北斗卫星定位

北斗卫星定位（共11篇）

北斗卫星定位 篇1

随着我国工业化的快速发展,对矿产资源的需求日趋增加。尽快发现新的矿产资源地,成为地质行业面临的重大问题,而位于地表浅层及交通便利地区的各种矿产已经陆续被发现和开发,地质找矿工作不得不转向交通不便、通讯盲区,甚至无人区。

在地形条件复杂、地理环境恶劣的无人区和通讯盲区,野外技术人员经常面对各种困难和危险,如遭遇毒蛇咬伤、高空坠落、沼泽湖泊、牧狗甚至野兽、洪水等。此外,与当地牧民发生矛盾也常危及工作及生命安全。当险情发生时,野外人员唯一依赖的GPS或卫星电话失灵无疑是最致命的,有些危险常常在瞬间发生,根本来不及通过卫星电话寻求救援,野外基地或车载中心也由于不能实时掌握野外工作人员的动态信息,从而失去主动救援的良机。

细数历来发生野外失踪人员,最终遇难的在多数,幸免于难的凤毛麟角,主要原因就在于搜救人员是被动的了解有人可能失踪,失踪时间、失踪位置,都无法知道,只能靠推测,开展地毯式排查的方法来搜救,这期间不仅浪费大量财力人力物力,更重要的错失了营救的最佳时期。这些血的教训历历在目,时有发生。随着我国每年地质勘查工作任务量不断增大,由于野外地质工作安全保障程度低、风险大,地质勘查行业每年伤亡人数持续上升,地质勘查行业已列入高危行业[1]。

由此可见,研发野外无人区、通讯盲区技术人员追踪定位系统的必要性和紧迫性,本文提出了一种基于北斗卫星的野外通信盲区追踪定位系统,以实现野外通信盲区对工作人员实时追踪与定位。

一、系统整体框图

本野外追踪定位系统主要有两部分构成,配备给野外工作人员的手持定位导航终端与营地的监控指挥中心,系统总体框图如图1。

手持定位导航终端包括GPS模块、北斗模块与装载安卓操作系统组成的一体式手持式设备,实现定位导航、精密授时、短报文通信和紧急报警等功能;监控指挥中心由北斗卫星一体机、中心服务器、数据库和监控平台组成,拥有人员实时定位、数据通信、路径查询与紧急报警等功能。

二、手持定位导航终端

卫星定位导航系统如今常用的有GPS卫星定位系统与北斗卫星定位系统两种,GPS是美国从20世纪60年代提出方1993年全面建成的卫星导航系统,具有定位精度高,定位速度快的优势,目前已被广泛应用于各行各业[2]。北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统,具有一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力[3]。自2011年12月27日起,北斗卫星导航系统开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。其范围覆盖中国及周边国家和地区,24小时全天候服务,无通信盲区,具备定位与通信功能,无需其他通信系统支持,比起其他的导航系统,北斗的短报文通信服务,具有无与伦比的优势,从而可以使中心控制系统与用户终端之间进行数据通信。

本系统的手持定位导航终端采用的是智星通公司的BD-S-01A北斗手持终端,该手持终端包括GPS模块、北斗模块与装载安卓操作系统组成的一体式手持式设备。设备有GPS卫星和北斗卫星双定位导航系统并内嵌离线地图,同时具有短报文通信、精密授时与紧急报警功能,机内配置的电池能够保证终端持续工作8小时以上(发射频度不超过1次/分钟)。

将GPS和北斗定位导航系统结合在一起使用[4],不仅可以充分发挥GPS定位导航的优势,增加定位精度,而且发挥北斗的用户终端和中心系统的通信功能,有助于实现野外工作人员的定位、导航、通讯、指挥、调度等工作,同时为各种突发事件提供安全、可靠、便捷的通讯保障服务。

野外工作人员配备手持定位导航终端后,可查看自己的当前位置,进行定位和导航,并且接收来自监控指挥中心的指令或向中心反馈勘查情况。而营地监控人员通过定位终端返回系统的信息,可以了解勘查人员的行走路线和出勤情况等,一旦发生紧急情况,营地监控人员可以根据各野外工作人员所在位置,进行规划抢救,安排人员最快赶赴现场,确保了野外人员的生命安危。

三、监控指挥中心

营地监控指挥中心可让营地人员实时了解与指挥野外工作人员,由北斗卫星一体机、监控平台和数据库构成。

北斗一体机是手持定位导航终端与监控平台通信的枢纽。营地监控指挥中心的北斗卫星一体机不但能够定位和通信,还可实时监控下属用户的位置和通信信息,实现对野外工作人员的监控指挥,北斗一体机将各野外人员的位置及短消息等信息传回营地中心的数据库,供监控平台调用。

监控平台是营地指挥中心人员的系统操作平台,为中心人员提供了野外工作人员的位置信息、行走路线信息、与野外人员互通信、历史工作统计查询等功能。平台采用B/S的构架方式,结合Google Map API的GIS(Geographic Information System,地理信息系统)作为地图定位基础服务,在地图上直接的实时显示各野外人员的位置与路径,并了解当地的地形特性信息,为营地中心的指挥工作提供了支持和帮助。在出现意外事故的时候,监控平台可实现紧急报警通知,进行紧急救援处理。

数据库是监控平台与数据存储中心,用于存储卫星地图、野外人员返回的实时与历史位置、通信及指令信息。监控平台通过调用数据库的数据来实现系统数据的存储、管理与备份。

3.1 北斗数据接收协议

北斗一体机是将北斗处理芯片与天线合为一体设备,可获取定位导航终端上传的经纬度、海拔、电池电量与短消息等信息,营地中心可及时掌握各个野外工作人员的情况,及时发现异常状况。并向各手持定位导航终端发送通信信息和命令指令等。

中心服务器与北斗一体机由RS-232串口通信接口连接,可对北斗设备进行数据通信、参数配置和故障诊断等功能。北斗卫星的通信协议主要包括IC检测、定位申请与通信数据这三类。接口数据传输基本格式如表1:

其中每段数据包都由‘$’开头,数据包头的“指令”用以识别各个不同的命令,传输时以ASCII码表示,每个ASCII码为一个字节,如通信信息的指令为“$TXXX”;“长度”表示从起始符“$”开始到“校验和”(含校验和)为止的数据总字节数;“用户地址”为与北斗用户机ID号,长度为3字节,其中有效位为低21bit,高3bit填“0”;“信息内容”用二进制原码表示,各参数项按格式要求的长度填充,不满长度要求时,高位补“0”。信息按整字节传输,多字节信息先传高位字节,后传低位字节;“校验和”是指从“指令或内容”起始符“$”起到“校验和”前一字节,按字节异或的结果。

北斗卫星连续2次发送通信至少需要1分钟的时间间隔,同时北斗二类民用用户一次只能传输最多77字节的数据。为了让监控指挥中心能获得各野外工作人员的位置与情况,本系统将北斗通信协议信息内容的前13字节固定用于传输经度、纬度、海拔、电池电量与报警指令等内容,最后64字节作为短消息使用,数据包协议分配如表2:

营地中心的北斗将会每隔1分钟接收一次各野外人员手持终端传回的信息,将数据包解析后,判断是否触发紧急短信报警,同时将发送用户ID号、GPS位置、设备的电池电量、短消息等信息保存入数据库,等待监控平台的调用。

3.2基于Google Maps API的监控平台系统

Google Maps API通过地图服务应用接口将应用开发平台和地理信息数据捆绑,将复杂的地理信息系统底层进行封装,用户可不必了解它的技术细节就能在应用中快速构建基础地理底图[5],进行各种专题要素及地图查询等网络地图服务,从而快速地在网站中构建功能丰富、交互性强的地图应用程序。该系统正是以Google Maps API为基础,采用Javascript脚本语言进行扩展开发,在地图上显示野外人员的行走线路。

如图2所示,基于Google Maps API接口实现的监控平台,软件构架主要分为三大块模块,监控平台模块、地图模块与数据模块。监控平台系统采用B/S的构架方式,包含实时位置显示、历史路迹查询、指令发送接收、短消息查询与人员设备管理等功能。地图模块系统通过Google Map地图引擎以及Google Map基础地理数据,来实现监控平台的可视化管理方式。

数据模块用于存储所以野外人员的行走路径、通信及指令信息、各人员设备的基本信息和分配信息、系统实时运行数据等。数据模块为监控平台系统提供了的数据存储、管理和备份服务。

监控平台显示实际效果图3。野外人员通过北斗定位终端的手持设备,将其位置信息实时传回营地中心,营地中心的监控平台将各人员行程信息显示在地图上,营地中心的指挥人员可以通过监控平台进行实时监控人员的经纬度、海拔、设备电池电量与历史通信记录等相关信息。一旦出现事故,户外人员通过北斗手持设备一键报警!营地中心最迟会在1分钟内接收到报警信息。同时,返回的数据中包括野外人员的北斗设备电池电量,一旦检测到电池电量不足,会发出警报提醒更换电池。若不幸失去联络,营地中心可更具最后一次所在地点与断电时间推断野外人员位置,最大限度的保证了野外人员的生命安全!

四、结论

本文提出了一种基于北斗卫星的野外定位跟踪系统,利用我国自发研制的北斗卫星定位系统应用于野外勘查领域,并通过测试验证了系统的可行性与可靠性。野外工作人员通过手持式北斗定位导航终端,实时将其位置信息发送回营地中心。营地中心以Google Maps API接口实现的监控平台,采用B/S构架方式,实时显示人员位置,历史路径查询,短消息查询与设备管理等功能,系统能为野外勘查路线实时指挥与保障了人员生命健康。

参考文献

[1]李季.地质勘探事故统计分析及对策研究[J].中国安全生产科学技术,2011-383-86

[2]陈磊,梁强.GPS原理及应用简介[J].科技信息(学术研究),2008,(22):188-190.

