卫星导航定位系统

卫星导航定位系统（精选12篇）

卫星导航定位系统 篇1

一、北斗卫星的服务区域

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

[1]中国卫星导航定位协会编著.卫星导航定位与北斗系统应用.2012年出版

卫星导航定位系统 篇2

国外卫星导航定位技术发展现状与趋势

本报告对目前国外三大卫星导航定位系统GPS,GLONASS和伽利略系统的.技术性能进行了对比研究,分析了卫星导航定位技术的未来发展趋势,对我国发展卫星导航定位系统提出了建议.

作 者：石卫平 作者单位：中国航天工程咨询中心,北京,100037 刊 名：航天控制  ISTIC PKU英文刊名：AEROSPACE CONTROL 年，卷(期)： 22(4) 分类号：V475.2 关键词：卫星导航定位系统 GPS GLONASS 伽利略 技术 分析 预测 建议  

伽利略卫星导航系统 篇3

伽利略计划是欧洲筹建的全新的全球导航服务计划，将于2020年推出部分服务。与现在普遍使用的GPS相比，它更先进、有效、可靠。

公开服务（OS）

供消费者免费使用，也为导航仪或智能手机提供导航和LBS服务。

商业服务（CS）

作为一项收费服务，商业版的伽利略服务能够提供更高级别的定位准确率和更强大的功能。该服务借助定位跟踪设备收取服务费。

搜救服务（SAR）

到目前为止，只有气象卫星能够接收到遇险紧急信号，而且这种信号存在时间差，并且精度只有三英里。可以预测的是，伽利略系统将会使救援工作变得简单。

生命安全服务（SOLS）

这项服务需要非常高的信号质量，并对数据完整性有很高要求。特别是在像空中交通安全等关键领域，对信号质量的要求会更高。

公共特许服务（PRS）

由于发射频率争端问题尚未解决，目前还不清楚伽利略可否为军警机构提供加密信号发射服务。

名词解释

EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service）欧洲地球同步导航覆盖服务），目前正在使用GPS的数据，2014年后，将与伽利略的数据对接。

ESA（European Space Agency，欧洲空间局）是欧洲的空间探测和开发组织。

GLONASS俄罗斯的全球导航卫星系统的缩写。

GNSS（Global Navigation Satellite System）全球导航卫星系统的缩写。

GPS（Global Positioning System，全球定位系统）通常是指美国的全球导航卫星系统。

GSA（European GNSS Supervisory Authority，欧洲GNSS监督管理局）负责监管伽利略欧洲卫星导航项目。

IOV（In-Orbit Validation，在轨验证）卫星在轨道上测试的阶段。

SBAS（Satellite-Based Augmentation System，星基增强系统）星基增强系统可以很大程度上提升GNSS计算精度。

目前，共有197颗导航卫星在太空轨道上运行。事实上，开发全球导航卫星系统（GNSS）的初衷只是为汽车司机提供指路服务，帮他们在大城市自如穿行。冷战时期，美国和苏联两个超级大国将军备竞赛推向外太空，第一个人造卫星也是在那个时期升入太空进入轨道。在苏联解体之前的很长一段时间里，它的军事和经济都在世界上领先。GLONASS（格洛纳斯系统）从前苏联时期就开始组建，苏联解体之后，GLONASS由俄罗斯政府继续运作管理。如今，这套原苏联的卫星系统开始复苏，并取得很大进展。而中国的北斗系统也有了初步规模，只有欧盟的伽利略计划相对滞后。欧盟方面迫切需要加速完善伽利略计划，但是进来伽利略计划的卫星与中国的军事卫星导航系统在发射频率上发生冲突。根据国际电信联盟（ITU）的规定，在发射频率有冲突的情况下，谁先发送信号谁将先得到频率。就目前的情况来看，能抢得发射频率的绝对不会是伽利略计划。

近日，欧洲GNSS机构（GSA）公布的数据显示，2010年全球卫星导航市场交易额为1 330亿欧元，2020年将达到2 440亿欧元。目前，这一利润丰厚的市场仍主要由美国控制。为了发展自身的导航系统，俄罗斯今年将进口非GLONASS系统接收装置的税率提升了25％。自2011年起，很多智能手机，如iPhone 4S或Xperia系列产品，已经能够同时支持GLONASS和GPS系统。随着双系统中可用卫星数量的增加，小城镇和山谷地区的信号搜寻失败率将会降低，而且双定位也能有效提升定位精度。但同时，用户也需要付出额外的设备购置费用，为了节省电量，应该仅在需要时才激活额外的接收器。

德国不莱梅OHB技术公司拿下欧盟伽利略计划22颗卫星的制造合同，价值约为8.16亿欧元。这家公司的前首席执行官Berry Smutny刚刚因“维基解密”爆出他的不当言论而辞职。Smutny在给他人的电报中说，“伽利略项目是一个愚蠢的想法”，“伽利略在浪费欧洲纳税人的钱。”实际上，从用户角度来说伽利略计划有很大好处——一旦战争爆发，伽利略是四个空间导航系统中唯一一个非军事、可以完全民用的系统。

卫星导航定位系统 篇4

1 卫星导航定位中时间同步原理

1.1 时间同步技术的起源

卫星定位主要分为测角定位与测距定位两种类型, 根据卫星数量以及定位原理的差别, 测距定位可以分成单星定位、双星定位与多星定位。就测距定位本身来讲, 其所有的卫星观测量都应该统一到一个固定的时间基准上, 这个时间基准就是我们所说的系统时。卫星定位系统中的系统时, 使其时间同步的时间基准, 一般情况下, 该系统时都是有设置在地面上的主控站钟组组成的。

1.2 时间同步技术的作用

卫星导航定位对时间同步的精准度和精密性的要求十分之高, 其时间上的误差要控制在几纳秒之内, 这种时间同步精确度的要求, 即使是目前工作性能最好的铯钟, 在长年累月的工作中, 其钟漂存在的时间误差, 也会远远大于卫星导航定位对时间同步性的严格要求。因此, 需要采用时间同步技术来从地面上获得卫星钟差的参数, 然后, 将获得的钟差参数利用导航电文播发给使用该系统的用户, 最后, 用户再通过钟差修正的参数和模型来对钟差进行计算与修正。卫星钟可以直接表示卫星导航系统信号时标, 由于卫星导航系统中使用的卫星钟, 其走时不可能是绝对稳定的, 所以, 存在卫星钟漂移的现象。此外, 由于卫星处于太空中, 所以其运行卫星钟的运行还会受到太阳、地球和月球自身重力磁场的影响, 这就会导致卫星钟出现误差。卫星钟的误差是导致定位测距出现误差的主要原因。因此, 为了能够使卫星信号产生主动的物理时间与频率标准, 并使该标准具有极高的稳定性, 就要尽量减少对影响该标准的物理因素进行调整, 此时, 就需要利用卫星导航定位的时间同步技术, 以此来减少各项因素对卫星钟漂移的影响, 同时, 还能够有效的控制和了解卫星钟自身漂移的规律和特点, 从而减少误差, 提高卫星导航定位工作的稳定性。

2 时间同步技术

2.1 对TWSTFT的研究

所谓的TWSTFT, 即“双向时间频率传递法”, 其工作实质是:对等待同步的两个卫星导航设备进行测量, 分别测量对方定位测距信号到达本地时刻时, 与本地整秒时间时间差。然后, 将测量出的两个时间差进行减法处理, 得出的结果就是两个卫星导航设备的卫星钟差。最后, 根据得出的卫星钟差, 对其中某一个设备的时间进行本地时钟的调整, 或者是通过设备播放两个卫星导航设备间卫星钟差的参数, 从而实现两个卫星导航设备时间的同步性。

