北斗/GPS导航

北斗/GPS导航（精选10篇）

北斗/GPS导航 篇1

引言

随着经济全球化和城市扩张, 使得交通拥堵、居住拥挤, 各种自然或人为灾害变得频繁。如何更加高效地管理城市已经成为我国乃至世界所面临的一个棘手问题。于是, “智慧城市”的概念应运而生了。而要实现智慧城市, 卫星导航定位技术是不可或缺的。目前, 国内外的卫星导航方面的技术和应用主要是依赖美国的GPS (global position system) , 而在2012年, 我国自主研发的北斗卫星的区域组网工作顺利完成。毫无疑问, 无论是在军事还是民用上, 北斗卫星都对我国的发展有着极为重要的战略性意义。因此, 如何快速高效并且健康的发展北斗事业, 使之成为我国智慧城市建设和发展的技术支撑就成了一个亟待解决的问题。

而之前也已经谈到过, 当今全球卫星导航定位上做的最成功的就是美国的GPS了, 所以, 要想发展北斗卫星导航定位技术, 就必须了解GPS是发展历程, 通过GPS的发展, 取其精华, 剔其糟粕, 真真切切地利用好已有的经验与教训, 才能使北斗卫星的发展更加高效、更加健康。

1 GPS的发展

GPS起源于1958年美国军方的一个项目, 最初专用于军事, 后来由于国际上其他卫星导航技术的发展以及社会上的一些需求逐步地走向了民用化。GPS卫星导航系统总共由空间系统、地面控制系统和用户设备三个部分组成。美国的GPS系统是当代最成功的卫星导航系统, 无论是军事上还是实际应用中, 都处于国际垄断地位[1]。GPS之所以能取得今天这样的成绩, 无疑要归功于两方面, 一方面是美国政府政策的支持, 另一方面就是基于GPS的各项技术的完善。

GPS最初应用于军事, 但随着GPS系统进入应用开发阶段, 它又表现出十分良好的军民两用前景。但此时GPS并没有真正地实现民用化。随着1990年冷战结束, 美国的发展重心也从军事领域转向了经济领域。1991年, 美国政府出台了《国家GPS政策》, 不仅稳固了原有GPS用户继续使用的信心还助推了不少GPS产业界大公司的快速成长。近年来, 各国全球卫星导航系统的竞争越来越激烈, 美国为了保持GPS的绝对优势, 出台相应政策鼓励市场开发制造GPS衍生用品, 加大能力建设投资, 并支持打击恶意干扰GPS的国际活动, 巩固了美国在导航领域的竞争能力和领先地位。

目前, GPS的应用早已远远超出了它仅作为美国海军的全球性导航工具的设想。它已成功用于海、陆、空交通导航和管制, 土地测量, 航空拍摄, 遥感, 地震监测, 卫星测轨定轨, 运动物姿态角的测定, 电离层的研究, 电波传播研究, 时间同步的全球环境检测等[2]。GPS的市场能做到如今的这个地步, 正是由于GPS技术及其衍生品技术的不断发展, 从而带来成本的不断下降, 而这正是目前北斗卫星产业化发展所需要的。GPS虽然在我国应用普遍, 但卫星导航系统以及用户终端仍然依靠进口。

通过GPS的发展, 可以看到, 不仅是经济实力与技术的差距, 政府政策不同也是重要原因, 这对我国北斗卫星的发展也有着很重要的启发。对于像北斗卫星这样关乎国计民生、投资金额硕大的项目, 国家政策的方向要正确并保持一定力度, 才能引导全社会来关注来发展。技术的研发也相当重要, 只有把北斗卫星相应的技术成本降下来, 才能真正地拥有竞争力, 在国内甚至全世界得到推广。

2 北斗卫星的发展

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, 是继美国GPS全球定位系统和俄国GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成, 可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务, 并具有短报文通信能力, 已经初步具备区域导航、定位和授时能力, 定位精度优于20 m, 授时精度优于100 nm[3]。

与美国的GPS类似, 北斗卫星也既能用于军事也能用于民间。北斗卫星导航系统提供了授权服务和开放服务两种服务方式。授权服务是向授权用户提供更精确更安全的测速、定位、通信服务以及系统完好性信息, 一般用于军事目的。而开放服务可免费给民众使用, 可以在服务区内提供测速、定位等服务。

3 GPS导航系统与北斗卫星导航系统的对比

由于GPS等卫星导航系统发展已经比较成熟, 市场占有率也比较高, 直接导致了北斗导航系统的用户规模偏小, 市场占有率低, 与卫星导航产业相对成熟的国家相比, 我国北斗卫星导航系统还处于起步阶段。但北斗作为全球定位导航系统中的后起之秀, 也有其独特的优势。

3.1 北斗卫星导航系统的劣势

1) 价格偏高。首先, 由于核心技术不成熟, 导致了北斗卫星导航系统的价格劣势。再者, 由于北斗导航系统用户终端并没有统一的、标准的内部规范, 这就使得其关键器件无法集中设计、采购, 由此产生了价位偏高、维护不便和重复工作等问题, 很大程度上限制了北斗卫星产业的高效发展。

2) 系统应用方面发展滞后。由于受中国传统航天工程思想的影响, 北斗卫星的系统应用是滞后于其系统建设的。美国的GPS的系统应用和系统建设是同步进行的, 也就是系统一旦建设好就能发挥其预定作用, 而北斗卫星则是在系统建设好了之后才着眼于其系统应用方面的建设, 导致其系统效益不能及时的发挥。

3) 终端设备性能低。跟GPS比起来, 北斗导航系统终端设备的性能还有待提升。由于终端产品市场的壁垒比较低, 所以都是一些规模比较小的厂家在开发、制造这些终端产品。又由于技术的欠缺, 北斗导航系统一些硬件的体积比较大, 这就使北斗导航系统在手持设备领域的竞争中处于劣势。

4) 外部竞争激烈。北斗卫星导航系统的市场份额也不占优势。在GPS发展初期, 由于同类产品少, 竞争压力小, 一支独大, 而北斗的发展面临着很激烈的外部竞争。特别是在中国导航产业市场份额已经占据垄断地位的GPS, 可以说, 北斗卫星导航系统争抢市场份额的过程将是不易的。

3.2 北斗卫星导航系统的优势

跟GPS比起来, 北斗卫星也有其自身优势。第一, 北斗卫星不仅具备定位功能, 还具备了通讯功能, 而GPS则不具备这一功能。第二, 北斗卫星的覆盖范围更大且没有通讯盲区, 能够24 h全天候服务。不仅是中国, 中国周边的国家也在覆盖范围内, 都可以享受北斗卫星的服务。第三, 北斗卫星更加适合用户大范围的监控和管理, 以及无依托地区用户采集数据。第四, 北斗卫星是我国自主研发创造的, 更加地安全、可靠, 保密性比较强, 主动权掌握在自己手中, 比较适合关键部门使用。