[3]王青,吴一红.北斗系统在基于位置服务中的应用[J].卫星与网络,2010,(4):40-41.

[4]陈俊,张雷,王远飞.基于北斗和GPS的森林防火人员调度指挥系统[J].软件,2012(2):27-30

[5]李艳.基于地图API的Web地图服务及应用研究[J].地理信息世界,2010,04(2):54~57

北斗卫星定位 篇2

你可能会问："GPS不是挺好用得吗，为什么还要研究北斗呢？”因为GPS不是中国造！在台海l危机中，大陆向台湾附近的东海海域发射了三枚导弹以示警告，但竟有两枚导弹偏离了航向，大大偏离了原定落点，而这却是因为美国关闭了GPS系统。此次事件后，中国加强了建造北斗导航系统的决心。

但下决心归下决心，建造我可不简单，由于我们起步晚，适合卫星导航的黄金频段已被美俄占取。在尽力争取下，国际电联终于同意开放一小段公共频率供各国卫星导航使用。，我国与欧洲的伽利略系统同时牵下“对赌协议”：7年之内，卫星一定要上天！在4月16日晚8点多，我可算成功升空了，赶上了卫星导航的“末班车”，而那时，离最后期限还不到4小时，那一仗，可吓死我了。

随着时间的推移，越来越多的卫星加入了我们北斗系统，随着今天上午9时43分最后一颗卫星成功发射，北斗卫星系统正式收官，我们中国在导航方面终于不用再受他国的制约了！

北斗导航定位系统发展研究 篇3

关键词北斗导航定位系统;经济;国防建设

中图分类号TN967.1文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)111-0138-01

北斗双星导航定位系统简称CNSS是我国自行研制的区域性卫星定位与通信系统,能够覆盖我国全部国土,可向用户提供全天候、高精度、大范围的定位服务。三维定位精度约几十米,授时精度约100ns。它和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo并称为全球四大卫星导航定位系统。该系统的建立将对我国国防和国民经济建设发挥重要作用。近年,我国在西昌卫星发射中心陆续将几颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道,标志着我国北斗卫星导航定位系统组网建设又迈出重要一步。目前,我国北斗导航卫星已进入密集发射组网阶段。

1北斗双星导航定位系统组成及定位原理

北斗导航定位系统是由空间部分、用户终端设备和地面中心处理站三部分组成。空间部分包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星;地面中心处理站包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站;用户终端包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。系统可包括多个用户管理机构,也可以设置若干个地面标准站。

1)空间部分:由两颗地球同步卫星、一个在轨卫星构成,卫星上带有信号转发装置,执行地面中心站与用户终端的双向无线电信号的中继任务。导航卫星不主动向用户发送无线电导航电文,这一点与GPS和GLONASS卫星导航系统有根本区别。

2)用户终端:是指具有自动信号转发器能与地球同步卫星双向通信的设备。其主要功能有:对地面中心处理站发出的询问信号做出自动响应,并自动发送应答信号;在应答信号中置入与其他用户终端进行交换的通讯信息;接收和显示地面中心处理站经卫星转发的本用户终端的位置数据和通讯信息。

3)地面中心处理站:是整个导航定位系统的中枢,负责无线电信号的转发及整个工作系统的监控管理。北斗导航定位系统的突出特点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单,一切复杂性过程集中于地面中心处理站。

北斗卫星导航定位系统采用的是“双星定位”,基本定位原理为三球交会测量原理:以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心,各以测定的卫星至用户终端的距离为半径,形成2个球面,用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站从存储在计算机内的数字化地图得到用户高程值,提供一个以地心为球心,以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面,地面中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标,这个坐标经加密由出站信号发送给用户。由于用户至卫星的距离是通过用户终端向卫星发送信号,由信号到达卫星时间的差值计算得到的,所以北斗导航定位系统属于“有源定位”。

2北斗导航定位系统特点

1)定位方式。北斗导航卫星定位系统是一种双星定位系统与GPS多星定位系统有本质的不同。美国的GPS使用24颗卫星(还另有3颗备份卫星)组成网络,这些卫星不间断地向地面站发回精确的时间和星历数据。而北斗导航系统对所有用户位置的处理在地面中心站完成,而不是在卫星上进行的。地面中心站保留全部北斗用户的位置及时间信息,并监控管理整个系统。北斗导航采用的是有源定位,而GPS是无源定位。有源定位用户的位置信息通过地面中心站联系,就不需要通过其他的通讯卫星进行通讯,节省了空间卫星的数目,一星多用符合我国国情。

2)覆盖区域。北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。北斗导航卫星位于东经80度和140度距离地面高36000公里的地球同步轨道上,覆盖范围为北纬5°-55°,东经70°-140°,并没能覆盖全球的范围。区域性是我国双星定位的技术特点、水平以及国家需求决定的。而GPS是覆盖全球的全天候导航系统。

3)实时性。北斗导航定位系统中卫星接收到用户位置信息要送回地面中心控制系统进行处理,中心控制系统解算出用户的位置数据后再发回给用户,这期间通过卫星转发,地面中心控制系统的数据处理,使实时性受到影响,定位精度降低。

由此可见,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和通讯功能的优点。缺点是不能覆盖全球,保密性差,用户容量受到一定限制。

3结束语

我国北斗导航定位系统目前还有很多缺陷和GPS系统相比还有很多不完善的地方,应用也没GPS那么广泛,但它是我国自主研制的导航定位系统,对于发展我国国民经济,加强国防建设,促进我国卫星导航定位事业的发展,具有重大的经济和社会意义。北斗导航定位系统作为我国自主研制的第一代卫星导航定位系统,进一步减少对国外导航定位系统的依赖性也有着重要意义。

北斗导航定位系统的最大优势的是具有导航定位和通信的双重功能,虽然容量有限,但它的通讯功能让它在军民两方面都拥有巨大的应用前景,有专家称北斗系统是一个生命线工程,因为配有北斗接收设备的求救者可在一秒钟内发出呼救信号并随即能得到控制中心的响应和施救。北斗系统作为一个空中监视系统在所有的有线系统都瘫痪的情况下,仍旧可以及时报告灾情位置和发送相关援救信息。作战时北斗系统可为中国军队提供精确制导,为战场的士兵提供准确的战场环境资料。如5.12文川大地中后,北斗导航定位系统在通信中断的情况下就发挥了重要作用,救灾部队利用携带的北斗系统陆续发回各种灾情和救援信息,为部署援救方案提供了重要的帮助。2008年北京奥运会期间的交通和场馆的安全监控方面同样也应用到了北斗导航定位系统。

随着我国北斗导航定位系统的不断完善,北斗卫星导航系统将会在船舶运输、交通运输、野外作业、水文测报、森林防火、渔业生产、勘察设计、环境监测等众多行业和场合以及其他有特殊调度指挥要求的单位提供定位、通信和授时等综合服务。

参考文献

[1]张志龙,华克强,孙淑光.北斗导航系统与GPS组合在民航的应用,2005,7.

[2]党玮.模块化数字式气压高度表的研制和GPS双星定位方案预研,南京航空航天大学,2005.

[3]高汉增.北斗导航定位系统介绍即其发展设想,中国航海学会航标专业委员会无线电导航学组”2003年会”论文集,2003.

北斗卫星定位 篇4

1 北斗卫星导航系统组成及主要技术指标

1.1 北斗卫星导航系统组成

1.1.1 空间卫星部分

两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星。其三颗卫星的登记位置为东经80°、140°和110.5°, 其中前两颗卫星位置的经度相距60°, 最后一颗为备份星星位。

1.1.2 地面控制部分

由一个中心控制站及若干个标校组成。中心控制站位于北京, 是一个系统的管理控制处理中心, 同时与两颗工作卫星进行双向通信, 完成对每个用户的精确定位, 并将定位信息通过卫星直接发送给用户或用户管理中心。30多个标校站均设置于已知精确位置的固定点上, 用于对整工作链路中各环节的时延特性进行监测和标校处理。

1.1.3 用户接收机

北斗用户机种类多、功能各异, 根据北斗用户机的应用环境和功能的不同, 通常用户机有普通型、通信型、授时型和指挥型4种类型。

1.2 北斗卫星导航主要技术指标

主要技术指标包括:

1) 服务区域:70°～145°E, 5°～55°N。东至日本以东, 西至阿富汗的喀布尔, 南至南沙群岛、北至俄罗斯的贝加尔湖, 涵盖了中国全境、西太平洋海域、日本、菲律宾、印度、蒙古、东南亚等周边国家和地区。

2) 定位精度:平面位置精度一般为100m (1б) , 设标校站之后为20m, 高程控制精度10m。

3) 授时精度:单向传递100ns, 双向传递20ns。

4) 工作频率: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。

5) 传输速率:上行16.625kb/s, 下行31.25kb/s。

6) 双向数据通信能力:一般72byte/次 (即36个汉字/次) , 经核准的用户利用连续传送方式最多240byte/次 (即120个汉字/次) 。

7) 用户机对卫星的可工作仰角范围:用户机对卫星的工作仰角范围为10°～75°。

8) 定位响应时间:一类用户机<5s, 二类用户机

9) 时间系统和坐标系统:时间系统采用UTC (世界协调时) , 精度≤±1μs。坐标系采用1954年北京坐标系和1985年中国国家高程系统。

2 北斗导航系统的定位原理

北斗导航又称双星快速定位通讯系统, 双星定位法是一种根据时间-测距原理的定位方法。这种方法能利用定点于赤道上不同经度位置上空的2颗地球静止轨道卫星和一些辅助手段, 为工作区内用户提供连续、实时的定位信息。

具体方法为:赤道上空两颗地球同步卫星的位置是精确已知的:S1 (X1、Y1、Z1) 和S2 (X2、Y2、Z2) , 地面中心处理站的位置也被精确测定 (X0、Y0、Z0) , 设用户位置为 (XU、YU、ZU) 。