2.1.1“TWSTFT”的几何原理

该测量方法的几何原理具体如下图1所示。

由图1可知:其中, Δ1是地面站B发射出的钟差信号在到达地面站A之前时间的延迟, Δ2是地面站A发射的钟差信号在到达地面站B之前时间的延迟。由于双向时间频率传递法在传播信号时, 传播路径相同, 所以Δ1=Δ2, 因此, 上图中的Δt1表示的就是A、B两个地面站之间整秒钟差信号的时间差, 即两地面站的钟差。

2.1.2 精度分析

双向时间频率传递法的时间同步精度主要由图1中的t AA、t BB的测量误差决定, 两个设备之间时间延迟的一致性误差、卫星设备时间延迟的一致性误差, 路经大气时间延迟的微小性误差, 都包括在内。由于卫星导航定位中, 设备时延可以精确测定, 并且误差可以修订, 所以, 该测量方法的误差较小, 精密度高。另外, 由于该方法信号传播路径的延迟大致相同, 所以, 在一般情况下, 可以通过地面与地面站同步卫星进行双向的时间频率传递, 从而最大化的降低误差, 提高精度

2.2 对卫星共视法的研究

所谓卫星共视法, 其工作实质是:在两个不同地区的地面卫星站同时对一个卫星的信号进行观测, 并分别的测量该卫星信号在到达地面站时刻同地面的整秒时刻时间差。然后, 将测量将测量出的两个时间差进行减法处理, 得出的结果就是两个地面站之间的卫星钟差。最后, 根据得出的卫星钟差, 对其中某一地面站的本地钟进行调整, 或者是通过设备播放两个地面站之间卫星钟差的参数, 从而实现两个地面站之间时间的同步。

2.2.1“卫星共视法”的几何原理

该测量方法的几何原理具体如下图2所示。

由图2可知:Δ1是地面站A测量的卫星S在到达地面站B之前的伪距, Δ2是地面站B测量的卫星S在到达地面站A之前的伪距。ΔtAA是地面站A测量的卫星S发射的卫星信号与地面站A之间存在的整秒卫星信号的时间差;ΔtBB是地面站B测量的卫星S发射的卫星信号与地面站B之间存在的整秒卫星信号的时间差。因此, 只需要分别的测量A、B之间ΔtAA、ΔtBB、Δ1、Δ2即可知道地面与地面站之间卫星整秒信号的延迟误差, 从而对误差进行修订。

2.2.2 精度分析

卫星共视法时间同步的精度主要由ΔtAA、ΔtBB、Δ1、Δ2测量的误差决定, 根据上图可知, ΔtAA、ΔtBB、Δ1、Δ2测量的误差主要是由测量设备接收的信噪比与动态性能决定的, 而地面站往往是出于静止状态的。所以, 其动态性能较小, 不会受到体积的限制, 因此, Δ1、Δ2的测量误差便能够控制在1ns之内, 而ΔtAA、ΔtBB的测量误差则会小于1ns, 如此便可发现, 该测量方法的精度较高。

3 钟差外推和预报

在建设卫星导航定位时, 各个卫星地面站观测出的数据和各个卫星观测站观测出的数据, 都是通过主控站统一综合处处理的。其中, 地面站和主控站之间能够通过多样化通信手段来同步卫星通信或者是地面网络通信等通信系统之间的联系, 所以, 地面与地面站之间时间的同步性是不需要依靠外推来计算的。同时, 由于卫星是绕着地球运动的, 所以其运行轨道会受到地面监测站布置的范围限制, 由此便可以看出, 对卫星钟误差的测量是不能够连续实施的, 在无法看见的弧段内部, 卫星钟与卫星导航定位之间时间的同步, 只能够依靠卫星钟自身维持。因此, 在一般情况下, 卫星导航定位需要对卫星钟的钟差参数进行外推计算, 然后, 将计算出的卫星与地面之间卫星钟的钟差参数, 通过预报钟差的方式传播给用户。另外, 卫星钟钟差观测的精度、观测时间的长度与预报时间的长度, 将直接影响卫星钟钟差参数预报的精确度。卫星钟钟差观测的时间越长、观测的精度越高、预报的时间越短, 其预报的效果则越好, 因此, 在观测和预报条件相同的情况下, 采用运行特性好的卫星钟更有利于时间的同步。

4 结论

总而言之, 随着卫星导航定位在各行各业的广泛应用, 时间同步技术也随之不断的发展。虽然, 从卫星导航定位本身来讲, 在应用的过程中不需要考虑时间同步技术的问题, 并且时间同步技术的发展也比较先进。但是, 在对卫星导航定位进行维护时, 时间同步技术则成为了一项关键性技术。因此, 在卫星导航定位高度发展的今天, 不断的对时间同步技术进行研究, 提高其控制时间的精准度和精密性, 是学术界研究时间同步技术的主要方向。

摘要：时间测试是卫星导航定位系统测量距离的基础, 而确保卫星定位和定轨的前提则是各观测量时间的同步性, 所以, 时间同步技术是卫星导航定位系统发展建设的关键环节。本文就当前卫星导航定位系统常用的时间同步技术进行研究, 对其工作原理等相关情况进行分析。

关键词：卫星导航定位,时间同步技术,常用技术,分析研究

参考文献

[1]郭彬.基于北斗/GPS双模授时的电力系统时间同步技术研究[D].湖南大学, 2010.

[2]张靖.GPS导航卫星星地时间同步技术的仿真研究[D].西安电子科技大学, 2007.

北斗卫星导航系统及应用综述 篇5

0引言

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（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄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。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。北斗卫星导航系统基本信息介绍

中国在2003年完成了具有区域导航功能的北斗卫星导航试验系统，之后开始构建服务全球的北斗卫星导航系统，于2012年起向亚太大部分地区正式提供服务，并计划至2020年完成全球系统的构建。北斗卫星导航系统和美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统及欧盟伽利略定位系统一起，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

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。“北斗”导航卫星分别在1559MH z～1610MH z、1200MH z～1300MH z两个频段各设计有两个粗码、两个精密测距码导航信号, 具有公开服务和授权服务两种服务模式[1]。

“北斗二号”导航卫星系统体制第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是: 第二代用户机可免发上行信号,不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息,而是通过直接接收卫星单程测距信号来自己定位, 系统的用户容量不受限制,并可提高用户位置隐蔽性。

图1.1北斗卫星导航定位系统定位原理图

1.2 北斗卫星导航系统的系统组成

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)、(140°E, 0,°36000km)、(110.5°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°。其轨道如图1.2所示。

图1.2北斗双星导航系统卫星轨道

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。根据应用环境和功能的不同, 北斗用户机分为普通型、通信型、授时型、指挥型和多模型用户机5种,其中,指挥型用户机又可分为一级、二级、三级3个等级。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。1.3 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[2]。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。北斗卫星导航系统的功能优势

北斗卫星导航系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。2.1 北斗卫星导航系统具有的三大功能

（1）快速定位：系统可为服务区内用户提供全天候、高精度、快速实时定位（可在1秒之内完成）、服务，定位精度为20～100m；

（2）短报文通信：系统用户终端具有双向数字报文通信功能，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息；