4 对北斗卫星导航系统发展的建议

如今, 中国作为一个GPS卫星导航系统应用大国, 大部分导航系统和用户终端还是依靠进口, 这都是由于我国没有掌握关键技术, 而大力推进北斗卫星产业化, 无疑是摆脱这种不利局面的最好方式, 结合GPS导航系统的发展情况, 提出以下建议[4]。

4.1 政策方面的建议

卫星导航系统是我国信息体系的支撑性技术系统, 大力发展北斗卫星导航产业是十分迫切的。我国也应像美国一样, 颁布一些能够推动北斗卫星导航发展的政策, 加快北斗的建设和产业化。

政府应给予北斗卫星导航一定的政策和资金支持, 以克服产业发展过程中系统投资大、市场培育慢和回报周期长等不利因素, 争取形成卫星导航产业信息综合服务、成熟的产品研发制造链和规范的系统标准三大体系。政府必须出台相关政策以鼓励导航终端的消费, 可给予从事北斗导航产业的公司适当补贴以促进相关产品的进步, 或者直接对购买北斗导航终端的消费者进行一定补贴。只有政府加大扶持力度, 北斗才有可能在竞争如此激烈的市场中博得一席之地。目前我国交通运输部的重点运输过程监控管理服务示范系统工程已经提出了促进北斗卫星导航产业化的项目, 但部分已开展项目的进展情况不是特别乐观, 特别是终端安装进度明显滞后。所以, 政府不仅要提出相关政策, 还必须要加大执行力度。

4.2 技术方面的建议

北斗卫星导航相关设备的产业化是以政府进行必要的资金投入为前提的。要鼓励市场积极研发相关产品, 突破核心技术, 打破主要依靠进口的现有格局, 着力实现自主知识产权的具有国际领先水平导航产品, 降低成本, 实现规模化生产, 才能在当今竞争激烈的市场中取得自己的一席之地。

还应促进北斗导航卫星与GPS卫星应用的融合。目前, 中国95%以上的电子导航产品的技术支撑都是美国的GPS, 如果在发展北斗卫星应用的同时不考虑GPS的市场影响的话, 北斗卫星的应用发展之路将会非常艰辛。所以不妨借GPS之势, 提高北斗导航产品与GPS的兼容性, 从而逐步扩大北斗导航的市场份额。此外, 实践也表明了用户最需要的往往也是能兼容多星、优势互补的导航产品。

5 结语

如果将北斗导航系统的发展与智慧城市的建设有效地联合起来, 将会大大提高智慧城市的建设规划、资源监测以及环境监测的水平。目前, 北斗卫星导航系统的建设水平与智慧城市建设需求还存在着差距, 相关理论、技术也还需要进一步深入研究。

通过将北斗卫星与GPS对比, 我们发现了很多不足, 也从GPS的发展历程中看到了很多值得借鉴的地方。我国应从政策和技术两方面入手, 双管齐下, 才能使北斗卫星导航系统占领中国乃至全球的导航市场, 才能离“智慧城市”的美好愿景更近一步。

摘要：中国自主研发的北斗卫星导航系统是现在大力提倡“智慧城市”重要的技术支撑, 发展北斗卫星导航系统对我国建设有战略性意义。通过与美国GPS导航系统对比, 得出北斗卫星导航系统发展应从国家政策和技术这相辅相成的两方面抓起, 使北斗卫星导航系统能在激烈的市场竞争中取得一席之地。

关键词：GPS,北斗卫星导航系统,智慧城市

参考文献

[1]李宇华, 刘文平, 魏俊峰, 等.美国GPS政策的演变规律及启示[G].第四届中国卫星导航学术年会论文集, 2013.

[2]杨琰.北斗卫星导航系统与GPS全球定位系统简要对比分析[J].无线互联科技, 2013 (4) :114;131.

[3]徐友方.美国GPS系统独占鳌头的局面将被彻底打破[J].船舶工业技术经济信息, 2005 (1) :32-35.

[4]马智伟, 汤文仙.北斗产业化需要新路线图[N].中国电子报, 2013-06-14 (11) .

“北斗”为你导航 篇2

挑战GPS垄断地位

1994年，美国人经过20年精心打造，将全球定位系统（GPS）正式投入使用，并推向全球商业化。这个继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一项空间计划，成为占据全球空间技术新的高度。也是在这一年，经过前期论证，命名为“北斗”的中国导航计划出台，立项申请正式获得国务院批准。经过近20年的发展，北斗卫星导航系统（BDS）已成为与美国GPS系统、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）、欧盟伽利略系统（Galileo）比肩而立的全球四大卫星导航系统之一。

不难看出，北斗与GPS相差20年的“技术年轮”，但北斗紧追不舍，如今在技术成熟度上正在与GPS全面PK。长期以来，国内民用地理位置信息服务市场主要由GPS一家垄断，打开定位，通过微信、人人网、大众点评网等社交平台签到，搜寻附近的酒店、餐厅、银行，寻觅住宿，评价美食，关注朋友……这些基于GPS的位置服务已渗透到我们的日常生活。据统计，目前国内导航产业95%被GPS垄断。

但星汉灿烂，北斗格外明亮。北斗雄心勃勃，决意在2020年之前，将中国用户从GPS手中夺回，届时，相信每个人都“仰望”北斗，生活也需要北斗“导航”。

之所以有这个自信，是因为在某些技术方面，北斗有其独特的后发优势。2012年，北斗卫星导航已经形成区域覆盖能力，能够为中国及周边地区，包括中国香港、澳门和澳大利亚等提供卫星导航服务。其位置精度达到平面10m、高程10m，测速精度0.2m/s，授时精度达到单向50ns，与GPS民用精度媲美。目前已在测绘、电信、水利、交通运输、勘探、渔业、森林防火和国家安全等诸多领域得到广泛应用，正逐渐被各级政府所重视。

更为新奇的是，一般卫星导航系统只是告诉你什么时间、在什么地方。而北斗除了让你自己知道在什么时间、什么地方之外，还可以将你的位置信息发送出去，使你想告知的亲人、同事、朋友及时获知你的定位情况。将短信和导航结合，是北斗的独家发明。

目前来看，北斗定位精度与GPS系统相当，但北斗系统整体布局的效率与GPS仍有差距，北斗计划于2020年以35颗卫星覆盖全球，而GPS仅用24颗卫星即完成全球覆盖。

4000亿元市场蛋糕

作为科技含量极高、人力资本密集的战略性新兴产业，北斗导航卫星产业化的市场空间宽泛，极富想象力。虽说北斗系统在全球卫星导航产值中占比还不足8%，但另一方面，我国手机、汽车占全球总量的比例正逐年提高，北斗产业具有很大的发展空间。