首先由地面中心处理站向卫星S1发送非编址通用询问无线电信号 (此询问讯号面向全部用户) , 卫星S1接收并对此信号进行简单的频率变换后再转发给用户。用户的收发机接收此信号后, 用脉冲二进制序列码信号回答。用户收发机的天线是全向波束, 卫星S1和S2接收到用户回答信号后进行频率变换再转发给地面中心处理站。中心处理站、卫星和用户之间的询问和应答电波传播流程见图1:

地面中心处理站在两个不同时刻得到由用户应答的同一个二进制脉冲序列, 站中大容量高速计算机同时进行识别处理, 测量从发出讯号至接收到用户应答信号的时间间隔。经判别有效后, 中心站自动送出一个确认信号给用户, 表明用户发送的最新信号已正确接收, 用户停止继续发送。用户收发机自动停止一段时间, 并暂时拒收其他后继询问信号。停止时间的长短视不同用户的要求而定。

地面中心处理站计算机根据测定的用户收发机 (即用户终端) 应答的时间间隔、站内储存的数字地形图和用户提供的数字测高仪数据, 处理出用户位置的地理纬度、经度和海拔高度 (或大地直角坐标X0、Y0、Z0) , 并从存储器中取出该用户前次的位置数据, 与最近的位置数据比较, 计算出用户三个坐标上的速度。由中心站解调用户应答信号中的电文信息, 再由中心站播发给用户管理机构。地面中心处理站把处理出来的用户定位、导航信息及给用户的电文, 以脉冲二进制序列码信号, 通过卫星S1转发给用户。用户收发机对卫星S发播的信号自动接收、识别后, 在液晶显示器上以字母、数字、底土和文字等形式给出用户需要的定位、导航信息和电文, 同时用户收发机自动发出“信号已成功接收”的应答信号。从地面中心处理站发出询问信号到用户获得定位和导航信息, 数据流程时间约为0.6s。

3 北斗导航系统的工作步骤

北斗卫星导航定位系统的工作步骤如下:

1) 地面控制中心向2颗卫星发送询问信号;

2) 卫星接收到询问信号, 经卫星转发器向服务区用户播送询问信号;

3) 用户响应其中1颗卫星的询问信号, 并同时向2颗卫星发送回应信号;

4) 卫星收到用户响应信号, 经卫星转发器发送回地面控制中心;

5) 地面控制中心收到用户的响应信号, 解读出用户申请的服务内容;

6) 地面控制中心利用数值地图计算出用户的三维坐标位置, 再将相关信息或通信内容发送到卫星;

7) 卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后, 经卫星转发器传送给用户或收件人。

4 北斗导航系统的优势与发展前景

综上所述, 北斗导航系统虽然和GPS全球定位系统相比有一定的差距, 但是它具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途, 可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。更重要的是, 北斗卫星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。此外, 该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反, 在此基础上还可建立中国的GPS广域差分系统。可以使GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级, 可以更好的促进GPS在民间的利用。

5 结论

随着我军高技术武器的不断发展, 对导航定位的信息支持越来越高。因此我们必须在发展“北斗一号”的基础上借鉴国外GPS、CLONASS的成功经验, 开发我国二代卫星导航系统, 我们相信, 在不久的将来, 具有先进性、适用性、军民两用、抗干扰性、抗毁灭性等特征的, 适合我国国情的“北斗二号”将展现在大家面前, 更加完善的我国卫星导航系统也必将建立。

参考文献

[1]张守信.GPS卫星测量定位理论与应用[M].国防大学出版社, 1996.

[2]吕伟, 朱建军.地矿测绘[J].2007.

第三颗北斗导航卫星发射成功 篇5

2000年建成的北斗卫星导航试验系统，使我国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个自主拥有卫星导航系统的国家。目前，我国正在实施北斗卫星导航系统建设工程，计划建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。按照总体规划，201 2年左右，该系统将以10颗以上的组网卫星为亚太地区提供导航、授时和短报文通信服务；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。该系统空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星；地面段由主控站、注入站和监测站等若干地面站组成；用户段由北斗用户终端和与GPS、格洛纳斯、伽利略等卫星导航系统兼容的终端组成。

北斗卫星导航系统工程总师孙家栋院士表示，中国完全有能力实现系统的快速组网，并为用户提供稳定可靠的服务。他说，北斗卫星导航系统将为我国信息产业带来全新的发展亮点，我国要在积极实施卫星组网工作的同时，努力开展地面应用设备的开发。同时，相关体制机制也应进行改革，以促进我国自主卫星导航系统的应用和发展。

中国北斗卫星导航系统专项管理办公室称，该系统提供开放服务和授权服务两种服务方式，前者是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度每秒0.2米，授时精度10纳秒；后者是为有高精度。高可靠卫星导航需求的用户，授权提供更好的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

北斗卫星定位 篇6

不同于美国全球定位系统 (GPS) 及俄国格洛纳斯卫星导航系统

(GLONASS) 星座由单一的MEO卫星组成, 北斗系统星座不但包含了MEO卫星, 同时还有GEO卫星和IGSO卫星。GEO卫星周期和地球自转周期一样, 并且GEO卫星轨道面和地球赤道面重合, 相对地球静止不动。IGSO卫星的轨道高度和GEO卫星的轨道高度一样, 但是和地球赤道面形成55°夹角。IGSO卫星轨道周期和地球自转周期一样。相对于地球上的观测者, IGSO卫星轨迹形似 “8”字。由于北斗系统星座与其它卫星导航定位系统有很大区别, 所以很有必要对其进行分析。

1 北斗系统导航卫星在不同纬度下的可视分析

过去有诸多学者对北斗系统的星座进行过分析, 但大多基于仿真数据。如利用仿真数据分析北斗系统星座, 探讨北斗系统星座在不同区域的可视性。该文分别以北京和近赤道地区为例计算卫星的天空视图, 结果显示, 在亚太低纬度地区, BDS的GEO和IGSO卫星全部在视野以内。在高纬度地区 (北京) , GEO卫星全

部在视野以内, 且全部分布在观测者视野的南半部分, IGSO卫星会在某些时刻运行到视野以外。为了更加客观地分析北斗系统的特点, 收集了一个轨道周期的北斗系统广播星历数据 (日期为2012年5月29日) 。其计算结果表明在亚太地区赤道附近, 所有的GEO与IGSO卫星都可视, 并且GEO卫星分布在东西方向的正上空。IGSO卫星在整个轨道周期都可跟踪到, 并且卫星高度角在整个轨道周期内大于22.5°。在亚太高纬度地区 (北京) , GEO卫星分布在观测者视角的南半部分, IGSO卫星部分时刻会运行出视野以外, 但大部分时候, IGSO卫星相对于地球上高纬度地区观测者可视。和GPS、GLONASS等卫星导航系统比较起来, 对于亚太地区的观测者, 北斗系统卫星星座具有更加高效的利用率。

2 北斗系统相对静态定位精度性能分析

目前为止, 北斗系统已经能为亚太地区提供无源定位服务。为验证北斗系统相对静态定位精度, 在北京地区利用两台BDS/GPS接收机收集了6期 (每期观测时长为20 min) 静态数据, 接收机的采样频率设置为1 Hz, 基线长度约633 m, 为了降低多路径的影响, 卫星截止高度角设为15°。采用基于MWWL组合观测值和总电子含量变化速率技术探测与修复北斗系统和GPS相位观测值周跳。这种周跳探测方法能够精确探测与修复载波相位观测值上的小周跳。利用双差相位观测值组成观测方程, 可估计出位置参数与整周模糊度浮点解, 并用最小二乘降相关分解法方法进行整周模糊度的固定, 回代观测方程, 可估计出高精度的基线向量, 结果见图1及图2。

图1和图2结果表明, 单独利用北斗系统和GPS进行基线估计, 两者的精度相当。我国北斗系统已经具有为亚太地区测绘及相关部门提供高精度的定位服务能力。

3 北斗系统实时高精度动态定位精度性能分析

GPS已广泛应用于实时高精度动态定位领域, 为大坝、桥梁等大型工程提供安全监测提供技术手段。利用单历元算法 “实时”分别处理15 min北斗系统和GPS观测值, 得到三个坐标轴方向误差的时变序列 (见图3) 。在X轴与Y轴方向上, GPS误差小于北斗系统。Z轴方向上, 北斗系统与GPS误差相当。

4 结语

到2012年底, 北斗系统已能为亚太地区提供无源导航定位服务。该文利用BDS/GPS双频接收机接收广播星历和观测数据, 计算北斗系统卫星一个轨道周期内的卫星位置, 并分析北斗卫星在亚太地区不同纬度情况下的可视情况。结果表明北斗卫星的利用率在亚太地区比GPS卫星更好。在近赤道地区, 所有北斗系统的GEO和IGSO卫星在整个轨道周期内都为可视;在高纬度地区, GEO卫星在整周轨道周期内可视, IGSO卫星在大部分的轨道周期内都可以被高纬度地区北斗系统接收机跟踪到。分别以6期 (每期20 min) 北斗系统和GPS静态观测值计算基线, 两者的精度相当, 最大偏差不超过4 mm。利用单历元算法 “实时”计算每个历元的位置变化量, 在X轴和Y轴方向上, 北斗系统的精度比GPS稍差, 在Z轴方向上, 北斗系统的精度和GPS相当。同时, X轴和Y轴上出现的较大误差并没有一种随机性, 随着北斗系统的建立和完善, 这种误差一定能够得到有效地去除和削弱。

摘要：该文通过收集北斗导航卫星的实际数据, 计算北斗系统卫星一个轨道周期内的卫星位置, 并分析北斗卫星在亚太地区不同纬度情况下的可视情况。结果表明, 北斗卫星的利用率在亚太地区比GPS卫星更好。

关键词：北斗,导航卫星,定位性能,精度

参考文献

[1]刘路沙.北斗卫星为神州导航[J].中国测绘, 2010 (4) :24-25.