（3）精密授时：系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与CNSS之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。2.2 北斗卫星导航系统具备的优势

（1）同时具备定位与通信双重功能，无需其它通信系统支持，而GPS、GLONASS只能定位；

（2）覆盖范围较大，没有通信盲区。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；

（3）特别适合集团用户大范围监控与管理；

（4）独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计。它不仅能使用户知道自己的所处的位置，还可以告诉别人自己的位置所处的地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等；（5）自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用；（6）接收终端不需铺设地面基站，用户终端相对便宜。

（北斗卫星导航定位系统的潜力主要体现在定位通信综合领域上。目前仅需要定位的用户，对北斗的需要不迫切；对于既需要定位又需要把位置信息传递出去的用户，北斗卫星导航定位系统是非常有用的。）北斗卫星导航系统的应用

3.1 北斗卫星导航系统的应用范围

“北斗”卫星导航试验系统自2003年正式提供服务以来，在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象测报、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾和国家安全等诸多领域得到广泛应用，产生显著的社会效益和经济效益。特别是在南方冰冻灾害、四川汶川和青海玉树抗震救灾、北京奥运会以及上海世博会中发挥了重要作用。

1）在交通运输方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的“新疆公众交通导航监控系统”、“公路基础设施安全监控系统”以及“港口高精度实时定位调度监控系统”等应用推广工作，取得了良好的示范效果。

2）在海洋渔业方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的海洋渔业综合信息服务平台，为渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。

3）在水文监测方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的水文监测系统，实现多山地域水文测报信息的实时传输，提高灾情预报的准确性，为制订防洪抗旱调度方案提供重要的保障。

4）在气象测报方面，成功研制一系列气象测报型“北斗”终端设备，形成实用可行的系统应用解决方案，解决中国气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输问题。

5）在森林防火方面，“北斗”卫星导航试验系统成功应用于森林防火系统，其定位与短报文通信具有较好实际应用效果。

6）在通信时统方面，成功开展“北斗”双向授时应用示范，突破光纤拉远等关键技术，研制出一体化卫星授时系统。

7）在电力调度方面，成功开展基于“北斗”卫星导航试验系统的电力时间同步应用示范，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。

8）在救灾减灾方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。

“北斗”卫星导航系统建成后将为民航、航运、铁路、金融、邮政等行业提供更高性能的定位、导航、授时和短报文通信服务。3.2 北斗卫星导航系统的应用特点

北斗卫星导航定位系统由空间卫星、地面主控站(控制中心)与标校站和用户终端设备三大部分组成, 它具有快速二维定位、双向简短报文通信和精密授时三大基本功能。该系统基于“二球交会”原理进行定位, 即以2颗卫星的已知位置坐标为圆心,各以测定的本星至用户机的距离为半径,形成2个球面,用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。地面控制中心存储的电子高程地图库提供1个以地心为球心,以球心至用户机的距离为半径的球面。求解圆弧线与该球面的交点, 并根据用户在赤道平面北侧的实际情况,即可获得用户的二维位置坐标[3]。北斗卫星导航定位系统主要应用特点如下[4-5] : 1)系统覆盖我国全部国土及周边区域

北斗系统是覆盖我国本土及其周边地区的区域性卫星导航定位系统,覆盖范围为东经70°～145°,北纬5°～55°,可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域, 在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性。2)系统定位、授时精度能满足导航定位需要

北斗系统的二维水平定位精度(1δ)为20m(不设标校站区域100m),双向授时精度20ns(单向授时精度100ns),与GPS系统的民用精度基本相当,能满足用户导航定位和授时要求。北斗系统的注册用户分为3个服务等级,对应的定位响应时延分别为:一类用户5s,二类用户2s,三类用户1s北斗系统具有单向和双向2种授时功能,根据不同的精度要求,定时传送最新授时信息给用户端,供用户完成与北斗卫星导航定位系统之间时间差的修正。3)系统双向报文通信功能应用优势明显

北斗系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信能力。系统一般用户1次可传输36个汉字,经核准的用户利用连续传送方式1次最多可传送120个汉字这种简短双向报文通信服务,可有效地满足通信信息量较小、但即时性要求却很高的各类型用户应用系统的要求。这很适合集团用户大范围监控管理和通信不发达地区数据采集传输使用。对于既需要定位信息又需要把定位信息传递出去的用户,北斗卫星导航定位系统将是非常有用的。需特别指出的是,北斗系统具备的这种双向简短通信功能,目前已广泛应用的国外卫星导航定位系统(如GPS、GLONASS系统)并不具备。

4）系统有源定位体制使用户定位的隐蔽性、实时性较差,用户容量受限

北斗系统是主动式有源双向测距二维导航系统, 在地面控制中心进行用户位置坐标解算。北斗系统的有源定位工作方式使用户定位的同时失去了无线电隐蔽性,这在军事上是不利的。另外,北斗系统对地面控制中心的依赖性大,一旦其地面中心控制系统受损,系统就不能继续工作了;用户设备必须包含发射机,因此其在体积、重量、功耗和价格方面远比GPS接收机来得大、重、耗电与贵。北斗系统从用户发出定位申请, 到收到定位结果,整个定位响应时间最快为1s，即用户终端机最快可在1s后完成定位。这1s的定位时延对飞机、导弹等高速运动的用户来说时间嫌长。北斗系统适合为车辆、船舶等慢速运动的用户提供服务。北斗系统导航定位实时性较差,对于高动态载体(如飞机、导弹等),该缺陷是显而易见的。北斗系统是主动双向测距的询问)应答系统,系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此,北斗系统的用户设备工作容量是有限的。北斗系统可为以下用户机每小时提供54万次的服务:一类用户机(适合于单人携带使用)10000～20000个,5～10min服务一次;二类用户机(适合于车辆、舰船使用)5500个,10～60s服务一次。

“北斗”系统的上述应用特点,决定了该系统适合在中国全境范围内,在测绘、电信、水利、交通运输、勘探等使用要求相对较低的民用领域进行导航定位、报文通信和授时服务等应用。目前该系统在军事领域的应用,受到了一定的制约。3.3 北斗卫星导航系统的应用现状

北斗卫星导航定位系统运营以来,在军民用领域上发挥了重要作用,迄今为止,已为用户提供定位服务超过亿次,通信服务超过千万条,在森林防火、水利防汛、交通运输等民用、军用领域产生了显著的社会效益。所研制的黑龙江大兴安岭森林防火信息系统、澜沧江上湄公河船舶调度管理系统和郑州铁路局铁路机车到站报点系统等北斗系统应用示范工程,已取得了明显的经济效益[6-7]。

但是,北斗系统作为我国自行研制的、具有鲜明应用特点的卫星导航定位系统, 总的来说,目前的实际应用并不理想。主要表现在: 1)系统应用不充分,与世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位不相称

北斗系统工作容量可达百万户,而目前注册在线的终端用户却不足千分之一, 卫星资源闲置严重。该系统的快速定位、双向报文通信和精密授时0功能,特别是双向报文通信功能未得到充分应用,该导航定位系统在许多民用领域中的用途还未被认知。中国工程院戚发韧院士经过对北斗系统进行详实的调研后提出:中国研制成功的第一个拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统,目前在民用领域资源利用并不充分,几近闲置。他在调研报告中明确写到:北斗系统本应拥有上百万用户的能力,目前却只有几千个用户,国家投入几十亿元,但利用很不充分,造成了资源的严重浪费。北斗卫星导航定位系统目前在民用领域应用不充分、未形成产业化的现状,与该系统作为世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位很不相称。