根据《规划》，到2020年，我国卫星导航产业创新发展格局基本形成，产业应用规模和国际化水平大幅提升，产业规模超过4000亿元，北斗卫星导航系统及其兼容产品在国民经济重要行业和关键领域得到广泛应用，在大众消费市场逐步推广普及，对国内卫星导航应用市场的贡献率达到60%，重要应用领域达到80%以上，在全球市场具有较强的国际竞争力。

有关人士指出，北斗将最终成为与GPS相抗衡的卫星导航系统，挖掘北斗产业的投资机会，可遵循两条投资思路：一是相关卫星导航系统设备制造商，二是随着产业升级改造而提供一揽子解决方案的卫星导航系统服务商。

借鉴全球卫星导航产业前驱者的发展轨迹，未来的应用将沿着国防应用、特种行业和大众消费三个层次展开。国防应用当然会率先展开，特种行业也会迅速跟进，但是大众消费将来会是主导市场。短期来看，服务国防应用的公司会率先行动。

据业内人士分析，北斗产业的发展将形成基础产品（包括导航天线、终端芯片、板卡、导航地图等）、导航终端产品和运营服务等上、中、下游三条产业链，影响国防、交通、通信、电力、渔业等各大领域。

位于这三条产业链上的国腾电子、中海达、海格通信、四创电子、中国卫星、高德、四维图新、合众思壮等上市公司，以及南方测绘、东方联星等非上市公司均会因此受益。

但就企业竞争力而言，由于技术积淀不够，国内企业在卫星导航领域缺乏核心技术和专利，关键技术若立足自主研发，需花费上亿元，成本高昂，一般企业钱袋难以承受。而且芯片没有经过大量市场应用，成熟度需要实践验证。因此，补强核心技术并快速抢占市场是北斗产业的发展重点。

政策扶持和市场引导

不可否认，目前我国北斗产业还面临很多问题。相当一段时间，由于没有纳入国家的整体规划，尽管目前从事北斗产业的相关公司超过6800家，从业人数为15～20万人，总投资规模在500亿元左右，但整个产业仍呈“小、散、乱”状态。

这就需要国家政策予以扶持。当前国家相关部委安排了专项资金、专题项目，希望以示范为主，带动、牵引促进北斗产业的发展。需要注意的是，不要再“撒胡椒面”，应当重点扶持，重点突破。虽说新兴产业往往需要在摸索中前行，也很难知道哪块云彩有雨，但作为主管部门，应当以大智慧重点扶持。

根据科技部2012年8月22日印发的《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》显示，“十二五”末，导航与位置服务产业要形成1000亿元以上的规模，初步建立5个高新技术产业化基地，培育30家创新型企业。这意味着国家对北斗产业相关扶持政策的进一步落实。

以姚明代言的合众思壮为例，这些年，作为高新技术企业，得到了税收方面的优惠，享受了退税政策。在人才引进方面，从博士后流动站进入公司的高级人才可以解决北京户口。另外在一些科研项目上获得了财政补贴，比如863项目、北京现代服务产业研发项目等。在诸如芯片的开发、终端的开发、行业应用等方面，也都得到了政府的资金补贴。这些项目代表着政府支持的方向，公司也非常重视。

而随着《国家卫星导航产业中长期发展规划》的发布，会像上海自贸区先出总体方案再出细则那样，市场对未来的政策多有期待：比如设立北斗产业基金，吸引企业加入北斗产业链，规模有望为百亿元级；鉴于芯片为北斗产业链中的核心，尤其为手持产品中的关键，应当重点培育两三家芯片研发企业。

但是政策扶持不代表支持垄断，在增强产业竞争力的大目标下，不能违背市场引领的法则，各个部门之间地盘的划分要打破，杜绝靠北斗扶持政策吃垄断饭，市场机制统筹下不要给企业太多牵绊。

-蔡恩泽

北斗/GPS导航 篇3

2010年1月17日凌晨, 北斗二代卫星导航系统的第三颗卫星成功发射。这也预示着北斗二代进入了加速组网阶段。2010年11月1日00:26我国成功将第四颗“北斗二代”导航卫星送入太空。

1“北斗”定位系统的定位原理及系统组成

1.1“北斗”卫星导航系统的定位原理

“北斗一号”卫星导航系统的定位原理与GPS系统不同, GPS采用的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的三维定位数据, 而“北斗一号”卫星导航定位系统则采用主动式双向测距二维导航, 由地面中心控制系统解算供用户使用的三维定位数据。“北斗”卫星是中国“北斗”导航系统空间段组成部分, 由两种基本形式的卫星组成, 分别适应于GEO和MEO轨道。“北斗”导航卫星由卫星平台和有效载荷两部分组成。卫星平台由测控、数据管理、姿态与轨道控制、推进、热控、结构和供电等分系统组成。有效载荷包括导航分系统、天线分系统。GEO卫星还含有RDSS有效载荷。因此, “北斗”卫星为提供导航、通信、授时一体化业务创造了条件。

1.2 系统组成

北斗双星导航系统主要由空间部分、地面中心控制系统和用户终端3个部分组成。空间部分由轨道高度为36000km的2颗工作卫星和1颗备用卫星组成 (一个轨道平面) , 其坐标分别为 (80°E, 0°, 36000km) 、 (1 40°E, 0°, 3 60 00 km) 、 (1 10.5°E, 0°, 36000km) 。卫星不发射导航电文, 也不配备高精度的原子钟, 只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。卫星电波能覆盖地球表面42%的面积, 其覆盖的经度为100°, 纬度为N81°~S81°。

地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢, 包括1个配有电子高程图的地面中心站、地面网管中心、测轨站、测高站和数十个分布在全国各地的地面参考标校站, 主要用于对卫星定位、测轨, 调整卫星运行轨道、姿态, 控制卫星的丁作, 测量和收集校正导航定位参量, 以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。用户终端为带有定向天线的收发器, 用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求, 不含定位解算处理功能。

时间系统和坐标系统:时间系统采用UTC (世界协调时) , 坐标系统采用1954年北京坐标系和1985年中国国家高程系统。未来的北斗卫星导航系统 (COMPASS) 将由分布在3个轨道面上的30颗中等高度轨道卫星 (MEO) 和均匀分布在一个轨道面的5颗地球同步卫星构成。非静止轨道上, 每个轨道面10颗卫星, 其中1颗为备用, 轨道倾角为56°。卫星轨道半长轴约为2.7万km。

2 北斗卫星导航系统的工作过程

地面控制中心向卫星I和卫星II同时发送询问信号, 经卫星转发器向服务区内的用户广播。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响应信号, 经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号, 然后根据用户申请的服务内容进行相应的数据处理。对定位申请, 中心控制系统测出两个时间延迟:即从中心控制系统发出询问信号, 经某一颗卫星转发到达用户, 用户发出定位响应信号, 经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟;和从中心控制系统发出询问信号, 经上述同一卫星到达用户, 用户发出响应信号, 经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的, 可以由上述两个延迟量计算出用户到第一颗卫星的距离, 以及用户到两颗卫星距离之和。从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面, 和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上;另外, 中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值, 又知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。因此, 中心控制系统利用数值地图可计算出用户所在点的三维坐标, 并与相关信息或通信内容发送到卫星, 经卫星转发器传送给用户或收件人。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。