北斗卫星定位 篇7

1 北斗系统硬件电路总体结构

北斗导航系统应具备以下功能: (1) 定位功能:采用的定位终端能接收到BD2/GPS定位信息。 (2) GPRS/GSM通信功能:首先, 持有北斗终端的目标可以通过无线通信网络将自己的位置定位信息传送给监控中心, 其次, 目标也可以通过无线通信接收到监控中心对其下达的指令。

按照北斗导航定位系统的需求, 文章将系统分为三大模块, 即北斗定位模块、无线通信模块和电源模块。

2 系统硬件设计

2.1 北斗定位模块设计

本系统采用和芯星通的UM220模块, UM220是双系统高性能的GNSS模块, 是一款双模定位的模块, 它可以支持GPS和北斗二号单独定位, 也可以支持GPS和北斗二号同时的双模定位。UM220具有尺寸小、重量轻、功耗低、低噪放等特性, 适用于低成本、低功耗领域。UM220模块采用+2.85V电源的有源天线时可以直接连接到模块GNSS_ANT引脚, 用户若采用非+2.85v的有源天线, 则需要为天线供电, 我们采用非+2.85v的有源天线。

2.2 单片机模块设计

单片机是整个硬件系统中的核心, 它可以用于控制BD2/GPS模块, 接收模块的定位导航信息;也可以用于控制无线通信模块, 实现通过无线通信模块与远程控制间的通信。在文章的设计中要求核心的单片机应具有双串口功能、内部存储器、丰富的外围设备、较高的信息存储、低功耗等特点。综合以上特点, 文章选用STC12C5A60S2作为控制系统的单片机。

STC12C5A60S2系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期 (1T) 的单片机, 是具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机, 其指令代码完全兼容传统的8051单片机, 但是它的速度比传统的8051快8-12倍。该单片机内部集成了MAX810专用复位电路, 8路高速10位A/D转换 (250K/S, 即25万次/秒) , 2路PWM。STC12C5A60S2单片机工作电压为3.3V-5.5V, 拥有2个UARTS, 可分别与北斗定位模块和无线通信模块连接;并支持在线调试功能, 使编写程序更加方便简单, 将开发周期大幅度缩减;其内部有较大容量存储器, 能够保证系统的数据保存。

2.3 无线通信模块设计

定位终端上的无线通信模块是实现定位终端与监控中心之间的信息传递功能, 其工作的性能在系统中起着至关重要的作用。

无线通信模块基本分为两类:不具有TCP/IP协议的模块和具有TCP/IP协议的模块和。不具有TCP/IP协议的模块是要求用户自己去编写协议, 这样会导致开发的周期变长, 难度也加大了, 因此文章选用具有TCP/IP协议的模块。

文章选择性价比较高的SIM900作为定位系统的通信模块, 将SIM900的TXD、RXD分别与单片机相连, 进行数据的传输。

2.4 各模块电路图设计

根据各个模块的功能需求, 对北斗定位模块UM220、单片机控制模块STC12C5A60S2和无线通信模块SIM900进行电路设计, 电路图如图1所示, (a) 为UM220的接口电路, (b) 为STC12C5A60S2的接口电路, (c) 为SIM900的接口电路。

3 实验结果

利用以上的设计电路, 将电路连通, 并做测试。

读取短信测试如图2 (a) , 收到的消息指收到的中文或者英文消息, 信息记录是存储在SIM卡中的所有信息, 选中信息记录中的单个信息后鼠标右键可以对信息进行解码或者显示。发送测试如图2 (b) , 输入短信后点击短信编辑后进行短信发送。图中收到的信息区显示说明发送短信成功。

4 结束语

文章提出了一种基于北斗搜寻救助定位系统的定位终端设计, 在不减少功能的情况下选用尺寸较小的模块, 时的定位中端体积减小, 更易于携带, 并通过实验证明, 系统是可行的, 并且能准确的接收到定位信息, 并且能够接收和发送短信, 这为以后的软件操作提供了保障。

摘要：北斗搜寻救助定位终端是整个系统的核心, 该文设计了一套适用于弱势群体定位终端, 重点讲述了该终端的定位模块、单片机模块以及无线通信模块的电路设计, 并通过硬件电路调试, 将终端成功运行起来, 北斗接收终端通过串口调试助手进行测试, 结果表明北斗接收机能够正常接收来自北斗卫星和GPS卫星的导航信息, 并且能接收和发送短信。

关键词：北斗卫星,定位终端,无线通信

参考文献

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北斗卫星定位 篇8

北斗卫星的导航系统简称是北斗系统,英文的缩写是BDS。北斗卫星的导航系统是我国自主研发创建的、可独立运行的,并且与世界上其他卫星系统兼容共用的全球的卫星导航系统,可以在全球范围内,全天候的为各种用户进行高精确度、高效率、高可靠性的定位、导航、授时的服务。自2012年以来北斗卫星系统的覆盖地区由原来的东经的84度-160度扩大到了现如今的东经的55度-180度,系统的定位精确度也不断提高,由过去的水平25米,高度的30米到现在的水平10米,高程10米。可以说到目前为止,中国的北斗的定位系统已经基本建好,可以独立的为中国以及周边地区提供卫星的导航定位的授时服务。中国的北斗卫星的导航系统在总体性能上与美国的GPS的性能相当。而且,我国的北斗卫星的导航系统也在积极的与美国的GPS等定位系统兼容共用。

二、北斗卫星的导航系统所用到的技术介绍

北斗卫星的定位原理,北斗卫星的导航系统是由35颗卫星在距离地球两万多千米的高空中,用固定不变的周期来环绕地球进行运行,保证在任何时间、任何地点地球上都可以同时发现观测到四颗以上的卫星。北斗卫星的接收机通常情况下可以锁定四颗或更多的卫星。这个时候,卫星的接收机可以按按卫星星座的分布状况划分许多组,每个组四颗,然后运用算法挑选一个误差最小一组来进行定位,从而可以提高定位的精确度。北斗卫星的定位使用的是到达时间差即时延的概念。通过对每一颗卫星精确的定位与不断的发送卫星上的原子钟所形成的导航消息从而取得从卫星到接收机之间的到达的时间差。

北斗卫星的导航原理是距离北斗卫星的轨道的位置与系统的时间。在地面建立的主控站和运控段的同时行动,每天至少一次的对每一颗卫星进行输入校正的数据。输入的数据有:星座当中每一颗卫星轨道的位置的测定与星上的时钟校正。所输入的校正的数据都是通过复杂的模型来进行计算得出的,一般几个星期之内是有效的。北斗卫星的定位导航的系统时间是和卫星上的原子钟与铷原子的频率要保持一致的。北斗卫星的导航原理是卫星到用户之间距离的测量是根据卫星发出信号的时间和到达的接收机时间的差距得出的,这就是伪距。而为了计算用户的具体位置与接收机的时间差,至少需要通过四颗卫星的信号进行计算。因为卫星的运行轨道和卫星的时钟会存在偏差,这使得民用的卫星定位的精确度很差。所以为了提高卫星定位的精度,我们通常采用差分的定位技术。这种查分的定位技术可以大大的提高卫星导航系统的定位精确度,从而提高对用户的高质量服务。

三、北斗导航定位的性能分析

1、单点的定位。北斗卫星的导航定位性能中的单点定位是通过对北斗卫星的误差模拟改正,作出评价。从而提高北斗卫星导航定位的水平的精度、高程的精度以及三维位置的精度。2、伪距差分的定位。伪距差分的定位是一种差分定位方法,也是现今为止应用最为广泛的一种技术。在北斗卫星的基准站中可以观察所以卫星,通过基准站中已知的坐标和各个卫星的坐标,可以求出每颗卫星在每一时刻与基准站的距离。再通过和测量到的伪距进行比较,得出伪距后改成正数,再将这个数据传输到用户的接收机上,这种差分,可以提高定位的精确度。3、载波相位差分定位。北斗卫星的载波相位差分定位,是实时的处理两个测站的载波相位的观测量的差分的定位方法。在使用的过程中将基准站所采集的载波的相位发送到用户的接收机上,接着再进行求差来解算坐标。卫星的载波相位的差分定位可以使得定位的精确度大大提高。这一技术大量的应用在动态的需要极高精确度的地方。

四、小结

北斗区域的卫星的导航系统在2012年的12月27日正式宣布运行,之后为亚太地区的用户提供了精确的独立的卫星导航的定位高质量服务,同时加强了亚太地区卫星的导航定位系统服务的高精确度、独立性和可信赖性。在2014年的11月17日到21日的国际会议中,联合国的负责设立国际海运的标准的一个国际性的组织——海上安全委员会,在这一会议中中国的北斗卫星的导航定位系统被正式的纳入到了全球的无线电的导航系统中。这充分说明了,我国综合实力国际地位的提高。我国的北斗卫星导航定位系统成为继美国GPS系统与俄罗斯的格洛纳斯系统之后的第三个国际认定的海上的卫星导航定位系统。一位专门的研究中国的太空项目与信息化战争的美国加州大学的专家凯文·波尔彼得说到,这一举措是对北斗卫星导航定位系统能够在它所覆盖的范围之内提供高精确度的定位服务的认可。

参考文献

北斗卫星定位 篇9

1 GPS、北斗卫星导航系统定位原理

在基于GPS、北斗卫星导航系统中, 其主要由空间部分、地面控制管理部分与用户终端组成[1]。其中对于空间部分而言, 是由2颗地球静止卫星及1颗在轨备份卫星组成, 主要工作在卫星无线电定位业务频段内, 上行是L频段, 下行是S频段。在系统的地面控制中, 主要由1个中心控制站与若干标校站组成, 中心控制站内可同时与2颗工作卫星施行双向通信, 并有效完成对每个用户的精确定位。在系统的用户终端部分, 用户需根据出站信号中的帧时标发射定位申请, 并通过中心控制站将定位数据发往指定用户, 从而实现有效的卫星定位通信功能。