2)用户终端设备价格偏高,在市场上无法与GPS系统形成竞争

北斗系统目前的有源定位技术体制决定了其用户终端设备需能收能发,在技术应用上有通信功能,应用优势明显,这是无可怀疑的。但这种体制也使用户终端制造成本增加,加上终端设备用户少,所以目前市场价格偏高,多数用户难以接受。用户终端设备价格昂贵的北斗系统在市场上是无法与GPS系统进行竞争的。3)用户终端设备研制开发滞后,跟不上应用需求

北斗系统用户终端设备研制开发严重滞后于系统建设。究其原因,一是用户终端设备研制起步较晚,没有做到与系统建设同步研发;二是用户终端研制难度大,没有集中力量对其重点进行攻关,各研制单位各自为战,技术上不交流,形不成合力;三是国内器件、部件生产基础差,而进口芯片价格昂贵。在2002年北斗系统开始试运行时,系统民用终端设备尚不成熟。至今国内仍有十几家单位在投入资金研制北斗用户终端,但提高性能价格比的成效并不大,有的单位甚至不得不退出研发。目前能生产北斗系统民用终端的厂商有五、六家,产品价格较高,各有优缺点。北斗系统民用终端设备生产厂商各自为战的研制生产方式,在当前用户量不大、生产批量上不去的情况下,成本下不来;而成本下不来,市场用户就上不去,形成一个恶性循环。用户终端设备生产方式存在的高成本是影响北斗系统推广应用的问题之一。

4)北斗民用市场的自由化和无序竞争,影响了北斗系统应用市场的健康发展

由于国家没有北斗系统民用开发规划和应用市场准入机制,市场完全是无序的自由竞争,一些企业单位对北斗系统市场认识和估计过于乐观,为早日抢到市场,自发投入不少资金开发北斗民用终端。到目前为止,真正获得成功、设备产品质量较好的厂家只有几个。有一些企业单位在产品技术质量还不成熟的情况下, 就急于推销自己的产品收回投资,采用低价竞争方式抢占市场,结果是实际运行故障频发用户服务又跟不上,动摇了用户选用或继续使用北斗系统的信心,增加了对北斗系统应用的怀疑情绪,影响了北斗系统健康发展和推广应用。3.4 北斗卫星导航系统应用的主要制约因素

目前, 影响、制约北斗系统在民用领域获得广泛应用的因素主要是[8] : 1)系统用户终端设备价格昂贵

前面已分析到,造成北斗系统用户终端设备价格昂贵的主要原因,一是目前系统本身所采用的有源定位技术体制,二是终端设备生产量少、关键元器件依赖进口使生产成本居高不下。关于北斗系统的技术体制改进和完善问题,已在中国第二代卫星导航系统的研制计划中基本得到了考虑。在后续分析的推动北斗系统民用产业化发展的对策与建议中,提出国家应投入资金,组织有关部门联合攻关, 解决北斗系统用户终端设备关键元器件国产化问题。2)系统应用缺乏国家政策的有力支持

北斗系统是国家花费巨资建设起来的的军、民两用区域性卫星导航定位系统。作为一个新兴产业,北斗系统要发展壮大,与国家政策的支持是分不开的。但是,我国至今缺少一个对国家安全有着重要意义的有关卫星导航定位产业的国家级政策,当然更缺少相应的管理办法和运营措施。这影响了企业和科研部门对北斗导航系统应用的投入,直接导致了用户终端产品品种少、水平低、价格贵。卫星导航应用产业已成为全球信息化产业中发展最快的产业之一,而中国的这项产业目前大多数在经营国外的产品,大量用户成为了外国产品的消费者。北斗系统应用研发与服务的企业只有寥寥几家,用户少得可怜。3)政策缺位直接导致系统应用推动乏力

北斗卫星已经升空5年,可它作为一种新技术新业务,很少有人大力去普及推广,广大用户特别是信息化人员,对其知之甚少,在各种媒体和市场上,也难以找到相关的宣传资料。很多企业和用户,甚至不知道谁是民用卫星导航产业的主管部门。北斗系统在应用系统的开发试验上,需要大量的资金投入,开发运营企业难以在资金上长久维持,用户就更做不到花费巨资,为自己建设应用小平台。没有国家资金的介入,公司的资金杯水车薪。北斗卫星导航系统与GPS功能特点的比较

1．覆盖范围：北斗卫星导航系统主要覆盖我国本土的区域性、全天候导航系统。覆盖范围东经约70°～140°，北纬5°～55°。GPS是覆盖全球的、全天候导航系统； 2．卫星数量和轨道特性：北斗卫星导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，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°；

3．定位原理：北斗卫星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；

4、定位精度：北斗卫星导航系统为三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码已由16m提高到6m，C/A码已由25～100m提高到12m，授时精度约20ns；

5、用户容量：北斗卫星导航系统由于是主动双向测距的询问—应答系统。用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率，因此，北斗卫星导航系统的用户容量是有限的。GPS是单向测距系统。用户只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此，GPS的用户容量是无限的。北斗卫星导航定位系统存在的问题与不足

1．定位服务区是区域性的。不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位；

2．同时容纳的用户数量有限。北斗卫星导航系统同一时间要接收地面用户群发来的信息，用户群的个体数量是受限制的；而GPS只发信号，多少用户接收都没关系，数量可以无限；

3．无法为快速移动物体提供准确的定位服务。北斗卫星导航系统用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球同步卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此，对于高速运动体，加大了定位的误差，军事方面应用受到限制；

4．主控站位置容易暴露受攻击、干扰。北斗卫星导航系统是基于中心控制系统和卫星而进行的工作，且定位解算由中心控制系统完成，对中心控制系统依赖性强。一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作。而GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行；

5．管理复杂、层次多，容易出错。地面控制中心要同时分析处理几万到几十万的用户资料，判断密码、定位、以及返回的情报，而且这些用户单位所属各不一样，应急的级别也不一样，处理起来决不是容易的事； 6．地面用户的设备体积大、造价高。提高北斗卫星导航系统的建议

提高北斗卫星导航系统的性能，可以从以下几点着手。第一，扩大北斗卫星定轨观测网，提高广播星历精度；第二，优化北斗卫星导航电文内容，便于用户接收使用；第三，播发北斗与其他系统之间的时差信息，扩大北斗的应用市场；第四，研发北斗卫星自主导航技术，提高抗毁能力；第五，研发MEMS化北斗卫星，建设全新北斗星座。结语

卫星导航定位系统 篇6

我国北斗卫星导航系统建设分两阶段实施。第一阶段，2000年建成北斗卫星导航试验系统，进行卫星导航技术试验，初步为我国及周边地区提供导航、授时和短报文通信服务。该试验系统已圆满完成各项试验任务，标志着我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

第二阶段，2020年前，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统，为用户提供连续、稳定的导航、授时和短报文通信服务。该阶段于2004年9月正式启动，2007年4月成功发射北斗卫星导航系统首颗中圆轨道卫星，预计2010年左右系统建设覆盖亚太地区。

本次发射的卫星由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院为主研制，设计寿命为8年，是我国北斗卫星导航系统第二阶段建设的第二颗卫星。