3 北斗卫星导航系统与GPS系统的比较

3.1 卫星数量和轨道特性的对比

北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星, 轨道赤道倾角55°, 轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道, 绕地球一周11小时58分。

3.2 定位原理的对比

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。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题, 一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性, 这在军事上相当不利, 另一方面由于设备必须包含发射机, 因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。

3.3 定位精度的对比

北斗导航系统三维定位精度约几十米, 授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m, C/A码目前己由25m~100m提高到12m, 授时精度日前约20ns。二代“北斗”可以称为“中国的GPS”, 不过它仍然会比GPS多一个通讯为发展我国二代“北斗”的关键技术提供了准备。定位的“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器, 能够参照其他星, 把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功, 表明这种技术是有效而可靠的。

参考文献

[1]吕伟, 朱建军.北斗卫星导航系统发展综述[J].科技资讯, 2007 (3) .

北斗导航定位系统发展研究 篇4

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/GPS导航 篇5

众所周知, 目前较为成熟的通讯授时系统大部分都是基于GPS系统设计, 为尽早摆脱受制于人的状况, 我国加紧自行研制属于自己的导航系统, 北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。北斗二代卫星系统自2007年第一个组网卫星发射, 至今已经发射19颗卫星, 已经具备亚洲区域覆盖。

2 卫星授时系统简介

卫星授时系统, 是由有源天线和接收机两部分组成, 所谓有源天线是由无源天线和低噪声放大器两部分组成, 采用同轴馈电方式。由无源接收天线接收的卫星信号经过低噪声放大, 然后通过同轴电缆传输至授时接收机。

3 设计依据

由于GPSL1频率为1575.42±1.023MHz, , 而而北北斗斗系系统统BB33为为1561.098±2.046MHz, 因此要求无源天线和低噪声声放放大大器器的的频频率率范范围围满足该要求, 目前市面上天线厂家已经能设计出符合合指指标标要要求求的的无无源源天天线, 因此有源天线的设计关键点是低噪声放大器设计计。。

4 方案设计

4.1 功率增益

功率增益是表征器件放大能力的一个参数, 功功率率增增益益定定义义为为负负载载吸收功率与输入功率的比值, 即

根据指标要求可以确定, 采用三级放大链路路即即可可满满足足增增益益要要求求, , 采用三级放大的依据是因为在高频段, 因需要满足稳稳定定性性要要求求, , 单单级级增增益不易做的过高, 而在L频段根据经验参数以15dd BB左左右右最最为为合合适适。。

4.2噪声系数

噪声系数是信噪比下降的度量, 定义为输入信信噪噪比比与与输输出出信信噪噪比比的比值, 即

其中Si和Ni是输入信号和噪声功率, So和NNoo输输出出信信号号和和噪噪声声功率。而级联系统的噪声系数为

其中Fcas是总噪声系数, F1和G1是第一级放大器的噪声系数和功率增益, F2和G2是第二级放大器的噪声系数和功率增益, 以此类推, 从上式可以看出越是靠前的放大器噪声系数对系统噪声系数贡献越大, 因此对第一级放大器噪声系数要求较高。

4.3 输入输出驻波比

输入输出驻波比是衡量匹配程度的一个量, 如果匹配良好, 不产生反射, 只有入射波, 没有反射波, 电缆各处电信号的幅度相等。如果匹配不好, 将产生反射, 电缆中入射波和反射波迭加, 使得沿电缆中一定距离电压或电流幅度呈周期性变化, 幅度最大值和最小值之比就叫驻波比。

目前厂商已经设计出噪声系数小于1d B的低噪声放大器成品, 该方案采用SPF5043Z, 电气性能参数如图1所示:

5 仿真结果

通过使用安捷伦公司的微波仿真软件可以仿真出最终低噪声放大器器的的电电气气相相关关性性能能, , 如如下下图图所所示示::

6 结论

根据仿真结果可以看出, 该方案低噪声放大器总增益为41d B左右, 并且带内增益平坦度可以做到0.4d B, 输入驻波比为1.19, 满足小于等于1.5的要求, 输出驻波比为1.51, 满足小于等于2.0的要求。综上所述, 该方案能够很好的满足授时系统的要求, 可替代市场同类产品。

摘要：本论文根据目前国内通讯授时系统情况, 结合北斗+GPS互为主备的双授时系统, 提出一种基于GPS和北斗卫星导航系统的有源天线设计方案。

关键词：授时系统,天线,低噪声放大器

参考文献

[1]David M.Pozar.张肇仪, 周乐柱, 吴德明, 等译.微波工程[M].北京:电子工业出版社, 2010.

[2]Pavel Bretchko, Reinhold Ludwig.王子宇, 徐承和, 等译.射频电路设计—理论与应用[M].北京:电子工业出版社, 2002.

[3]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 1991.

北斗/GPS导航 篇6

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

[1]马茹, 胡建伟, 杨立成.GPS信号和其干扰的Matlab仿真[J].电子科技, 2011, 24 (5) :17-22.

[2]王海军, 魏冲, 祝益芳.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].信息与电脑:理论版, 2010 (8) :54-56.

[3]于华明.北斗卫星是怎样导航定位的[J].计算机测量与控制, 2003 (6) :21-25.

[4]秦加法.我国自主卫星导航定位系统:北斗卫星导航定位系统综述[J].全球定位系统, 2003 (3) :32-35.

[5]李建, 谢小荣, 韩英铎, 等.北斗卫星导航系统与GPS互备授时的分布式相量测量单元[J].电网技术, 2005 (9) :11-15.

[6]赵楠, 王永生.北斗卫星定位算法研究[J].电子科技, 2011, 24 (10) :102-103.

[7]朱伟康, 张建飞, 傅俊璐.北斗卫星系统在远洋船舶上应用的研究[J].无线电工程, 2008 (9) :111-114.

[8]程翔, 陈恭亮, 李建华, 等.基于北斗卫星导航系统的数据安全应用[J].信息安全与通信保密, 2011 (6) :77-81.