2 单点定位模型

基于GPS的精密单点定位模型中, 主要包括传统模型、Uof C模型以及无模糊度模型[2]3种, 将其应用于卫星导航系统, 可提高卫星导航的精度、简化用户端系统、提高GPS精密定位操作的灵活性。

单点定位模型中, 对于传统模型而言, 其就是由双频GPS伪距及载波相位观测值中无电离层组合的观测模型。常用于对定轨精度要求较低的系统中, 可有效减弱电离层影响, 其单点定位的函数模型[9]如式 (1) 所示

单点定位模型中的Uof C模型, 与传统模型不同, 其中不仅采用无电离层相位组合外[3], 还采用了L2和L1频率码和相位平均, 也可有效降低电离层的影响, 能应用于实时性要求较高的系统中, 其模型形式如下

单点定位模型中的无模糊度模型, 采用无电离层伪距组合观测值以及历元间差分的载波相位观测值求差[4], 无需考虑估计模糊度, 可应用于实时性要求较高的系统中, 其观测模型形式如下

基于GPS卫星导航系统可将3种模型分别应用与实际系统中, 对流层延迟误差具有较好的改善。所采用的3种模型, 均各有优点与不足[5], 根据具体情况选择合适的模型方法, 不仅能提高卫星导航定位的精度, 还可提升卫星导航系统的应用效率。

3 定位算法验证

在北斗卫星导航定位系统中, 对用户发送连续的导航电文, 采取单点定位的方式, 提高系统精度[6]。在系统中, 其定位过程首先由地面中心对卫星连续发射X波段以及C波段载波, 其中的数据流有测距信号及地址电文等信息, 当这些询问信号经卫星变频及放大、转发到测站内, 之后由测站来接收询问信号, 当地面中心站接收到应答电文后, 就可得到其测站的坐标和交换的电报信息, 再由中心站将系统处理后的信息传输给测站, 而测站最终将收到所需信息。在北斗卫星定位系统的组合单点定位滤波算法实现中, 由于北斗卫星定位系统是有源工作方式, 可采取间断组合模式, 避免暴露用户目标, 在卫星定位接收机中, 在接收到定位信息的同时发送定位申请, 再由卫星导航系统中的接收机接收定位信息, 并将数据进行卡尔曼滤波[7], 将最优滤波值进行校正, 由此可最终获得较为精确的状态。而对新的状态进行估值, 施以逐次迭代, 经若干次迭代逼近[8]后, 便可得到准确定位。在卫星导航系统中的定位算法仿真时, 对每个接收机的伪距测量误差, 当接收机经定位后, 同时在X、Y和Z轴方向上进行误差定位。如图1~图4所示。

对于卫星导航系统中的接收机精确位置进行计算, 利用气压高度测量得到高程和地心距测量, 对估计值、估计误差及在实际定位解算中[6,9], 利用伪距测量量以及使用迭代的方式求解, 并最终得出准确定位。在进行迭代计算中, 若相邻2次假设定位时使用的测量量无误, 然而在仿真结果中却有误差, 则是由计算的截断误差与模型误差所造成的。定位卫星在伪距测量中, 对误差较大的仿真结果, 可得到定位开始或结束时的自位置坐标, 同时会对接收机时钟及本振频率进行校正。

在基于GPS、卫星导航系统中, 采用单点定位方式, 可通过修正精确的误差模型来进行, 或利用天线的相位中心位置偏差及计算误差等方式, 实现对卫星导航系统的高精度定位。定位解算位置参数误差, 对于接收机钟差平均约为68 m。且在接收机的观测误差中, 除观测的分辨率外, 还包括对接收机天线相对测站点位置的误差, 其约为信号波长的1%。此外, 在基于GPS、卫星导航系统在实测数据计算结果方面, 对于北斗卫星定位结果更接近标准值, 卫星定位的精度更高。在北斗卫星导航系统中, 在X、Y、Z方向上的均方差均<15 m, 因此满足了对中高精度的卫星导航定位用户的需求。

4 结束语

综上所述, 基于GPS、北斗双星定位系统, 采用组合单点定位模式, 并设计低阶滤波算法方案, 可在线根据北斗双星位置信息对中低精度的激光陀螺误差进行有效地估计与补偿, 其不仅可提高组合导航系统的精度, 且在工程实现中还具有良好的应用价值。

摘要：北斗卫星定位系统可为用户提供快速定位, 以及简单数字报文通信的高精度卫星定位, 其不仅可满足用户对中高精度的导航定位需求, 且算法设计简单实用, 可为GPS导航系统定位提供有效辅助。文中在对GPS和北斗卫星导航系统组合单点定位原理分析的基础上, 建立了二者组合的定位模型, 并验证了算法的有效性。

关键词：GPS导航系统,北斗定位系统,单点定位模型算法

参考文献

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基于北斗卫星的溢油跟踪浮标 篇10

(交通运输部水运科学研究院，北京 100088)

0 引言

为进一步满足社会经济发展和人民生活质量提高的需求，我国正在加大海洋开发利用力度和大力发展水上交通运输业，这使水上活动日益繁忙，海运量急剧增加.同时，船舶大型化的快速发展、超万箱集装箱船和30万吨级油船的频繁到港以及船舶到港密度的增加使海上发生重大交通事故和溢油事故的风险不断加大.我国今后将长期面临水上交通安全和环境保护的巨大压力，加强水上交通安全和提高环境事故处理能力刻不容缓.

我国石油消费的高峰已经到来，为此，国家已开始实施石油安全战略，依靠石油进口建设国家石油储备基地已成为我国能源发展的长期战略.近年来，我国原油进口量平均年增长18%.船舶溢油既可造成万吨级原油泄漏的重大溢油污染事故，又会造成难以挽回的生态环境灾难以及巨大的经济损失.我国溢油主动监测和跟踪定位设备大多依赖进口，常用的跟踪监测技术主要有海事搜寻［1]、雷达技术［2-3]、软件模拟技术［4-6]、浮标技术［7-9]、遥感技术［10]等，国产设备技术水平较低，系列化成套产品严重不足，在溢油预报、跟踪监测、应急方案优化、溢油应急业务化等方面急需发展.

本文在阐述溢油跟踪浮标的技术特点和研究情况的基础上，通过水动力学优化研究，完善跟踪浮标技术参数，采用定位通信卫星，研制具有多功能、全天候、代表性溢油类型的溢油跟踪浮标，并开展海上应用试验.试验表明，该浮标对不同海况、不同油膜均具有良好的跟踪和监测能力，可满足水上溢油跟踪定位和监测的需要.

1 溢油跟踪浮标技术现状

溢油跟踪浮标是一种随波浪漂流的表层漂流微型浮标，能实现溢油的跟踪定位，具有全天候使用和全程监测能力，是一种海上溢油实时追踪监测的稳定、可靠、成本低廉的技术方法.

根据浮标应用行业和用途的不同，大部分浮标的质量为3～50 kg，一些具有特别用途的浮标质量可达吨级，其中:用于定点环境监测的锚系浮标，多采用钢板结构设计，质量基本在吨级范围，其安装、维护等需吊装的作业内容均需船舶吊机协助完成;用于海上洋流监测的流型浮标，结构较复杂，洋流、气象等传感器系统庞大，质量一般可达35～50 kg;具备溢油跟踪功能的浮标，有良好的漂流性能，结构相对简单，质量一般为3～25 kg.

在国外，美国Met-O公司在溢油跟踪漂流浮标产品和技术上处于领先.该公司生产的Argospheres浮标表面直径28 cm，质量8 kg，结构为玻璃钢或一体化注塑，可在大气温度-20～50℃，浪高0～30英尺(1英尺≈0.304 8 m)的环境条件下工作，通信设备多采用ARGOS卫星或铱星，定位采用GPS，由于其使用的通信网络具有较大的时滞，在溢油跟踪方面没有实际应用.

台湾圣杰科技公司开发出海上漂流浮标，其中SJ8989型浮标外部尺寸为40 cm×40 cm×60 cm，质量约为20 kg，采用GPS定位、SiRF STAR II天线和VHF通信，主要使用在海上渔网跟踪定位方面，无溢油跟踪能力.

国家海洋技术中心是我国开展浮标技术研究较为深入的研究单位，其开发的自持式剖面循环探测漂流浮标、表面漂流浮标等在海洋环境探测等方面发挥显著作用，其中FZS3-1型表层漂流浮标最具有技术代表性.该浮标利用ARGOS卫星系统定位通信，测量表层水温和水下水帆所在水层的平均海流，主要观测分析海域的表层海流特征和漂移路径上的温度变化，不具备溢油跟踪功能.

国内外表层漂流微型浮标产品见图1.

图1 国内外表层漂流微型浮标产品

目前，国际上对于海洋环保和环境监测技术十分重视，我国现阶段也正在加大海洋环保及监测力度.近几年在水上浮标关键技术研发方面有所突破，但能用于溢油跟踪定位的浮标还需更进一步研究.溢油跟踪浮标在提高跟踪性能的基础上，正朝着微型化、智能化、全天候、全过程的方向发展.

2 溢油跟踪浮标关键技术研究

在对国外相关产品进行充分研究的基础上，结合国内配套元器件条件，根据浮标搭载卫星通信模块、电池组及相关传感元件的特点，通过开展浮标海面漂移的水动力学性能研究、卫星定位通信技术研究、海上溢油漂移模型计算机设计研究等工作，完成具有多功能、全天候、全过程的溢油跟踪浮标研制.

2.1 总体参数设计

本文对海上浮标的形状、结构、功能进行分析和研究，开展浮标体材料、制造工艺、成型方法，浮标外形及质量，浮标功能，浮标体内部结构，电池设计及配置，控制单元、卫星定位通信装置、浮标相关软件等方面的研究工作.通过水动力学性能研究、漂移模型计算机设计研究，使浮标技术参数更加合理.