长征三号丙运载火箭由中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院为主研制。该火箭是在长征三号甲和长征三号乙运载火箭的基础上研制出的三级液体火箭，与长征三号甲、长征三号乙共同构成了长征三号甲系列运载火箭的基本型谱。该火箭捆绑两枚助推器，地球同步转移轨道运载能力为3.8吨，火箭拥有灵活的姿控系统，具有对有效载荷进行大姿态调姿的能力。

卫星导航定位系统 篇7

关键词：全球导航卫星系统辅助,增强定位技术,要点分析

1 全球导航卫星系统辅助的概念

GPS定位满足的条件必须是可以看见人造卫星或轨道所经过的地方, 而辅助全球卫星定位系统结合手机基地站的资讯与GPS卫星, 进而缩短定位所需的时间。这项技术就是对原来的传统的GPS数据传输路线进行了改造, 原来是直接找卫星而现在是找基站, 是一种更高级的定位技术。

2 普通GPS系统与AGPS系统的比较

普通的GPS系统由2部分构成:GPS卫星、GPS接受器.与普通的GPS相比, A-GPS系统在普通的GPS系统基础上增加了一个辅助服务器.由于A-GPS受到一些条件限制, 如接收器的工作功率、它所处的地理位置, 使得获得的定位效果没有理想中的完美。AGPS中的接受器通常结合较高功率的辅助服务器一起接入网络。即使蜂窝系统的覆盖率对它有着直接的影响, 但是由于A-GPS接收器接受到的任务可以传递到辅助服务器, 而辅助服务器亦可有权利探访接收器的任务实现相互的共享。所以A-GPS具有普通的GPS系统无法比拟的优势, 它的处理速度比传统的GPS更快, 效率也比普通GPS更高。随着在蜂窝移动通信系统应用在A-GPS系统中, AGPS系统可以利用一些移动设备如通过手机定位服务器, 平板电脑服务器等, 作为辅助服务器帮助GPS接收器完成测距和定位服务。以前心想要是能将网络与手机的GPR接收器连接在一起就好了, 这样就可以随时随地定位。自从有了辅助服务器解决了这一难题, AGPS比普通GPS多了一个辅助服务器来接受GPS信号, 由于辅助服务器的接收器有比GPS接收器强大得多的功率来接受GPS信号, 有了这种优势, 网络终于与GPS接收器一起进行通信了。在移动网络的帮助下, 有辅助接收器的效率GPS比没有辅助服务器协助的时候有了质的飞跃, 原因很简单, 因为辅助服务器帮接收器分担了一些任务, 加快了进程, 从而提高了速度。个标准的GPS成功的进行定位, 需要以下2个基本条件:一个完全通透的视野、最低不能少于4颗GPS卫星。通过接收到的信息计算出的数据转换为坐标图的方式得出自己或别人的位置, 在这一过程中充当重要角色就是要有足够大的功率, 使用AGPS, 接收GPS信号都是用辅助器充当计算器来计算定位的位置。AGPS技术是利用GSM系统、GPS系统与传统卫星定位, 这个过程中基地台充当了一个桥梁帮助代送辅助卫星信息, 从而大大缩短了GPS芯片获取卫星信号的延迟时间, 信号微弱的窄空间内也能借基地台讯号弥补, 让GPS芯片有了一定程度上的独立性, 从而减轻GPS它对卫星的依赖。和普通的GPS相比具有定位范围广、延时短、省电、效率高等特点。每个人都希望理想误差范围越小越好, 而APGS不负众望成功将误差控制在10公尺以内, 一些技术发达的国家如日本、美国已熟练掌握该技术并且成功的应用在许多行业。

3 定位技术的原理

AGPS需要他的服务器终端和网络一起接收到信息, 原理是:首先必须有一个载体向服务器终端传递辅助AGPS信息, 那个载体就是移动网络。有了这些信息, 卫星就可以很迅速的被终端服务器抓获, 进而得到GPS卫星的测量信息, 再下一步就是由无线网络将接收到的测量信息传递给网络中的定位服务中心, 通过相关的计算方法迅速计算出移动终端当前所处的位置。为什么能够很快计算出, 是由于它利用网络端调节一个清晰的视野结合持续工作的接收机同时捕捉GPS信号, 使得能更快的得到辅助的数据。与此同时, 移动网络保持连接状态, 根据定位要求, 辅助数据是为提高传感器的性能而服务, 使之更具效率性。然后用网络来取代传统GPS接收机的大部分作用, 来处理接收的信息。这种方法通过许多设备的一系列作用产生复制码, 再经过捕捉到的信息修正测量, 得到的这些参数大大降低了接收时间。网络端再运用方法计算, 使得精确度提高。另外一个是由于建筑物遮挡造成信号薄弱, 以至于服务器终端难以接收到GPS信号, 人们都知道移动网络都是用蜂窝小区识别号来进行定位的, 而AGPS为了解决这一问题, 在室内及在城市内高楼建筑物旁也巧妙的运用这一方法。利用移动通信网络中的蜂窝小区识别号定位, 当终端安置在屋内时, 就采用备份方案来进行终端的定位, 可能精确度没有想象中的完美, 但毋庸置疑肯定比没有定位技术传统的终端强。综上所述, 利用AGPS技术进行定位, 提高了精确度, 又弥补了GPS方式的缺陷, 具备得天独厚的优势。由于AGPS终端比传统的GPS接收器简化了许多过程, 计算位置信息并不是由手机自身, 网络取代了这一功能, 使得终端接受信息更为简单, 最令用户兴奋的是手机的功耗就会降低, 延长手机电池的使用时间。和传统的GPS终端使用相比大大缩短了人们接收信息的时间, 利用网络端传来的GPS辅助数据, 手机大概几秒钟就可以很快捕捉到GPS信号, 极大地提高定位服务的质量, 最后就是兼容的AGPS技术和GPS发挥双重功效, 使得定位技术越来越满足用户需求, 更好的适应社会攻克了GPS在城市中因为障碍而无法使用的难题。

4 A-GPS的定位计算方法

A-GPS有2种定位计算方式:MS-Based方式、MS-Assisted方式。MS-Based方式是由计算由终端完成;而MS-Assisted方式则是在网络提供的测量数据下对于2种计算方式总结出优缺点, MS-Assisted的长处在于它是在终端的辅助下完成的, 所以对终端的配置要求较低, 但其接受信息速度慢、不适合在紧急情况下使用。而MS-Based方法的优点是它的定位的速度非常快, 适合在短时间内的且连续的定位, 即使在网络断开无法使用时, 也可以通过自身实现GPS功能来定位、方便、可靠性强, 并且它不需要多么高级的网络技术, 不用太多成本。对大多数人来说, 后者是成为其计算方式的首选。

5 A-GPS的应用

GPS系统的主要就是为了利用精确的位置信息这一特性而被推广, 各行各业大多应用这一技术, 但平民百姓们对他还是很陌生的, 但自从网络运营商们聪明的将AGPRS运用到移动设备后, 通过其广告宣传、市场推广, 使得观众对这高精确度技术的了解更进一步, 这一技术被车辆及其它运输工具行业广泛运用, 是在所有的应用比例中排名第一, 人们都知道在高速路上驾车时每位司机的速度都非常快, 所以对位置的精确度要求非常高。车辆一般都安装2大类应用系统:车辆GPS跟踪系统、车辆GPS导航系统。对于那些要求高效率和高安全性的行业有了它事半功倍, 比如警车有了它可以帮助警察更快抓住罪犯, 还有押运车、救护车、火警车等任务的车辆, 这种高精度的位置服务是极其重要的;对于计程车、公交车、私家车采用AGPS定位服务, 则可以节省更多的时间;对于个人当迷失在森林, 任何一个荒芜的地方都可以让他人迅速的找到自己;对于那些不放心自家小孩的家长, 非常有必要, 家长们可以利用这种技术, 掌握自家孩子的动向, 一旦遭遇传销、歹徒分子我们可以在尽量短的时间内将孩子们营救出, 减少悲剧的发生。

6 结语

随着人类对定位业务的要求越来越高, 精准的定位也成为人们购买移动设备必考虑的条件之一。作为到目前为主定位精度最高的, 延时性短移动定位技术, 虽然还存在这一定的缺陷, 但科学是在不断进步, 人们还有无限的进步空间, A-GPS在未来的应用空间也会越来越广泛, 我国的领土面积大, 人口重大, 无疑为AGPS创造了巨大的需求市场, 所以说定位技术在我国有着美好的前途。

参考文献

[1]张光华.全球导航卫星系统辅助与增强定位技术研究[J].哈尔滨工业大学, 2013 (5) .

