        7、北斗導航系統有哪幾種具體應用模式?
         
        北斗導航系統依據用戶的實際應用環境可以有以下應用模式:
         
        小型集團監控應用——移動目標配置基本型北斗用戶機,集團監控中心配置指揮型用戶機和相應的計算機設備及監控軟件,快速構建實用的監控管理應用系統。
         
        大型集團監控應用——移動目標配置基本型北斗用戶機,集團監控中心配置北斗天璣指揮所設備,通過地面網絡接入北斗運營服務中心,完成大規模、跨區域的移動目標監控管理和指揮調度。
         
        自主導航應用——利用北斗基本型用戶機、多模型用戶機進行車輛、船舶等的自主導航。
         
        通信應用——利用北斗通信終端,實現點對點、點對多點的通信。這種應用模式適合于各類數據采集和數據傳輸用戶,如水文觀測、環境監測等。
         
        授時應用——利用北斗授時終端,進行通信、電力、鐵路等網絡的精確授時、校時、時間同步等應用。
         
        北斗運營服務系統的信息咨詢和受托研究應用——北斗運營服務系統積聚了大量"北斗衛星導航系統"GPS系統的導航定位信息,此外,還將積聚了大量運輸和物流信息。通過這些數據和相應的模型可以為用戶提供信息咨詢和受托研究服務。
         
        8、北斗能否成為全球性系統
         
        北斗衛星導航系統由兩顆工作衛星和一顆備份衛星組成,可以全天候全天時提供區域衛星導航信息,在任何時間任何地點確定中國用戶地理位置,實現無縫覆蓋。該系統已經于2001年底開通運行,并為中國經濟發展服務。
         
          據中國運載火箭型號總指揮黃春平介紹,中國的北斗衛星導航系統服務范圍包括中國大陸及東南海域所有地域,屬區域性系統。目前該系統發射三顆星的投資較少,適合中國當前經濟能力和有關方面的需求。根據經濟發展的實際情況,可以考慮發展成為準全球性系統。另據了解,全球性衛星定位系統衛星數量在24顆左右,準全球性系統的衛星數量在6顆左右。
         
        9、第一代北斗系統的缺點在哪里
         
        北斗導航系統的研制成功解決了中國自主衛星導航定位系統的有無問題。它是一個成功的、實用的、投資很少的初級起步系統。此外,該系統的建設并不排斥國內民用市場對GPS的廣泛使用。相反,在該系統的基礎上,還將建立中國的GPS廣域差分系統,可使受SA干擾的GPS民用碼接收機的定位精度由百米量級修正至數米級,可以更好地促進GPS在民間的利用。
         
        但是,北斗導航系統需要中心站提供數字高程圖數據和用戶機發上行信號,從而使系統用戶容量、導航定位維數、隱蔽性等方面受到限制,在體制上不能與國際上的GPSGLONASS及將來的伽利略兼容。因此,中國還需要在第一代導航衛星系統成就的基礎上發展第二代導航衛星系統,以滿足今后國家對衛星導航應用和長遠經濟發展的需求。
         
        10、北斗的定位精度如何?
         
        在網絡上軍迷們爭論最多的就是北斗系統的定位精度問題。由于北斗系統更多的細節尚沒有正式公布,因此我們無法斷定其精度到底如何?只能從部分公開的資料來進行分析。在北斗星通公司的網站上,我發現了這樣一段話:……北斗系統具有快速定位、短報文通信、精密授時三大功能,可為服務區域內用戶提供全天候、高精度、快速實時位置服務,定位精度與GPS相當……(http://www.navchina.com/news/beidou1.asp
         
        眾所周知GPS對民用的定位精度是百米級,軍用是米級。從北斗的定位原理來看,目前要達到米級是不太現實的,因此基于北斗星通公司的資料,我們可以初步確定,第一代北斗衛星導航系統的定位精度至少應該可以達到百米級。
         