研制的溢油跟踪浮标主要由浮标体、卫星定位设备、卫星通信设备、控制系统软硬件、内部锂电池组、传感器等部分组成.海上溢油跟踪浮标总体设计见图2.

2.2 水动力学技术研究

溢油跟踪浮标在表层海水中受到风力和洋流的共同作用.如果溢油跟踪浮标能完全跟踪溢油油膜，则溢油跟踪浮标与油膜具有相同的运动速度和运动方向，并且浮标处于受力平衡的状态.［11]

图2 海上溢油跟踪浮标总体设计

风对溢油跟踪浮标的作用力可表示为

式中:Fair为风对浮标的作用力;ρair为海面空气的密度;Vair为海面风速;V0为溢油漂移速度;A2为迎风面积;CDa为浮标的空气阻力因数.

当浮标匀速运动时，处于受力平衡的状态，受到的海水阻力与风推力平衡，得

式中:ζ为风因数，该值通常采用海上实测的方式获得;α为风生流因数，为海流纬度;ρwater为海水密度;A1为迎水面积;CDc为浮标的水阻力因数;h为浮标水面以上高度.

根据水上浮标的形状、尺寸、质量参数，可确定某溢油跟踪浮标的平衡参数，从而推导出其风因数水动力学平衡模型.令

则溢油跟踪浮标的平衡方程可简化为

根据相关研究，溢油跟踪浮标内腔需放置相关电子通信定位设备，故应具备一定的空腔体积;另外，综合浮标内腔各设备部件的质量，溢油跟踪浮标的质量一般应在3～10 kg，常见的基本在7 kg左右.

为掌握不同几何形状浮标对油膜的跟踪效果，查阅国际上相关技术资料，综合当前国内外常见浮标的形状，本文针对球形、椭球形、正圆台、倒圆台(类蘑菇型)、圆柱等几类浮标进行研究，绘制不同形状浮标的风因数变化曲线，见图3.

图3 不同形状浮标的风因数变化曲线

对溢油跟踪浮标的风因数水动力学平衡模型和不同形状浮标风因数变化曲线的分析研究可以发现:在体积一定的条件下，随着浮标质量的增加，球形浮标和椭球形浮标的风因数变化不大，而圆台浮标和圆柱浮标风因数变化较大;对于球形、圆柱、正圆台和倒圆台4种体积相同的浮标，其质量大约在7 kg时，风因数由大到小依次为正圆台、圆柱、倒圆台、椭球形、球形浮标.综上，在相同的条件下，球形浮标的水面溢油跟踪能力具有绝对的优势.

在我国沿海海域，浮标风因数的范围为0.02～0.07.［12]从不同的溢油事故中测得的数据表明，油膜的风因数取值不是唯一的，范围为 0.025～0.055.研究表明，对于某一特定尺寸的浮标，随着浮标质量的增加，浮标风因数逐渐减小，进一步说，浮标质量越大，越适合跟踪风因数小的油膜，反之，浮标质量越小，越适合跟踪风因数大的油膜;对于某一特定质量的浮标而言，随着浮标尺寸的增大，浮标风因数逐渐增大，进一步说，浮标尺寸越大，越适合跟踪风因数大的油膜，反之，浮标尺寸越小，越适合跟踪风因数小的油膜.因此，针对某一稳定海况和油膜，可通过优化浮标参数(尺寸、质量)与溢油风因数的特定组合，实现对溢油的跟踪.

2.3 北斗定位通信系统

目前，水上表层漂流浮标一般用GPS完成定位功能、采用卫星系统实现无线数据通信要求.在溢油事故发生后立即将浮标投放在厚油膜层中，浮标随油膜一起漂移，通过通信系统接收浮标的位置及相关信息，实现对溢油位置、漂移速度、轨迹和方向的实时跟踪.因此，通信定位系统在海上溢油跟踪浮标上的实时性、准确性、实用性就显得尤为重要.

现阶段，常用的卫星系统主要有ARGOS，GPS，Beidou，Galileo，GLONASS，INMARSAT 和 IRIDIUM等.ARGOS是法国建设的，是国际上广泛应用的一种卫星数据收集和定位系统;GPS是美国在20世纪70年代研制的新一代空间卫星导航定位系统，可提供实时、全天候和全球性的导航服务;Beidou是由中国建立的导航定位系统，能实现导航定位、通信、授时等功能;Galileo是欧盟发射的一种中高度圆轨道卫星定位系统;GLONASS是在20世纪80年代由前苏联建设的全球定位系统;INMARSAT是采用多址无线通信方式的通信卫星;IRIDIUM是基于低轨道卫星群的全球卫星移动通信系统.

根据上述通信定位系统的技术特点和应用情况，统计出各系统具有的特点，见表1.

表1 通信定位系统的技术特点与应用对比

根据溢油跟踪浮标的使用特点以及北斗卫星定位通信系统在定位、通信上具有的不可比拟的优越性，项目研制出的低功耗、高可靠性的北斗小型板卡非常适合应用于该溢油应急装备的通信定位系统.

3 溢油跟踪浮标技术参数及特点

3.1 主要技术参数

溢油跟踪浮标具有全天候使用和全过程监测能力.通过对溢油跟踪浮标形状、结构、功能的优化研究，研制出BOT-A型海上溢油跟踪浮标，其外观和主要技术参数［13]分别见图4和表2.

图4 BOT-A型海上溢油跟踪浮标

表2 BOT-A型海上溢油跟踪浮标主要技术参数

3.2 主要技术特点

(1)先进可靠、跟踪性能好.产品采用定制通信定位设备，全面提高可靠性;外表面直径25 cm，方便搬运及存储;产品总质量4 kg，容易投放及回收;跟踪性能好，可完成水上实时跟踪.

(2)定位通信系统灵活.产品采用空间卫星通信定位方式，数据链路可靠，定位系统精度高，具备精确定位能力;平台首选北斗卫星定位通信系统，可集成通信、定位功能自由无缝组合，实现系统信息交换的无障碍;根据实际使用特点，也可选“INMARSAT+GPS”“ARGOS+GPS”的“通信定位”组合模式，实现多系统优势互补.

4 试验和应用

在浮标水动力学研究的基础上，研制出基于北斗卫星的海上溢油微型跟踪浮标，并在东海海域开展溢油事故应急演练试验［14]，主要对研制完成的浮标漂浮特性、溢油跟踪性能进行实战测试，取得较好的试验效果和实战经验.本次海上科学试验研究主要信息见表3.

表3 海上科学试验研究主要信息

试验配备Cosmo-Skymed Radarsat遥感监测卫星、溢油跟踪浮标、溢油预测支持系统、溢油跟踪漂流示踪装置、跟踪船舶等.根据试验数据分析，浮标在一定程度上受风力的影响比受洋流的影响明显，在整个试验漂移过程中，在试验海域的风力与洋流共同作用及变化影响下，溢油跟踪浮标漂移方向出现4次比较大的拐点，累计漂移轨迹约67.7 km，全程平均漂移速度约1.57 km/h.本试验中浮标漂移轨迹见图5.溢油预测支持系统预测的浮标漂移轨迹见图6.

图5 根据浮标实时数据绘制的浮标漂移轨迹

图6 溢油预测支持系统预测的浮标漂移轨迹

试验过程中，根据溢油跟踪浮标实时数据绘制的浮标漂移轨迹与溢油预测支持系统预测的浮标漂移轨迹具有高度的相似性，在试验漂移轨迹趋势、漂移距离、漂移速度等各方面均具有高度的一致性.本次海上科学试验主要数据见表4.

溢油跟踪浮标在易发生溢油事故高风险区域(东海油气平台)进行投放，经过连续43 h的溢油事故应急演练试验，溢油跟踪浮标能及时反映海上溢油漂移轨迹及趋势，该轨迹及趋势与溢油预测支持系统预测的信息基本一致，浮标数据与预测数据有较高的匹配度，达到海上应用的要求.

表4 试验过程中主要数据

5 结束语

随着研究的开展，海上溢油跟踪浮标系统已基本研制完成，正在进行相关测试.通过水动力学优化研究，完善溢油跟踪浮标技术参数，采用定位通信卫星，研制具有多功能、全天候、代表性溢油类型的溢油跟踪浮标，开展海上试验应用.试验表明:该浮标对不同海况、不同油膜均具有良好的跟踪、监测能力，可满足水上溢油跟踪定位的需要.

项目研制的水面溢油跟踪浮标可实时跟踪水上溢油，可用于环境敏感区、钻井平台、溢油排污口等溢油多发地区，从而大大地减少环境污染损失、海洋生态损失、海岸线污染损失等，有利于促进渔业、旅游业发展，提高我国在环境保护领域的国际形象和地位.