[2]万晓光.伪卫星组网定位技术研究[J].上海交通大学, 2011 (10) .

卫星导航定位系统 篇8

随着GPS、GLONASS、Galileo以及中国北斗地不断发展,卫星导航定位系统在全球各个领域得到了广泛的应用,但在复杂的电磁环境中,仍极易受到各种干扰。尤其当干扰信号的方向与导航信号相同时,会在其来波方向产生很深的零陷,导致部分导航信号[1]被抑制,严重影响了卫星导航系统的性能。为此,文献[2]提出了结合IIR陷波滤波器和空时FIR滤波器的改进STAP算法,但是由于FIR滤波器抽头的限制,自适应处理器的频率分辨力很低,同时由于窄带干扰的频谱和统计特性是未知的,因此该方法不适合捕获快速变化的信号。文献[3]提出了结合级联的时频域IIR格型陷波器和改进的MSNWF算法,在一定程度上缓解了STAP算法对降维过程不敏感的问题,但需要不断地递推和迭代,运算过程比较复杂,所需计算存储空间大,对实际的工程应用的要求较高。

本文提出了一种改进的自适应波束干扰抑制算法。首先,将接收到的信号通过IIR格型陷波器在时- 频域进行预处理,滤除与卫星导航信号同向的窄带干扰,然后利用基于直接数据域自适应波束形成技术抑制剩余的宽带干扰。该算法只需对阵元输出的单快拍数据进行处理,避免了样本协方差矩阵的构造和求逆运算,进一步降低了运算的复杂度,并且对非平稳和多径相干干扰也有很好的抑制效果。在实际捷变环境中更具处理的实时性。

1 改进的自适应波束干扰抑制算法

考虑天线阵列采用N( N为奇数) 阵元的均匀圆阵。前端由天线阵列接收信号,包括导航信号、干扰和噪声。t时刻接收到的信号可以表示为:

其中,s( t) 为信号载波,卫星信号是编码的伪随机噪声序列( PRN码) ,它可以近似认为满足高斯分布,信号的功率很小,一般在噪声以下。Jp( t) 为干扰信号,假定包含一个与导航信号同向的窄带干扰和P个不同向的宽带干扰。N( t) 为均值为0,方差为 σ2的加性高斯白噪声。

由于窄带干扰与导航信号来向相同,不能直接通过波束形成技术将其滤除,所以需要额外的干扰抑制处理。

图1 为改进的自适应波束干扰抑制算法的处理流程图。信号入射到天线阵元上后依次进行下变频、A/D转换。IIR陷波器预处理部分使用级联的IIR陷波器阵列,有效的估计窄带干扰的频率和带宽,自适应的配置陷波器参数,在窄带干扰处形成陷波,从而实现对窄带干扰的抑制。然后将预处理后的结果输入到直接数据域处理部分,通过直接数据域算法自适应调节权矢量在导航信号来向上形成主瓣波束并在宽带干扰方向形成零陷,从而提高输出信号的信干噪比。

1. 1 IIR陷波器预处理

对于卫星导航信号中的同向窄带干扰,由于其带宽小,在整个频谱中所占的比例比较低,如果能将该频点上的窄带干扰滤除,那么窄带干扰得到抑制地同时又不影响卫星导航信号。IIR格型陷波器[4]在时频域上对于窄带干扰有较好的抑制效果。

IIR格型陷波器在对信号中的同向窄带干扰进行抑制处理过程中,除了零陷的深度和宽度,陷波器的相位特性也影响相关输出的信干燥比。本文采用实际工程中应用十分广泛地2 阶IIR格型陷波器。IIR格型陷波器的转换方程为:

其中,z01,z02为零点,zp1,zp2为极点。如果z01,2=e± jw,zp1,2= αe± jw,那么转换方程可以写为:

通过上式可以看出,β 为陷波因子[5],β =- cosw0来滤除频率为w0的窄带干扰。α 为极点结构因子,接近而小于1 以确保陷波器的稳定,而 α 越大,则IIR陷波器的陷波带宽将会越窄。二阶IIR格型陷波器结构如图2 所示。

利用IIR格型陷波器来滤除窄带干扰最关键的步骤是获得陷波的频率和带宽,进而配置和调整陷波器的陷波参数。本文采用时- 频域相结合的IIR格型陷波器,其主要分为时域和频域处理两大部分。频域处理部分主要包含最优加窗模块、FFT变换模块、干扰检测模块、频谱矫正模块和IIR陷波系数生成模块,负责干扰频率和带宽的检测估计,生成IIR陷波器系数。时域处理部分则由可配置IIR陷波器构成,根据频域处理部分生成的IIR陷波器系数配置陷波器,完成陷波处理。时- 频域相结合的IIR格型陷波器框图如图3 所示。

1. 2 直接数据域处理

经过IIR格型陷波器预处理后的信号已将同向窄带干扰部分滤除,剩余的宽带干扰则通过直接数据域算法[6,7,8,9,10]来抑制。该算法只需对信号数据进行一次采样,通过自适应算法调整权值向量,使宽带干扰和热噪声等无用分量对天线的贡献最小,而期望信号对天线的贡献最大。

均匀圆阵阵列如图4 所示,圆阵中心位于原点,半径为R,n = 1 阵元为相位参考点。

在经过IIR陷波器预处理后,只剩余p个与导航信号不同来向的宽带干扰。在t时刻送入到直接数据域处理部分的信号可以表示为:

A为N × ( P + 1) 的导向矩阵,可以表示为:

( θ0,φ0) 为期望信号的方向,( θi,φi) ( i =1,…,p) 为第i个干扰的方向,( xn,yn) ( n = 1,…,N ) 第n个天线阵元坐标。在以下讨论中,由于处理的是同快拍数据,所以t可以省略。

根据各阵元接收到的信号的单快拍数据组成的矩阵为:

其中,。

则相邻两阵元( n = 1,2 ) 空域加权相消得:

由式7 可以看出,得出的结果不含期望信号,只含干扰及噪声等无用信号分量。不失一般性,可推广到其他相邻的阵元得:

式8 的结果只包含非期望信号分量。将式8 作为矩阵元素,可构造( L - 1) × L维非期望信号降维矩阵T :

在自适应处理中,为了恢复期望信号,在矩阵T中增加一行将目标信号方向为( θ0,φ0) 上的L个单元的增益设为常数C,其余各行为0。得到矩阵方程:

亦可缩写成FW = C。

通过线性矩阵方程式( 10) 求解出自适应权值向量W,对于线性矩阵方程可以通过最小二乘法或共轭梯度法进行求解。采用最小二乘法求解的直接数据域算法又称为直接数据域最小二乘法( D3LS) ,其优势在于不需要迭代,与共轭梯度法相比,加快了运算速度,减少了运算量。共轭梯度法的求解过程参见文献[11]。

期望信号待估计幅度为α,如果,则信号可以恢复为:

2 仿真结果与分析

窄带干扰设置为载波频率的点频信号,宽带干扰为与期望信号相同带宽20MHz的高斯白噪声。IIR格型陷波器频率估计通过累积1024 点中频数据,做FFT变换来估计。

2. 1 IIR陷波器抑制窄带干扰

假设期望信号是100MHz和150MHz的幅度相同的正弦信号的和。点频干扰信号为正弦信号,幅度为单个期望信号幅度的两倍,频率为50MHz。则整个信号通过陷波器的陷波响应频率w0为50MHz,结构因子 α 选择大小为0. 96。IIR陷波器的性能测试结果如图5 所示。

从图5 中可以看出,IIR格型陷波器能根据点频干扰信号的频率和带宽形成足够深且窄的陷波凹槽,陷波深度达- 120d B,经陷波处理后50MHz的点频干扰信号基本被滤除,并且期望信号也几乎没受到影响。因此,在自适应波束形成处理前级联IIR滤波器能有效地预测并滤除同向的窄带干扰。

2. 2 改进的自适应波束干扰抑制算法

考虑采用N = 7 均匀圆阵天线阵列,半径R为宽带中心频率对应波长的一半,每个阵元后接级联二阶IIR陷波器和多级维纳滤波器,陷波器结构因子 α 选择大小为0. 96。实验中期望信号幅度为1V / m,两个不相干宽带干扰幅度均为100V / m,相位为0,方位、俯仰角分别为( 30°,45°) ,( 130°,45°) 。一个窄带干扰与期望信号同向。输入的信噪比为- 30d B,每个干扰源的强度一样,输入信干噪比- 50d B。仿真结果如图6 所示。

将接收到的信号依次通过IIR格型陷波器、直接数据域自适应波束形成技术进行处理。图6( a)为存在一个同向窄带干扰和方位角为30°单个宽带干扰情况下的阵列方向图; 图6( b) 为存在一个同向窄带干扰和两个方位角分别为30°、130°不相干宽带干扰情况下的阵列方向图。从阵列方向图中可以看出,经过IIR格型陷波器预处理后,同向的窄带干扰基本滤除,在期望信号方向上形成稳定的主瓣接收波束,得到固定的增益。当存在单个宽带干扰时,在干扰方向形成了很深的零陷; 当存在双宽带干扰时也有很好的抑制效果。图7 为当两个不相干宽带干扰和一个同向窄带干扰同时存在的情况下,考察输入信噪比由- 40d B到30d B的变化情况,传统的波束形成与改进的自适应波束干扰抑制算法的输出信干噪比随输入信噪比变化的曲线。显然,当与期望信号同向的窄带干扰存在的情况下,传统自适应波束形成算法不能有效滤地除信号中的干扰,输出的信干燥比最高只能达到- 20d B。而改进的自适应波束干扰抑制算法通过IIR格型陷波器有效地滤除了与期望信号同向的窄带干扰,且不影响后续的直接数据域算法对宽带干扰的处理。因此,改进自适应抗干扰算法对干扰的抑制更加的彻底,显著提高了系统输出信干噪比。

3 结束语

针对卫星导航信号中存在同向窄带干扰难以抑制的问题,提出了一种改进的自适应波束干扰抑制算法,将时频域结合的IIR格型陷波器与基于直接数据域自适应波束形成算法相结合,通过IIR格型陷波器预测并抑制窄带干扰,利用直接数据域算法抑制宽带干扰。改进的干扰抑制方法只需对阵元输出的单快拍数据进行处理,避免了样本协方差矩阵的构造及矩阵求逆运算,并且能更彻底有效地抑制干扰信号,显著提高系统输出信干噪比,改善卫星导航系统的抗干扰性能。因此,自适应波束改进抗干扰算法更适用于卫星和移动通信等领域的实时性处理。

摘要：在全球卫星导航系统抗干扰问题的研究中,自适应波束形成技术很好地解决了与信号不同来向的干扰的抑制问题。但对与信号同向的窄带干扰抑制程度不够,同时会滤除部分导航信号。针对以上问题,提出了一种改进的自适应波束干扰抑制算法。首先,通过级联IIR格型陷波器预测并抑制与信号同向的窄带干扰,然后,利用基于直接数据域自适应波束形成技术抑制剩余的宽带干扰。该改进算法能够有效的滤除窄带和宽带干扰,提升卫星导航系统的抗干扰性能,并在实际卫星通信应用中更具处理的实时性。最后,通过仿真实验证明了该算法的可行性。

关键词：IIR格型陷波器,直接数据域,自适应波束形成,单块拍处理

参考文献

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卫星导航定位系统 篇9

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.

卫星导航定位系统 篇10

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

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卫星导航定位系统 篇11

中国航天科技集团公司以北斗卫星导航系统研制建设为契机，创造性地运用航天系统工程理论和方法，坚持技术创新、产品创新、体制机制创新和管理创新，为我国卫星导航系统的发展作出了应有的贡献。

中国航天系统工程是完成北斗导航系统的重要基础

北斗卫星导航系统工程建设主要目标是突破以星座组网、高精度时空基准、星座自主运行为主要特征的关键技术，整合国内卫星导航资源，建成具有自主知识产权、技术先进、稳定可靠的卫星导航系统。中国航天科技集团公司在北斗卫星导航重大专项工程建设中主要承担卫星系统和运载系统的研制发射任务。

航天系统工程理论和方法是以钱学森为代表的中国航天工作者在具体工程实践中，将科学技术创新、组织管理创新和体制机制创新有机结合，将还原论与整体论辨证有机地统一，形成的解决复杂工程系统研制与建设的集成创新的理论和方法。

1 958年，钱学森的《工程控制论》中文版出版，奠定了中国系统工程的理论基础。20世纪60至70年代，“两弹一星’’等国家重大项目开始系统工程方法的摸索与实践。20世纪80至90年代，航天器型号设立总指挥和总设计师两条指挥线，明确了总指挥作为航天器型号负责人，型号系统工程与项目管理进一步发展。

从20世纪90年代中期开始。中国航天系统工程进入全面发展阶段。形成了诸如“集同设计”、 “重心前移”、“从源头抓起”、 “零缺陷管理”的系统工程管理思想以及质量问题归雩“双五条”、技术状态更改“五条”、“风险分析与控制要求”、元器件管理“五统一”等一系列方法规范。通过载人航天工程及探月工程等重大项目的实践，系统工程和项目管理理念和方法进一步改进，并不断向规范化方向发展。2006年1 0月，神舟六号系统工程实践荣获国际项目管理协会评选的年度唯一卓越大奖。

经过54年的探索和实践，中国航天科技集团公司在航天系统工程方法、程序、工具、手段及团队建设、航天文化等方面形成了独特的核心能力，是完成北斗导航系统建设的重要基础。