北斗/GPS导航 篇7

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, 是继美国GPS全球定位系统和俄国GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成, 可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务, 并具有短报文通信能力, 已经初步具备区域导航、定位和授时能力, 定位精度优于20m, 授时精度优于100ns。

1.1 系统介绍

北斗导航系统是全天候、全天时提供卫星导航定位信息的区域导航系统, 该系统是由空间的导航通信卫星、地面控制中心和用户终端3部分组成:空间部分有2颗地球同步卫星, 执行地面控制中心与用户终端的双向无线电信号的中继任务;地面控制中心 (包括民用网管中心) 主要负责无线电信号的发送接收, 及整个工作系统的监控管理。其中, 民用网管中心负责系统内民用用户的登记、识别和运行管理;用户终端是直接由用户使用的设备, 用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。

北斗卫星导航系统的建设与发展, 以应用推广和产业发展为根本目标, 建设过程中主要遵循以下原则:

1.1.1 开放性

北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放, 为全球用户提供高质量的免费服务, 积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作, 促进各卫星导航系统间的兼容与互操作, 推动卫星导航技术与产业的发展。

1.1.2 自主性

中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统, 北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。

1.1.3 兼容性

在全球卫星导航系统国际委员会和国际电联框架下, 使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作, 使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。

1.1.4 渐进性

中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展, 不断完善服务质量, 并实现各阶段的无缝衔接。

1.2 主要功能

北斗导航系统具有快速定位、简短通信和精密授时的三大主要功能。

1.2.1 快速定位

确定用户地理位置, 为用户及主管部门提供导航。水平定位精度100m, 差分定位精度小于20m。定位响应时间:1类用户5s:2类用户2s:3类用户1s。最短定位更新时间小于1s。一次性定位成功率95%。

1.2.2 简短通信

北斗导航系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字报文通信能力, 一般1次可传输36个汉字, 经核准的用户利用连续传送方式还可以传送120个汉字。

1.2.3 精密授时

北斗导航系统具有单向和双向2种授时功能, 根据不同的精度要求, 利用定时用户终端, 完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步, 提供单向授时100 ns和双向授时20 ns的时间同步精度。

2 GPS全球定位系统

GPS是英文Global Positioning System (全球定位系统) 的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目, 1964年投入使用。20世纪70年代, 美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务, 并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的, 经过20余年的研究实验, 耗资300亿美元, 到1994年, 全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

2.1 系统与功能介绍

GPS卫星导航系统主要由三部分组成:空间部分、地面控制系统和用户设备部分。

2.1.1 空间部分

GPS的空间部分是由24颗卫星组成其中21颗工作卫星, 3颗备用卫星。它位于距地表20200km的上空, 运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上, 轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星, 并能在卫星中预存导航信息, GPS的卫星因为大气摩擦等问题, 随着时间的推移, 导航精度会逐渐降低。

2.1.2 地面控制系统

地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成, 主控制站位于美国科罗拉多州春田市。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息, 并计算卫星星历、相对距离, 大气校正等数据。

2.1.3 用户设备部分

用户设备部分即GPS信号接收机, 其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星, 并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后, 就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率, 解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据, 接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算, 计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电, 以防止数据丢失。各种类型的接收机体积越来越小, 重量越来越轻, 便于野外观测使用。

与北斗卫星导航系统类似, GPS的主要功能有三点:导航、测量和授时。

3 应用优势分析

现阶段在个人消费领域的商业应用方面, GPS一直处于垄断地位, 全球汽车导航中使用的基本都是GPS设备。随着北斗卫星导航系统的逐步建设, 北斗系统将有希望打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。相比较而言, 北斗应用具有以下五大优势:

·同时具有定位与通信功能, 不需要其他通信系统的支持, 而GPS则没有通信功能。

·覆盖范围大, 24小时全天候服务, 没有通讯盲区。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。

·特别适合集团用户大范围监控与管理, 以及无依托地区数据采集用户数据传输应用。

·融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源, 因此也可利用GPS使之应用更加丰富。

·自主系统, 安全、可靠、稳定, 保密性强, 适合关键部门应用。

4 结论

通过主要了解北斗卫星导航系统与GPS全球定位系统的系统组成与功能, 结合现今全球导航系统的发展需求, 从市场发展来看, 世界上多套全球导航定位系统并存, 相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。我国建设北斗卫星导航系统的长远目标是建设覆盖全球、规模庞大、整体性强的卫星导航系统。

参考文献

[1]海研.我国的北斗导航系统.航海科技动态, 2001, 12:22-23.

[2]李大光.北斗卫星导航系统:中国版的GPS.生命与灾害, 2010, 3:28-31.

北斗/GPS导航 篇8

北斗是中 国正在实 施的自主 发展 、 独立运行 的全球卫 星导航系 统 ,与目前应 用最成熟 的GPS或其他类 型导航设 备可构成 组合导航 系统 ,为工作在 复杂环境 中的飞行 器提供可 靠导航信 息 , 而飞行器 机动性未 知 , 组合导航 系统运动 模型以及 噪声统计 特性存在 误差 。 为了处理 各种误差 , 文献 [1] 直接对GPS接收机的 输出结果 进行动态 滤波 ; 文献 [2] 设计一种 容错型联 邦强跟踪 滤波器并 应用于COMPASS、GPS、GLONASS组合导航 系统中 ;文献 [3-4] 对GPS、GLONASS、GALILEO组合导航 系统提出 自适应联 邦Kalman滤波以及 双重自适 应算法 。

标准Kalman滤波是一 种在正确 的运动模 型和噪声 统计特性 下对导航 系统动态 数据进行 实时滤波 的有效方 法 ,但在实际 应用中受 限 。 Sage-Husa算法利用 噪声估计 器对未知 且时变的 噪声统计 特性进行 估计[5],而北斗/ GPS组合导航 系统维数 较高 , 计算量大 , 一旦Q ( 过程噪声 协方差阵 ) 和R( 量测噪声 协方差阵 ) 分别失去 半正定性 和正定性 会导致滤 波发散 。 简化Sage-Husa算法删去q ( 过程噪声 均值 ) 和r ( 量测噪声 均值 ) 的计算 , 认为Q稳定 ,并改进R估计表达式[6]。 而实际情况下的Q会变化 , CS模型中加 速度上下 限取值过 大或过小 , 均导致系 统噪声方 差与实际 不符 ,跟踪精度 低 。 为此 ,本文提出 一种适应 飞行器运 动状态的 改进自适 应算法 , 它实时估 计R , 且利用速 度滤波 、 预测估计 间的差值 改进加速 度协方差 计算表达 式 , 实现Q自适应于 飞行器的 机动特性 , 并提高跟 踪能力 。 通过实验 仿真与标 准Kalman、 简化Sage - Husa算法进行 了比较和 分析 。

1北斗/GPS组合导航系统模型的建立

1.1联邦滤波器设计

视北斗 、GPS为两个相 互独立的 联邦成员 , 并分别设 计自适应 子滤波器 ,采用容错 性最好的 无反馈重 置联邦滤 波器对各 子滤波器 进行数据 融合 ,见图1。 若北斗 、 GPS子滤波器 局部状态 估计和相 应估计协 方差阵分 别为 ( X赞1, P11) , ( X赞2, P22) , 且各局部 估计互不 相关 , 即Pij= 0 ( i ≠ j ) , 则全局最 优估计为 :