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北斗导航卫星的发展研究及建议 篇11

卫星导航系统能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务,是拓展人类活动、促进社会发展的重要空间基础设施。北斗卫星导航系统的建设与发展将满足国家安全、经济建设、科技发展和社会进步等方面的需求,维护国家权益,增强综合国力。

北斗卫星导航系统建设按照“先区域、后全球“的总体思路分步实施,采取“三步走“发展战略。在建设北斗卫星导航试验系统和区域系统过程中,中国空间技术研究院在卫星系统总体设计、生产、试验和在轨应用等方面积累了许多经验和教训.特别是在区域系统建设过程中,在卫星总体设计、星载原子钟、大规模FPGA耐空间环境设计、上行注入抗干扰设计以及卫星平台供电安全性等方面,形成了一系列成果和经验,通过梳理、分析并加以研究总结,可以为未来2020年全面建设北斗卫星导航系统提供技术支持。

二、北斗导航卫星区域系统的基本任务与要求

北斗卫星导航(区域)系统空间段由5颗GEO卫星(定点于东经58.75°,80°,110.5°,140°,160°赤道上空);5颗IGSO卫星(3颗IGSO卫星轨道高度约36000km,均匀分布在3个倾斜同步轨道面上,轨道倾角55°,星下点轨迹重合,交叉点经度为东经118°,相位差120°;2颗IGSO卫星位于升交点地理经度95°,轨道倾角55°的倾斜同步轨道上)和4颗MEO卫星(卫星轨道高度约21500km,轨道倾角55°,均匀分布在2个轨道面上)组成。

三种轨道卫星按照组批生产、密集发射、快速组网的要求进行系统总体统一设计,IGSO和MEO卫星采用DFH-3卫星平台设计.GEO卫星采用全新的DFH-3A卫星平台设计。

卫星平台包括结构分系统、热控分系统、测控分系统、供配电分系统及控制分系统与推进分系统,其中IGSO和MEO卫星设计有数管分系统。有效载荷包括导航分系统和天线分系统,其中GEO卫星导航分系统包括RDSS、站间时间同步与数据转发、上行注入与精密测距及RNSS等载荷;IGSO和MEO卫星导航分系统包括上行注入与精密测距及RNSS等载荷。

北斗卫星导航(区域)系统空间段导航卫星的主要任务与功能包括:

⊙选择成熟卫星平台,满足有效载荷要求,卫星设计寿命8年。

⊙保持北斗导航卫星试验系统所具有的RDSS和站间时间同步与数据转发功能,并与新增的RNSS电磁兼容。

⊙针对空间导航卫星数量有限、地面测控和运控站分布限于国土范围窄的情况下,设计采用了星地双向时间比对技术,解算出卫星钟相对于地面站基准钟的准确钟差等数据。

⊙接收地面运控系统上行注入的导航电文参数,星上存储、处理生成下行导航电文,产生多路导航信号,同时将卫星完好性信息及时下传给地面运控及用户系统。

⊙适应三种轨道混合星座多星测控业务,采用S频段扩频测控体制,同时保留成熟的USB测控体制,独立完成测控任务的同时可对S频段扩频应答机进行复位、开关机等操作,以确保测控通道的可靠性和安全性。

⊙在覆盖区内,保证卫星接收和发送信号的G/T值和EIRP值;卫星组网工作时,卫星发播的信号必须连续、稳定,计划中断和非计划中断次数及时间符合工程要求。

三、北斗导航卫星区域系统的发展与成果

按照工程总体要求,北斗导航卫星区域系统完成了方案和初样设计,并于2007年4月14日发射飞行试验星,验证了RNSS载荷、星地双向时间比对、三轴轮控和偏航控制、星载原子钟等重大攻关技术成果,标志我国自行研制北斗导航卫星系统进入了全新的发展阶段。同时,针对上行注入抗干扰卫星单机产品及抗复杂空间环境影响问题,卫星系统进一步采取措施,完成正样设计后,确定了卫星系统、各分系统和单机产品的技术状态,确保了技术水平的提升和工程建设的质量。

1. 卫星平台

北斗导航卫星区域系统要求卫星平台在继承成熟技术的同时,也需要创造性地应用新的技术,实现了继承与创新的统一协调。

分析卫星系统任务和功能要求,可以看出区域系统卫星在供配电能力、卫星姿态控制要求、热控要求、自主管理、遥测遥控等环节,必须在原东方红三号卫星平台的基础上采取新的技术以适应新的要求,通过技术攻关与试验验证,突破其关键技术。梳理总结卫星平台特点及主要成果如下:

(1)混合太阳电池阵技术

GEO卫星同时安装有RDSS和RNSS载荷,整星功率较北斗卫星导航试验系统的GEO轨道卫星增加约900W,在不改变DFH-3平台太阳翼结构及布片面积的前提下,首次采用Si和GaAs/Ge太阳电池混合方阵供电技术,利用电路独立、分板布置、增加隔离二极管和旁路二极管等方法.成功解决了不同太阳电池片之间热特性、电特性和抗辐射特性相容性问题,实现了GEO卫星大于2500W的供电要求,同时分流调节器等关键设备均进行了扩容改造。

(2)三轴轮控和偏航控制技术

为避免平台控制系统中反作用轮动量饱和后,推力器喷气卸载可能造成的卫星轨道位置变化对系统级用户定位精度的影响,GEO卫星控制分系统采用全新的三轴轮控控制方案,反作用轮动量卸载和位置保持同期进行。

IGSO和MEO轨道卫星轨道倾角为55°,随着升交点赤经的变化,太阳光线的入射角也将变化。按照原DFH-3卫星平台设计,卫星不能同时对太阳和对地球定向,卫星运行轨道的升交点及卫星轨道倾角将直接影响太阳翼的输出功率;同时,日照和地影较原DFH-3卫星平台GEO卫星有较大的变化,特别是地影分布的长度和次数变化,造成原DFH-3卫星平台供配电分系统设计条件改变。IGSO和MEO轨道卫星首次采用偏航控制,保证太阳电池阵法线指向太阳,实现太阳电池阵法线对日指向精度优于5°。

(3)扩频测控制多星测控技术

为解决混合星座多星测控,避免频率干扰等问题,测控分系统在国内首次采用S频段扩频测控体制,突破了扩频测控体制低门限高动态解扩、扩频码的快捕和精跟踪等数字基带处理关键技术,具有抗干扰能力强、定位精度高、低密度信号功率谱等优点,为我国航天器测控系统推广使用S频段扩频测控体制完成了试验验证,并奠定了良好的应用基础。

(4)能源自主管理技术

针对IGSO和MEO轨道卫星部分时段国内不可见特点,设计全新的数管分系统对蓄电池电量和卫星舱内温度进行自主控制,提高卫星自主能力。

(5) RNSS载荷功率增强技术

针对导航卫星要求的RNSS载荷波束战时增强要求,实现了有效载荷、控制、数管和天线四个分系统的信息数据融合处理,保证了卫星星历、卫星姿态与天线波束指向的协调统一,实现了在轨波束增强和可控的要求,有效提高了抗干扰能力。

(6)高精度热环境控制技术

导航卫星星载原子钟对环境温度十分敏感,在轨工作范围是-5℃～+10℃,温度变化率±0.5℃/24h。热控分系统设计了原子钟独立温控小舱,采取高精度的闭环自动控温措施,实现了对星上高精度铷原子钟的高精度热环境保证。

2. 卫星有效载荷

导航卫星有效载荷是实现卫星导航功能和确保服务性能参数的关键,其技术水平和质量可靠性直接影响系统的功能和性能指标。

北斗区域系统导航卫星RNSS和RDSS两种导航定位体制并存,其中RDSS载荷继承北斗卫星导航试验系统,RNSS为全新的载荷,包括上行接收与精密测距子系统、时间频率综合子系统、导航信号生成子系统、信号放大链路等环节。梳理总结卫星有效载荷特点及主要成果如下:

(1)星载高精度高稳定度原子钟技术

利用铷原子能级跃迁频率十分稳定的特点,通过微波腔功率的有效激励、光谱信号的检测与滤光、磁场与温度场的控制,使其产生频率漂移率小的铷信号锁定在高稳晶振上,实现原子钟的功能和性能。北斗导航卫星采用的国产星载铷钟,经历了预研、原理样机、两台工程鉴定产品后,最终形成可用于工程任务的正样产品,打破了西方对我国的封锁。在此期间,解决了铷钟的寿命评估、老炼试验方法、高精度测试方法、温度敏感性、真空与常压下性能参数差异、长期稳定度测试考核等问题,保证了星载原子钟产品的交付,并具有良好的一致性和互换性。

(2)卫星时频基准精密管理技术

为了确保上行接收处理和下行发射信号之间的时间频率关系,利用频率综合技术,设计了基准频率合成器,实现多个频率信号之间的相关性,包括星上时间信号、频率信号、基带信号、接收机时钟信号,为导航有效载荷提供可靠、稳定、连续的卫星钟信号。

卫星钟通过精密的调整和控制技术保持短期及长期良好的频率特性,在对原子钟频率精度传递、频率调整分辨率、频率调整范围、主备原子钟监测信号频谱等卫星时频基准精密驾驭管理方面满足工程建设要求;采用基准频率合成器及统一频率源技术,提高了卫星设备的集成度,减少了卫星设备的体积和重量。

(3)星地双向时间比对技术

北斗导航卫星通过微波信道分别由卫星和地面站同时进行星地之间的测距,解算出卫星钟相对于地面站基准钟的准确钟差等数据,实现星地双向比对与时间同步。北斗导航卫星通过星地之间建立高精度的测距链路,采用双向时间比对技术实现星地之间高精度定时同步,突破了长码跟踪捕获、多通道接收,在线零值监测校准等关键技术。

(4)时域与频域联合抗干扰技术

高密度、高强度电磁信号干扰是北斗导航区域系统建设过程中必须解决的一个突出问题。该问题直接影响卫星信号与地面站、各类终端间的通信,降低系统使用效果;导航卫星上行注入数据的接收直接关系到导航卫星载荷是否可以正常工作,因此上行注入通道抗干扰及安全性设计尤为重要。通过利用精密快速捕获跟踪算法和线性范围大、时延影响小的低信号放大技术,解决了上行注入信号的抗干扰接收(可抑制对抗雷达脉冲干扰、慢扫频干扰、单频干扰、宽带干扰以及多址信号等多种干扰信号),实现了接收机误码率不高于10-8,测距精度不低于Ins技术要求。

(5)复杂空间环境下导航信号抗空间环境设计技术

卫星在轨不可避免会受到来自地球辐射带、银河宇宙线、太阳宇宙线的空间带电粒子辐射,由于星载DSP,CPU,SRAM,FPGA等器件内部含有大量触发器和存储器,存在发生总剂量效应、S EU事件等空间环境效应的风险。为了给用户提供连续、稳定、可靠的导航信号,北斗导航卫星要求单机产品从器件选用、电路设计、整机设计三个层面采取抗空间环境效应防护设计工作,采取硬件防护设计、软件容错,以及三模冗余、定时刷新、FPGA转ASIC等措施,同时在整星级开展卫星星体表面充放电及舱内介质深层充电效应防护等工作,实现了星载产品抗受空间环境设计与验证工作。