        三、如何發展中國第二代導航衛星系統
         
        1.第二代導航衛星系統的體制
         
          第二代導航衛星系統與第一代導航衛星系統在體制上的差別主要是:第二代用戶機可免發上行信號,不再依靠中心站電子高程圖處理或由用戶提供高程信息,而是直接接收衛星單程測距信號自己定位,系統的用戶容量不受限制,并可提高用戶位置隱蔽性。其代價是:測距精度要由星載高穩定度的原子鐘來保證,所有用戶機使用穩定度較低的石英鐘,其時鐘誤差作為未知數和用戶的三維未知位置參數一起由4個以上的衛星測距方程來求解。這就要求用戶在每一時刻至少可見4顆以上幾何位置合適的衛星進行測距,從而使得星座所需衛星數量大大增多,系統投資將顯著增加。建立高精度衛星軌道基準和衛星時間基準是新衛星導航系統技術的核心,需要開展深入的研究工作。為了獲取對中國未來的導航頻率的國際保護,需要加快向國際電聯申請和協調。
         
          中國第二代導航衛星系統復雜,全系統的設計研制和運行管理尚缺少經驗,但中國對衛星的測控技術已有一定基礎。北斗導航系統和廣域差分系統的研發直接為中國第二代導航系統的研制和運行鍛煉了技術隊伍和積累了經驗,各地面臺、站設施等可在第一代導航衛星系統已有設備基礎上進行擴建,衛星平臺、運載火箭、雙向數據移動通信等均可以繼承或采用成熟技術。國內GPS的廣泛應用為中國未來的衛星導航提供了應用基礎和廣闊的市場。發展新一代導航衛星系統不僅是必要的,而且在技術、經濟上也是可行的。
         
        2.第二代導航衛星系統發展途徑
         
          (1)充分保證民用導航精度
         
          提供雙頻信號以消除電離層引起的誤差,不實施SA干擾降低導航精度,CA碼公眾自由使用并與國際格式兼容,不收費用;對授權用戶提供雙頻和廣域差分信息,以進一步提高導航精度和提供準實時完好性信息。GPS廣泛開發民間應用,形成重要產業,其軍民用之比已達120。由于民用接收機的普及、批量生產和商業競爭,民用產品的數字化、小型化和性能大大提高,價格顯著下降,反過來又促進了GPS的軍事應用,更大程度地滿足了需求。相反,俄羅斯沒有開發民用市場,軍用接收機只生產了2000部,價格昂貴,性能不高。因此,中國在建立第二代導航系統的同時,應發揮中國導航CA碼精度高、含有亞洲區域加強系統的優勢,首先開發國內民用市場,開發出批量生產的廉價國產導航接收機,普及國內民間應用,逐步取代進口產品,形成產業,進而開發中外導航信號雙模式兼容、并可接受區域加強的高精度高可用性接收機,進一步拓寬需高安全性的中外用戶在亞洲的應用市場,逐步建立中國導航系統今后持續發展的物質基礎,為將來發展全球性的國際市場做好準備。建議中國指定相應領導部門加強民用衛星導航的開發和應用工作的管理。
         
          (2)以建立全球導航系統為長遠目標,分步實施
         
          中國的衛星導航系統究竟應該是區域的還是全球的,這是中國導航界專家廣泛關注的一個重要問題。當前為了首先確保在國內及附近海域的需求(少數國際民航飛機和航海船只除外),并力求減少初期一次性投資額度,在近期內仍以建成北半球約120度經度范圍內的區域系統為宜。但從長遠發展打算,中國經濟和科學技術的發展離不開衛星導航,低軌飛行器的定軌也要求有全球導航系統支撐,要認真考慮中國區域系統今后順利發展成為全球系統的可能性。這也有利于和俄羅斯、歐洲一起打破美國GPS獨霸世界的局面,有利于民用方面今后開發導航產業的國際市場,滿足國際航空、航海和航天器全球導航的需要。因此,從前瞻性考慮,建議以建立全球導航系統為長遠目標,按技術經濟條件采取先區域后全球的兩步實施方針。實現這一方針的可行性在于當前區域系統必須和未來全球系統在體制上兼容,區域星座可以擴展為全球星座,今后可根據中國國力和實際需要,隨著后續衛星的發射,以最小的代價平穩地發展成全球系統。這一技術途徑的可行性在于尋找到合適的衛星星座,下面為可考慮的幾種區域星座軌道類型。
         