北斗 、GPS子滤波器 数学模型 的建立方 法相同 , 不妨以GPS为例 。 子滤波器 建立的状 态方程有12个状态变 量 , 观测方程 有由接收 机输出的3个观测量 , 且每组状态变量和对应观测量相 互独立 。 可分别对e,n,u(东北天坐 标系 )三个轴向 的状态变 量以及对 应观测量 单独滤波 ,以e轴模型建 立进行讨 论 。

1.2北斗/GPS组合导航系统状态方程建立

由于飞行 器是在三 维空间的 运动 , 考虑飞行 器的位置 、速度 、加速度以 及GPS在e轴方向上 的总误差 ,采用CS模型[7]描述飞行 器的运动 。

状态方程 为 :

式中 ,X =[xeveaeεe]T, xe、 ve、 ae分别为东 向位置 、 速度和加 速度 ;εe为e轴方向上 的总误差 , 等效一阶 马尔可夫 过程 ;Uk - 1为加速度 “ 当前 ” 均值 ;Wk - 1为系统噪 声 ; 状态转移 矩阵为 Φk , k - 1, 系统噪声 协方差阵 为Qk - 1。将加速度 一步预测 作为 “当前 ”加速度均 值 ,则状态一 步预测方 程为 :

式中 :

1.3北斗/GPS组合导航系统观测方程建立

系统的观 测量包括 接收机输 出的飞行 器东向 、 北向和天向坐 标分量xe、 xn、 xu, 各个方向 的总误差 εe、 εn、 εu以及量测 噪声 ωZe、 ωZn、 ωZu( 观测方程 中仅列出 东向观测 量 )[1], 实验中经 纬高度量 测值单位 为m, 并用量测 值叠加高斯白 噪声 。

观测方程 为 :

式中 , 观测值Zk= E , 量测噪声V = ωZe, 量测矩阵H = [ 1 0 0 1 ] 。

Rk为观测噪 声协方差R的离散化 形式R=Re2。

2算法描述

2.1简化Sage-Husa算法

在线同时 估计噪声 统计特性 会使维数 较高的组 合导航系 统实时性 变差 , 认为R对滤波影 响最为明 显 ,视Q为定值[6]。

设线性离 散时间系 统为 :

式(6)、式(7)中Xk是n维状态向 量 ,Zk是m维观测序 列 ,Φk , k - 1是维状态 转移矩阵 ,Hk是m×n维观测矩 阵[8]。 Wk - 1和Vk是相互独 立的正态 白噪声序 列 。 算法描述 如下 :

2.2改进自适应算法

因飞行器 的飞行环 境复杂 ,且其运动 规律未知 ,系统干扰存在不 稳定性 , 仅仅实时 估计量测 噪声不能 明显获得高精度导航信息,以及实时并准确估计出系统干扰。

可以通过CS模型中加 速度协方 差估计出 系统干扰 , 但是在CS模型中 , 当飞行器 弱机动时 , 其当前加 速度a赞k较小 , 与较大的 加速度上 下限amax差值偏大 , 加速度协方差 σa偏大 ,导致Q偏大 。 可见 ,加速度上 下限不能 自适应飞 行器的机 动特性 ,滤波器跟 踪能力较 差 。 因此 ,本文对加 速度协方 差的计算 进行改进 。 利用速度 估计 、速度滤波 预测之间 的差值改 进了加速 度协方差 的计算表 达式 :

由式 (9) 可知 , 当飞行器 弱机动或 无机动时 , 其速度滤 波vk、 预测估计vk , k - 1之差较小 , 加速度协 方差较小 ; 当飞行器 强机动时 ,其速度滤 波vk、 预测估计vk , k - 1之差值较 大 ,加速度协 方差较大[9]。 因此 ,不管飞行 器机动性 如何 ,滤波器都 能保持较 好跟踪 。

在进行滤波过程中,不仅能实时估计R,而且根据飞行器的机动特性计算出加速度方差,从而较准确地估计出Q。

3实验过程以及算法仿真

3.1实验过程

实验所用 的接收机 为国内和 芯星通公 司的北斗/ GPS双模模块 , 将其安置 在无人飞 行器上 , 通过无线 数传模块 与上位机CDT软件进行 通信 。让无人飞 行器保持 一定高度 在操场实 时采集并 存储数据 , 采集频率1 Hz, 实验时间350 s。 飞行器的 初始位置 为纬度25.28°,经度110 . 33 ° , 初始速度 为1 m / s , 初始状态 协方差P0= diag ( 402, 1 . 02, 0 . 12, 402) , 初始加速 度为0 。 滤波参数 如下 :

3.2算法仿真分析

实验仿真 曲线 、数据均来 自MATLAB。

实验1:改进自适 应算法仿 真

根据建立 的北斗/GPS组合导航 系统数学 模型 ,利用标准Kalman滤波 、简化Sage-Husa算法和改 进自适应 算法对该 模型经度 方向误差 进行滤波 估计 , 滤波效果 如图2和图3所示 。 同时统计 了两种算 法下的经 纬度 、 速度均方 根和均值 误差 , 如表1所示 。 对每种方 法进行M = 100次蒙特卡 罗仿真 , 用均方根 误差衡量 滤波精度 , 每一时刻 的均方误 差为(dik为真值与 观测值的 偏差):

从图2、 图3的仿真曲 线可知 , 在相同时 刻 , 改进自适 应算法得 到的位置 滤波效果 显然要优 于另外两 种算法 , 因为飞行 器采集数 据过程中 , 其运动规 律和噪声 未知 。 标准Kalman、 简化Sage-Husa算法均未 同时估计Q和R, 也没有考 虑加速度 上下限对 状态估计 精度的影 响 , 改进自适 应算法不 仅估计R, 而且根据 飞行器的 机动特性自 适应调整Q,跟踪精度 提升 。 表1的统计结 果也说明 了这一点 。

实验2:北斗/GPS组合导航 系统计算 仿真

利用无反 馈重置联 邦滤波器 对北斗 、GPS信息进行 融合 ,子滤波器 均采用改 进自适应 算法 。 将北斗/GPS组合导航 系统的导 航信息与 实际飞行 数据作差 ,并分别与 北斗、GPS子系统的仿真结果进行对比,仿真结果见图4~ 图6,相关统计 量见表2。

从图4~图6可以看出 ,GPS、北斗系统 的位置误 差分别在1 m、2 m以内 , 而北斗/GPS组合导航 系统的位 置误差在1.2 m以内 , 其误差处 于GPS和北斗系 统之间 。 表2的误差统 计结果表 明北斗/GPS组合导航 系统的位置误差仅 次于GPS。 这是由于 北斗 、GPS同属于卫 星导航系 统 , 系统性能 、 误差特性 相似 , 优劣相当 , 因此同种 类型导航 系统之间 的信息融 合效果不 及于不同 类型导航 系统之间 取长补短 带来的滤 波效果 。 然而采用 无反馈重 置联邦滤 波器的北 斗/GPS组合导航 系统 , 容错性能 最好 ,且计算量 少 ,满足导航 系统实时 性高的要 求 。