(6)多通道信号大功率连续稳定工作技术

北斗导航卫星有效载荷包括上行接收与精密测距子系统、时间频率综合子系统、导航信号生成子系统、信号放大链路等环节,不同频率信号多。同时为了保证地面用户能够更有效地接收到信号,卫星采用大功率放大器,使输出的信号具有较大的功率能力。

为保证卫星系统内部仪器设备不受影响,需要开展系统级EMC分析与验证,按照全新的设计要求,突破了RNSS和RDSS载荷电磁隔离,上行接收信号与下行导航信号的交调抑制、微波大功率器件微放电和功率耐受、无源互调抑制等关键技术;加强了产品防护和确定产品工作状态等措施,保证了产品质量和安全。

四、北斗导航卫星的发展经验

北斗卫星导航区域系统在保留北斗卫星导航试验系统的有源定位和短报文通信等服务基础上,已开始向中国及周边部分地区提供连续有源与无源定位、导航、授时以及报文通信等服务。北斗卫星导航区域系统解决了我国RNSS定位体制卫星导航有无的问题,是我国经济社会发展不可或缺的重大空间信息服务设施。梳理总结北斗导航卫星系统及发展过程,主要经验为:

(l)坚持继承与创新结合,加强地面试验验证

在充分继承东方红三号卫星平台技术的基础上,按照北斗导航卫星的要求,再次进一步试验验证其继承产品的可靠性,完成了结构星、热控星、电性星和鉴定产品的研制和验证。在开展上述工作时,对卫星总体和分系统进行关键技术分析,确保关键技术在方案阶段得到突破性。

安排北斗卫星可靠性专项工程,对SADA、电源控制器、蓄电池组、地球敏感器以及基准频率合成器等30项产品开展薄弱环节分析、改进及验证工作。

(2)保证组批产品的可靠性和质量

建立在国产化的基础上,集智攻关、创新发展,突破了星载国产铷钟、精密测距、双向时间比对、抑制微波大功率器件微放电和功率耐受及无源互调、大规模ASIC芯片替代FPGA器件、偏航控制、铷钟小舱精密温控等关键技术。

(3) RNSS和RDSS两种定位导航体制并存,提供多方位服务

除了通过高精度、高可靠的定位、导航和授时服务外,还保留北斗试验系统的报文通信、差分服务和完好性服务,与GPS系统相比,北斗卫星导航系统的优势在于区域范围内服务的多样化和用户之间的互动性,在指挥调度、抢险救灾、环境数据监测等方面已经并将继续发挥特殊作用。

(4)兼容设计、产品互换

北斗卫星导航区域系统三种轨道卫星按照“一次设计、组批生产、流水试验、密集发射、快速组网”的要求,开展单机产品设计,保证三类卫星中大多数产品具有互换性,不具备互换的产品,其机械、电气、热接口也充分考虑兼容性。在北斗卫星快速组网发射过程中,针对产品质量问题开展举一反三工作具有重要意义,并发挥了特殊的作用。

(5)卫星协同一体化三维布局总体总装设计平台

北斗导航卫星三维协同设计平台实现卫星研制过程中卫星总体与结构分系统、热控分系统、供配电分系统、推进分系统之间构型布局、热控散热面、电缆网、推进管路的协同设计;利用AVIDM系统,实现单机产品数据接口、产品布局、机械接口、热控接口等一体化设计,有效地提高了总体构型布局、电缆网设计、推进管路设计的工作效率和正确性。

(6)建立数据比对系统

基于北斗卫星组批生产的特性,建立并形成了卫星性能参数测试数据比对系统,应用每颗卫星不同阶段的数据比对分析(横向),同类卫星相同阶段的数据比对分析(纵向),形成系统级产品数据包;对系统级关键测试数据形成成功数据包络;基于成功包络线,卫星出厂前和进场后,对数据判读和比对情况进行复查,横向、纵向检查数据的一致性,对数据偏离和差异的机理进行分析,对超差项进行影响分析和确认,对数据临界项开展变化趋势及风险分析。

五、北斗导航卫星下一步发展建议

卫星导航系统是以服务范围、精度、可用性、连续性和完好性为衡量标志的空间基础应用设施。在建设我国北斗卫星导航区域系统的过程中,需要系统总结分析我国导航卫星系统的特点和成果,系统总结分析在轨卫星的工作状态,在星地一体化正常运行的条件下,围绕卫星系统对服务精度、可用性、连续性和完好性的提高,在下一代导航卫星系统中进一步完善。

(1)加强系统顶层分析,提高系统可靠性

加强星座构型的分析和设计,加强星地一体化协同设计,加强星座运行状态下卫星备份策略和补网策略的研究,保证工程大系统的连续性和稳定性。

可用性、可负担性和精度是卫星导航系统的三种关键特性,其中要实现系统的可用性,第一个要求就是在轨卫星的数量,基于效果的研究表明,一个由30颗MEO卫星构成的星座,加上3颗备份星(最佳)分布,将大幅度提高受天空环境挑战下用户对PNT的可用性。

(2)实现星载产品长寿命、小型化和高可靠性

加强星载产品长寿命、小型化和高可靠性设计工作,提高卫星平台的可靠性和安全性,降低卫星产品的重量、体积和功耗:通过元器件筛选、电路冗余设计、系统级备份和精细协调管理以及大量地面可靠性和寿命试验,使卫星的工作寿命从8年提升到12年。

(3)加强产品状态管理和元器件的选用把关

北斗导航卫星系统产品必须在设计初期阶段就确定组批生产目标,确定并完成其产品的试验验证、工艺考核、过程控制文件制定等工作。要通过分析产品的特性,加强元器件及原材料选用把关,注意关重特性参数的可测试性的量化设计,明确验收方法和状态。

(4)减少计划内中断操作

根据我国地面运控系统实际情况(上行注入站和监测站的区域及站数均受限,轨道测量和预报精度仍需进一步提高),卫星系统设计上需要进一步减少计划内的位置保持和轨道控制等操作中断操作。

(5)加强星间链路及自主导航技术研究

GPS系统星间链路的定位是随着系统任务的变化而变化的,从支持核爆探测信息传输,到支持自主导航的星间测距和信息传输,再到全面支持空间综合信息网络通信。针对我国卫星导航的星座设计,特别是多种轨道之间的链路故障模式下的管理策略,需要在数据传输体制与速率、星间链路条数、测量周期、星间链路频率以及自主导航时间等方面进行全面而深入的分析,系统地开展仿真与试验验证,必须深入研究星间链路体制及自主导航算法的仿真与验证工作。

(6)提高星上导航信号完好性监测能力

完好性是卫星导航服务性能的一项关键指标,需要进一步开展合理的完好性体制设计,设计形成星上导航信号完好性监测能力是最基本的要求,包括星上时频系统工作状态、上行导航电文接收测量及下行导航信号生成、卫星平台健康状态、卫星姿态等环节。在形成星上自主完好性监测、诊断的基础上,对不可修复的不完好状态及时告警。

(7)提升星载原子钟的性能指标

卫星导航系统星上原子频标的稳定度是决定实时用户定位性能的关键性因素。星载原子钟的稳定性是建立高精度时间基准和星地双向时间比对技术的基础。目前北斗系统卫星的星载原子钟尚未达到如GPS BLOCK IIF星钟般出色的性能水平。

建设下一代北斗卫星系统时,星载原子钟性能指标需要与系统建设匹配,天稳定度指标必须进一步提高,制造工艺和调试程序需要适合组批生产要求。特别要进一步研究原子鉴频信号增强、光频移、环路噪声以及温度敏感性抑制技术,同时还要进一步解决星载原子钟的长寿命和可靠性。在提升星载原子钟性能指标的同时,还要进一步研究完善星载原子钟地面测试与考核对方法。

(8)提高导航信号时延稳定性

连续、稳定、可靠地播发导航信号是导航卫星的基本任务,导航信号的优劣决定了导航卫星的优劣。建设下一代北斗系统时,需要提高导航卫星信号的时延稳定性,实现多个频点导航信号的各种工作状态下的时延一致性,以利于地面运控系统和用户使用,严格控制导航信号通道时延值。

(9)加强新型导航信号体制设计,实现GNSS系统兼容互操作

GPS,GALILEO,GLONASS及北斗四大系统并存,四大系统均向全球用户提供免费服务,同时系统之间不能相互干扰,那么就必须考虑系统间的相互兼容,联合实现PNT服务,更好地为民用及商业用户提供连续、稳定、可靠的服务。由于GPS系统在已占领全球PNT市场,对用户具有强大的吸引力,建设下一代北斗系统时,只有与GPS系统兼容性强,又不完全依赖GPS系统的卫星导航系统才有生存的可能。

为此,需要进一步完善导航信号体制的设计,包括信号频率、信号调制方式、信号信息编码格式、频谱特性、输出信号功率等参数,既要维持北斗卫星导航系统服务的连续稳定,又要充分实现与其他GNSS系统的兼容与互操作。

六、结束语

导航卫星在研制过程中,实现了卫星总体设计过程中继承与创新的统一协调,坚持了用户需求与技术水平的统一协调,突破了多项关键技术,取得了一些列成果,同时,也积累了许多有益的经验。

总结分析北斗卫星研制发展成果,可以明确下一阶段仍有一些课题和项目需要加强研究。实现上述技术难点的突破,建立并完善其控制与管理方法,将有利于我们高质量地完成北斗卫星导航全球系统的建设。

摘要：本文根据已完成建设的北斗导航卫星系统的建设经验.梳理分析了北斗导航卫星的发展特点。从导航卫星的基本要求,卫星平台和有效载荷技术等方面进行了研究.给出了相关的结果.并提出了北斗导航卫星系统下一步建设过程中应该加强研究的项目建议。