        1地球靜止軌道(GEO:衛星星座可一天24小時靜止在規定的赤道位置上空,提供本區域導航服務,衛星利用率高。這就是北斗導航系統采用的星座,而且地球靜止衛星也廣泛應用于全球導航系統的區域增強系統。由于地球靜止軌道衛星都處于赤道面內,受導航定位所需幾何構形的限制,每個用戶只能最多利用2顆相間隔30度以上經度的衛星。全區域究竟布設幾顆地球靜止軌道衛星則取決于導航服務區域大小,但單用地球靜止軌道衛星是不夠的,還必須有相對于地球移動的高緯度衛星參與導航星座。
         
        2、大橢圓軌道衛星星座:最典型的是俄羅斯用于高緯度地區廣播衛星的“閃電”12小時衛星軌道。這是一種大偏心率(通常取07左右)軌道,軌道傾角6343度,其遠地點在北半球本國高緯度上空,星下點軌跡移動緩慢,5日內可保持近10小時有效運行。一個軌道面內均勻分布3顆星,即可保持一個高緯度星位的連續存在。其近地點在南半球,停留時間很短,衛星高度很低,用戶可見區域范圍小,對用戶的導航貢獻小。另有一個遠地點在地球背面,經度上遠離服務區,本區域系統不能加以利用。另外,這種軌道的衛星高度變化劇烈,對信道設計很不利。因此,對大橢圓軌道不予考慮。
         
        3傾斜地球同步軌道(IGSO:衛星星座的軌道傾角為556343度的24小時地球同步軌道,即所謂的大“8”字形軌道,中心位于赤道某設定的經度上,高度與地球靜止軌道衛星相同,衛星星下點24小時軌跡在本服務區內南北來回運動,也是一種利用效率較高的區域星座,但只限于在本經度區域內使用。在立足于國內臺站測控的條件下,中國采用9顆傾斜地球同步軌道衛星與4顆地球靜止軌道衛星相結合可以建立區域導航系統,但接近服務區邊緣處因衛星定軌精度下降導致導航精度明顯惡化。歐洲曾對這種軌道星座方案作了多年研究,并企圖在全球尋找幾個區域系統聯網成全球系統的合作伙伴未果,最終放棄了這種方案。如果中國采用這種軌道星座,將來發展成為全球系統是不可能的。
         
        4中高度圓軌道(MEO)衛星星座:這是一種周期為12小時,傾角為556343度的軌道,是經過GPSGLONASS系統成功運行證明性能優良的全球星座軌道。分析計算證明,24顆傾角為55度的MEO衛星分布在3個軌道面內,可滿足全球導航精度(3個傾角為5474度的軌道面通過地心相互正交,衛星在全球分布最均勻,明顯優于GPS6個軌道面)。這種單一由MEO衛星組成的星座必須布滿全部24顆衛星才能有效地投入運行,如要滿足民航可用性要求和精密近進,則必須增加地球靜止軌道衛星(GEO)進行區域加強,或大量增加MEO衛星。由于每一MEO衛星星下點軌跡歷經全球,其優點是可立足于本國國土內測控所有衛星。中國服務區地處北緯55度以南(實際上南半球地區同樣可以服務),東西經度范圍很大,占全球13,平均每顆星約有23的時間可為本區域系統內的用戶服務。采用其12顆星的子星座與4顆地球靜止軌道衛星相結合(12MEO4GEO),可滿足區域系統的導航要求。如果后續布滿24顆衛星,則發展成為高精度區域加強的全球系統,可達到民航精密近進導航要求。下表為各類軌道星座HDOPVDOP值的比較,其中HDOP為水平幾何放大因子,VDOP為垂直幾何放大因子,它們和測距精度相乘可分別獲得水平與垂直定位精度。比較數據表明所建議的軌道和GLONASS型軌道都可滿足要求。前者,全球星座的精度更好;后者,所有中高度圓軌道衛星都歷經同一星下點軌跡,有利于消除地球重力異常對星座內各衛星影響的差異,同一地面站可以分時監控到所有軌道面的衛星。
         
        四、北斗用戶機的類型及其功能
         
        北斗用戶機是北斗導航定位系統的用戶終端設備,根據執行任務的不同,北斗用戶機可分為定位通信型(基本型用戶機)、通信型、授時型和管理型(指揮型用戶機);按照裝載方式的不同,北斗用戶機可分為手持式、車載式、船載式、機載式等類型。(看上去好像并沒有傳說中的那樣大,呵呵)
        北斗用戶機主要功能
         