4结束语

本文提出一种改进自适应算法,根据飞行器的运动状态实时估计Q, 并估计出R, 同时融合北斗 、GPS系统信息,通过与标准Kalman、简化Sage-Husa算法的仿真比较, 验证改进自适应算 法能明显提高组合 导航系统 的导航精 度。 将改进自适应算法应用于北斗/GPS组合导航系统中, 其定位精度虽与GPS相当,但是提高了系统容错性。 随着中国北斗的不断发展,与其他卫星导航系统以及不同类型导航设备(如捷联惯导)之间的组合拥有更大的应用潜力。

摘要：北斗与GPS或其他类型导航设备可构成组合导航系统,为无人飞行器提供高精度、高可靠导航信息。在处理动态导航数据采用“当前”统计模型(CS模型)并利用标准Kalman滤波方法时,系统动态噪声和观测噪声未知且时变,而且加速度上下限值不能自适应于未知运动规律的无人飞行器当前加速度,导致导航精度降低。为此,提出一种适应于飞行器运动状态的改进自适应算法,并应用于北斗/GPS动态导航系统中。实验仿真验证了该算法能有效提高组合导航系统的精度和可靠性,并能更好地自适应于无人飞行器的机动特性。

北斗/GPS导航 篇9

16日，在太空运行的北斗导航卫星准确接收到西安卫星测控中心发出的第3次远地点点火指令，测量数据显示，卫星顺利进入工作轨道，星上设备工作正常，卫星转入正常工作模式，开通导航信号。

这颗北斗导航卫星将参与中国北斗导航系统建设计划。卫星的发射成功，标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。

卫星导航系统为人类带来了巨大的社会和经济效益，目前世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。我国先后于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日以及今年2月3日发射了四颗北斗导航试验卫星，成功建立了具有我国自主知识产权的区域性卫星导航系统——北斗卫星导航试验系统。该系统一直运行稳定、状态良好，已在测绘、交通运输、电信、水利、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用，应用前景十分广阔。

据介绍，我国将在未来几年里，陆续发射系列北斗导航卫星，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统，主要用于国家经济建设，满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求。

本次成功发射的北斗导航卫星由航天科技集团公司所属的中国空间技术研究院研制生产。

执行卫星发射任务的长三甲火箭由航天科技集团公司所属的中国运载火箭技术研究院为主研制。

据悉，北斗卫星导航系统的发射任务将全部由长三甲系列火箭承担。由于该系统由不同轨道卫星组成，因此火箭会适时进行技术状态更改。此次发射，火箭进行了较大的技术状态变化。最大的变化是发射的卫星轨道由前12次的地球同步轨道变为中圆轨道。另外，此次发射还首次在火箭上使用了地面预置瞄准起飞滚转定向和高空双风向补偿技术，火箭三级发动机第一次采用一次工作模式，首次采用远距离测发控模式发射等等。这是该火箭连续第13次成功飞行，是长三甲系列火箭第20次成功发射。

此次发射是长征系列火箭第97次发射，是自1996年10月以来，该系列火箭连续55次成功发射。

北斗/GPS导航 篇10

近年来,随着GNSS(Global Navigation Satellite System,全球卫星导航系统)技术的快速发展,卫星导航应用已经逐步深入到了日常生活、物流运输和测绘等各个领域。然而GNSS技术的广泛应用也给GNSS接收机的设计带来了挑战。这些挑战主要表现在高性能和低功耗两个方面。一方面,接收机的设计需要能够在较短的时间内对GNSS信号进行分析处理,得到高精度的定位结果;另一方面,由于接收机在很多时候使用电池供电,所以接收机设计应该尽可能地降低功耗。

美国的GPS系统、俄罗斯的Glonass和欧盟的Galileo系统已经相继发展成熟,多模导航也成为领域研究热点[1],其中在GPS接机方面国内也已经有很多成熟的仿真[2]和研究[3]我国的北斗卫星导航系统还处于迅速发展阶段。根据测量分析,北斗系统已经具备了单点定位功能[4],并且结合GPS与北斗系统的双模定位相对单系统而言,能提高定位稳定性、改善定位精度[5]。所以研究GPS/北斗双模导航对我国北斗事业的发展有重要意义。

本文研究了GPS/北斗双模导航接收机电路中的捕获器架构,该捕获器以时分复用的方式捕获GPS和北斗信号。基于电路可配置性的角度选择了多普勒频移并行捕获算法,并在设计过程中尽量以电路复用的方式来减少硬件资源,最后对相关器和FFT的并行度进行了选择,使得电路达到在时间-功耗上的平衡。

1 GPS/北斗信号

2011年12月北斗二代系统正式提供试运行服务,并发布了《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件(测试版)》。根据文件可以看到,北斗二代系统信号和GPS信号相似,都采用CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)的方式用PRN(Pseudo-Random Noise,伪随机噪声)码对信号进行调制。只是信号频率、PRN码序列、码率和符号率等不同。

1.1 GPS信号

GPS的每颗卫星在两个载波频率上发射BPSK(Binary Phase Shift Keying,二相相移键控)调制的导航信号:L1(1575.42MHz)和L2(1227.6MHz)。其中L1频率信号由C/A码和P码两个PRN码调制,L2频率则只调制P码。导航电文比特率为50bps,即一个电文bit占用时间是20ms。C/A码码率1.023Mcps,码长为1023码片。P(Y)码码率10.23Mcps,码周期非常长(约等于1014码片)。

1.2 北斗信号[6]

北斗系统和GPS一样,采用CDMA的扩频方案和BPSK调制。只是北斗的载波频率为B1(1561.098MHz),I支路数据比特率为500bps(GEO卫星),50bps(MEO/IGSO卫星),PRN码码率为2.046Mcps,码长为2046。图1显示了GPS L1上的C/A码信号与北斗GEO卫星I支路信号结构对比图。

2 捕获算法和比较

由于GPS和北斗信号类似,所以在信号捕获时,其捕获过程和捕获算法都是一致的。

2.1 信号捕获原理

在没有任何辅助信息的条件下,卫星信号的不确定性主要包括以下三个方面:(1)特定编号的卫星信号是否存在;(2)多普勒频移大小的不确定性;(3)PRN码相位的不确定性。捕获的搜索范围可以由图2表示,包括卫星、多普勒频移和码相位三个维度。对某颗卫星信号捕获的过程,实际上是对卫星信号的码相位和多普勒频移的搜索过程。

捕获的方法是利用PRN的自相关和互相关特性。PRN码的自相关函数峰值唯一,互相关函数基本接近0。如果考虑到多普勒效应,相关峰值会随着多普勒的偏移呈Sinc函数衰减。当接收机本地产生经多普勒调整的PRN码复制信号,并与接收到的信号进行相关运算时,只有当本地估计的多普勒频移和码相位与原信号非常接近时,得到的相关运算结果才会出现峰值。

2.2 捕获算法和比较

主要的捕获算法有3种。顺序捕获算法、多普勒频移并行捕获算法和码相位并行捕获算法。顺序捕获即以一定的顺序依次搜索每个捕获空间的单元,电路主要由相关器组成。多普勒频移并行捕获算法的电路原理图如图3所示,电路主要由相关器和FFT组成。码相位并行捕获算法的电路原理图如图4所示,电路主要由FFT和IFFT组成。

设码相位搜索空间为N,多普勒频移搜索空间为L,则三种算法捕获单颗星的算法计算量比较如表1所示。通常情况下N远远大于L,以N=2046,L=64为例,三种算法的复数加法计算量比例为2046:38:11;复数乘法计算量比例约为0∶6∶13。可以看出,两种并行算法在计算量上明显优于顺序搜索算法。多普勒频移并行搜索在加法上多于码相位并行搜索,在乘法上则小一些。

3 捕获器设计

由于捕获器在捕获灵敏度和捕获范围的要求,捕获的信号会有较大的变化,捕获器则需要以不同的算法参数来对信号进行处理。所以在设计捕获器电路时,应该充分考虑电路参数的可配置性。一般来说,相关运算电路的配置效率要高于FFT。相关运算电路通过配置,无论处理多长的相关运算,其硬件都是满负荷工作的。而用于处理长序列的FFT在处理短序列FFT时,其RAM空间利用率会降低,即硬件效率下降。

综合三种算法的计算量和硬件效率,本文选择了多普勒频移并行搜索算法进行电路设计,并用Verilog语言实现电路。硬件框架图如图3所示。

3.1 GPS/北斗双模支持

接收机中,RF前端负责接收信号,并将信号进行采样和ADC转换。之后接收机就得到了捕获器的中频输入信号。在国内外研究成果中,兼容GPS和北斗的射频前端已经实现[7,8]。

对于捕获器而言,GPS和北斗信号的不同点主要表现在两方面:信号中频频率和PRN码码序列。本设计中对不同中频频率的兼容是在载波振荡器模块中实现。载波振荡器电路框图如图5所示,其电路由累加器和正余弦查找表组成。累加器中的累加值代表相位,会随着时钟不断递增,模拟相位的变化。累加值的高三位在正余弦查找表中查得该累加值所代表相位的正余弦值。通过控制字的写入就可以控制累加值递增的速度,实现对不同相位变化速度的模拟,即可以支持不同的中频。

由文献[6]可以看出,北斗和GPS一样,其PRN码都采用的是多项式描述线性码。所以本地PRN码生成电路都可利用简单的移位寄存器来实现。使用射频信号发生器生成的数据进行测试,GPS信号和北斗的每颗卫星信号都能成功捕获。

3.2 相关器和FFT设计

对于捕获而言,时间是性能中一个很重要的参数,而硬件的并行计算可以有效地缩短捕获时间。本设计使用了256路相关器和8路FFT进行各自的运算,中间使用RAM连接。相关器和FFT的电路框图分别如图6和图7所示。由图中可以发现,相关器每个时钟完成一次加法运算,FFT每2个时钟完成一次蝶形运算。

4 并行度优化

捕获器在冷启动和温启动两种不同情况下,对卫星信号捕获采用的参数会有所不同,这时相关器和FFT的工作负载也会出现变化。表2以北斗B1频点信号为例,针对捕获器冷启动和温启动设计了3组捕获参数,并计算了相关器和FFT完成一颗卫星搜索空间的搜索所需要的时钟数。

温启动时,有卫星历书信息作为辅助信息,可以估计卫星运动的状态,缩小多普勒搜索空间。长相干时间相同是为了使捕获灵敏度相同。由表2中计算结果可以发现,在参数变化时,相关运算的计算量没有变化,而FFT运算的计算量变化较大。

对比这3组参数中FFT和相关运算所需时钟可以发现,FFT在冷启动时比相关器慢,在温启动1模式下与相关器平衡,在温启动2模式下比相关器快(这时占硬件资源更多的相关器全速运行)。这说明本设计在相关器和FFT的并行度比例配置上基本平衡。

本文也对捕获时间进行了估计。本文中将捕获时间定义为从开始捕获到成功捕获第5颗卫星的时间。仿真采用了EVE RTL硬件仿真器的平台,软件控制用仿真机上的CPU来处理。这与实际电路中的MCU+VLSI模式十分相似。所以本文中的捕获时间根据仿真中的CPU计时器和FPGA的工作频率估算而来。由射频信号发生器生成测试信号,不同信号下的平均捕获时间如表3所示。从表中可以看出,强信号时,捕获电路可以实现快速的捕获。而在一般信号下,平均捕获时间在5s以内。达到2.5s的捕获时间需要使硬件加倍,而10s的捕获时间太长。可见并行度大小的设计在时间-硬件上达到了平衡。

5 结束语

本文基于多普勒频率并行捕获算法,使用Verilog语言设计了GPS/北斗双模导航接收机捕获器的硬件电路。一方面实现了对GPS信号和北斗信号的兼容,另一方面电路的并行度设计在电路负载分布和时间-硬件分配上都达到了平衡。

摘要：基于多普勒频移并行搜索捕获算法,设计了应用于GPS/北斗双模导航接收机的捕获电路。该设计以时分复用的方式捕获GPS和北斗信号来降低硬件面积。文中详细分析了GPS/北斗双模相关器模块和FFT模块的并行度架构。分析与仿真结果表明,所设计的电路在相关运算和FFT运算时间上达到平衡。对-125dBm至-140dBm的信号进行捕获测试,测得平均捕获时间小于5s。

关键词：GPS,北斗,捕获,硬件,并行度

参考文献

[1]韩逸飞,张永学,毕波,等.GPS/Galileo双模基带信号相关器硬件设计[C].西安:第五届中国通信集成电路技术与应用研讨会,2007:14-18.

[2]董军.一种GPS接收机数字通道相关器的设计[C].北京:全国2004年导航学术年会,2004:130-135.

[3]姚光焰.基于Simulink的GPS相关器设计与实现[C].天津:第三届国际信息技术与管理科学学术研讨会,2011:2371-2373.

[4]刘伟洲,伍吉仓.GPS/北斗组合导航系统卫星可见性和DOP值分析[C].广州:第三届中国卫星导航学术年会,2012.

[5]刘季,张小红.GPS/BD组合导航定位试验和精度分析[J].测绘信息与工程,2012,37(4):1-3.

[6]北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件(测试版)[EB/OL].http://www.beidou.gov.cn.

[7]廖怀林,王川,石淙寅,等.宽带多模兼容卫星导航接收机射频前端芯片设计研究[C].杭州:第十六届全国半导体集成电路硅材料学术会议,2009.