        定位功能:可以進行手動、自動和緊急定位設定,向中心站發出定位請求,并接收中心站發出的定位結果。在顯示屏上顯示經度、緯度、高程、時間及定位精度等信息。
         
        通信功能:可以接收中心站發出的短報文信息,顯示報文內容并將接收到的信息存儲,以便查詢。可編輯發送電文及編輯發送固定電文。
         
        導航功能:可以設定、預置、存儲航路點、航線,可自動計算偏航距離,偏航后還可以自動報警。
         
        設置功能:可以對定位方式、通信頻度、高程基準、坐標形式(大地、高斯、麥卡托)、顯示信息方式等多種參數進行預設。
         
        加密功能:可對信息進行加密/解密處理,以保證用戶數據的安全性。
         
        五、北斗導航定位系統圖示
         
        北斗導航定位系統由北斗導航定位衛星、地面控制中心站為主的地面部分、北斗用戶終端三部分組成。其結構和原理如下圖所示:
        北斗集團用戶信息服務系統項目于2001年通過立項評審,2002年底完成了系統研制并順利通過驗收評審。北斗星通公司成為國內首家獲得授權的北斗導航定位系統運營服務商,并于2002年在北京航天城建成北斗運營服務中心。該中心是北斗集團用戶信息服務系統門戶的第一個出口,為用戶提供的北斗信息由北斗集團用戶信息服務系統經專用光纖被推送至中心,再由中心分送至各集團用戶中心,從而實現了對各類集團用戶的信息服務:
        為集團用戶提供入網和計費服務
        為集團用戶提供多種方式的接入服務:PSTN(公眾電話網)FR(幀中繼)DDN(專用數字網)VSAT(衛星接入)
        為集團用戶提供其下屬終端用戶的位置、短報文等信息服務
        可將用戶信息長期保存,用戶通過E-MAIL/WWW等方式隨時查詢
        為數據采集用戶提供定位和數據傳輸服務
        為氣象、物流等部門提供信息咨詢、受托研究等服務
         
        北斗系統首家用戶陜南水利進入試運行
         
          近日,隨著北斗第三顆星的成功升空,國內首家應用北斗系統的簽約用戶——陜南水利的“陜南水利雨量監測速報系統”也已安裝調試完畢,進入試運行階段,近期即將全面開通。該系統由西安山脈公司和北斗星通衛星導航技術有限公司(以下簡稱北斗星通公司)共同建造,依托北斗衛星導航定位系統,憑借其自主性和無通訊盲區的優勢,突破陜南多山地域水文測報信息的傳輸瓶頸,通過北斗衛星鏈路,實現了陜南漢中安康商洛三地市用戶所需的水文水情信息的實時傳輸,從而大大提高該地區雨情、水情、旱情和災情信息采集的準確性及傳輸的時效性,并對其發展趨勢做出及時、準確的預測和預報,為制定防洪抗旱調度方案提供重要的科學依據,對陜南水利的發展起到積極的推動作用。該系統的建成從根本上解決了在流域內偏遠地區及山區內部署自動測站的通信問題,為今后水利、水電部門實現全流域水情自動測報提供了重要手段。
        陜南地區是一個典型的多山地區,目前主要采用短波、超短波、郵電電話和衛星小站來進行數據采集及信息傳輸,其超短波網絡受到秦嶺、秦巴山脈及雷電影響,無法及時正常工作,這就為當地的防洪搶險決策部門的決策造成了極大的不便。由于北斗系統具有自主性和無通訊盲區的特點,通過北斗衛星鏈路,可以實時傳輸用戶所需的水文水情信息,從而保證了水情預報的可靠性和數據的完好性,為決策部門提供了重要的科學依據。“陜南水利雨量監測速報系統”于200212月開始建立,20034月底首批用戶ID號已經提供到用戶手中,目前該系統已處于試運行階段,其功能齊全,運行穩定可靠,所有的終端測站在2分鐘內全部收齊;終端測站與數據采集系統連接簡單,操作方便,安裝簡易。
         
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