逐步形成了以研发为基础的发展战略研究能力、复杂航天系统数字化集同设计环境以及复杂系统可靠性设计方法和程序以及风险识别与控制能力，包括创立了“九新”分析方法、制定了航天型号风险分析与控制指南等。复杂系统精细化质量管理方法与程序。包括制定航天型号质量精细化质量管理要求、质量归零“双五条”、技术状态更改“五条”、元器件管理“五统一”和质量与可靠性数据包等。大系统工程及项目管理方法与程序，包括责任令和计划考核体系、项目经理负责制、航天型号管理规定、卫星和火箭研制程序、神舟飞船系统工程管理、航天型号项目管理手册等。

还有经过飞行验证的技术、产品、管理标准和规范，经过飞行验证的型谱化成熟产品体系，航天器系统集成及地面验证能力：具备5个航天器大型AIT中心和2个运载AIT中心，具备年出厂20～25个航天器和20发运载火箭的总装、总测和试验能力。

跨学科集成创新团队快速成长的管理模式：5个卫星总体设计部、2个运载总体设计部、8个型号系统级研发中心团队，以及总设计师、总指挥200多人和100多个配置齐全的项目管理队伍。

此外，以航天精神、“两弹一星”精神、载人航天精神组成的航天“三大精神”为主的独特的航天文化也是航天系统工程的重要组成部分。

北斗卫星导航系统建设面临的挑战和对策

尽管中国航天科技集团公司在北斗卫星导航试验系统和区域系统建设中积累了一定的经验，但面对全球系统建设的特点和难点，仍然面临诸多挑战。

一、面临的挑战：

复杂系统工程组织管理

作为涉及研制单位众多、组网卫星数量最多的宇航工程，传统的组织管理模式难以适应任务要求。需要在高效率顶层决策、各系统组织协调，举国体制效能发挥及项目精细化控制等方面进一步探索和实践。

大系统总体方案优化

信号体制、发射组网策略、人轨方式等因素协调和决策难度大，将直接制约卫星和运载系统方案优化和确定。

如何建立开放的技术创新体系

发挥中国航天科技集团公司的整体优势，并通过广泛的产学研合作集智攻关是工程建设的有效途径，但如何建立良性竞争机制，完善科学、技术和工程协调体系是当前面临的重要课题。

复杂星座的控制与管理

较之于区域系统星座在轨运行管理，全球系统在轨运行卫星数量多、覆盖面积大、运行控制模式更为复杂。因此，给复杂星座的在轨运行管理、技术支持和应急处理等带来很大挑战。

关键产品国产化

国内基础工业水平相对薄弱，部分国产化产品的研制进度、性能和可靠性指标、质量等级、供货能力等与工程建设要求尚有较大差距。

二、采取的措施：

提高复杂系统工程组织管理能力

探索总体设计和系统集成联合工作模式，建立联合项目办。强化复杂系统顶层策划、系统抓总和高效决策能力；强化复杂系统全寿命周期风险识别与控制能力；强化项目研制全过程精细化管理能力。

加强顶层设计，提高系统优化能力

整合优势资源，组建导航卫星工程中心和运载火箭上面级专职研制队伍；对标国际一流水平，把握全球系统发展规律，加强系统顶层协同设计，优化设计方案，保证系统先进性；加强系统可靠性设计，识别风险和关键环节，保证星座和卫星系统高可靠；科学规划星座组网、补网和备份策略，确保星座系统的连续稳定运行。

集智攻关，吃透技术

发挥集团公司整体优势，广泛联合国内优势力量开展产学研大协作，突破关键技术；加强系统任务分析，合理分解技术指标；加强设计和可靠性的地面和在轨试验验证，充分验证方案设计正确性和产品可靠性；建立对导航重大技术问题的独立评估机制，提高工程建设风险的识别和控制能力。

加强基础研究

针对单粒子、表面充放电等空间环境效应开展试验与分析研究；通过建立卫星抗辐射技术国防科技重点实验室等手段，大力提升星上产品抗辐射能力；深入开展地面试验验证方法的研究和手段建设；加强在轨数据分析与应用，支持模型修正与设计改进。

完善数字化设计与仿真验证平台

加强数字化设计工具应用。提升设计、仿真验证能力；完善网络数字化设计环境，提高异地协同设计能力。

实施国产化专项工程

借助北斗卫星导航系统建设，推动关键产品国产化替代工作，加速核心元器件，部件国产化进程，改变受制于人的局面；充分开展地面及在轨试验验证，确保国产化元器件／部件的性能指标、可靠性满足工程需要。

推进产品定型，加速提升产品成熟度

充分继承成熟技术，做好产品定型与货架式产品管理，提高产品成熟度，满足长寿命、高可靠要求；制定产品成熟度规范和标准体系框架，形成“择优选用、系统最优”的工作机制，确保在短期内研制出高水平产品。

加强精细化质量管理

以产品数据包为核心，严格控制技术状态、强化产品工艺管理，精细化管理产品过程质量。

建立面向小批量生产精细化质量管理程序与方法；建立全球卫星导航系统设计规范、产品规范、管理规范和产品保证规范等一系列标准体系。

加强科研生产体系建设

建立研制单位科研生产和质量管理体系项目全生命周期持续评估机制，持续提升管理成熟度；建立重大短线、共性问题识别与处理机制，控制项目运行风险：建立全生命周期管理信息化系统(PLM)，实现项目高效管理。

加速培养一流创新型团队

卫星导航定位系统 篇12

关键词：卫星定位导航系统,高程控制,水平面轨迹测控,智能实时管理

0 引言

以卫星定位导航系统在农业生产中的应用为代表的精确农业,它可以利用GPS/ BDS技术,配合遥感技术(RS)和地理信息系统(GIS),简称“3S”技术,能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布,做到合理施肥、播种和喷洒农药,甚至能够精确地对作物生长进行管理,可以节约费用、降低成本,达到增加产量、提高效益的目的[1]。总之,卫星定位导航技术在农业领域将发挥重要作用,但在我国农业领域真正普遍实现“3S”的应用可能还需要相当长的时间。

GPS是美国的全球定位系统,英文Global Posit ioning Syst em的简称[2]。BDS是中国自行研制的全球卫星导航系统,全称北斗卫星导航系统,英文Bei Dou Navigat ion Sat ellit e Syst em的简称[3]。

目前,卫星定位导航系统在我国农业生产中的广泛应用就是通过GPS/ BDS自动导航可以减轻驾驶员的工作强度和难度,提高作业质量,实现全天候作业,尤其夜间作业更具优越性,同时可以节约燃油,节省种子、农药和化肥用量。这些应用几乎都是在直线度方面的应用,也就是说在水平面运动保持直线的应用,在此基础上的延伸功能几乎为零。而在农业生产实际中,则需要在水平面运动保持直线的基础上进行高程控制、水平面轨迹测控及智能实时管理等延伸功能的应用,达到精准控制,这也是精准农业的范畴,有利于农业增产增效。

1 高程控制

现有的卫星定位导航系统在农业生产中的应用都是水平面运动保持直线度的应用,而在上下运动则没有要求,即在高程控制方面几乎为零。在目前的农业生产中常常为耕地深度、开沟深度及播种深度不能完全达到农艺要求而苦恼,如果在保持直线作业的基础上,通过卫星定位导航系统能够对耕地深度、开沟深度和播种深度进行精准控制,达到农艺技术要求,这就解决了农机作业与农艺要求的矛盾。通过卫星定位导航系统让农机与农艺高度融合,达到增产增效的目的。下面就以旱田开沟作业为例,阐述高程控制的具体要求。

在雨水充裕的平原地区,装有卫星定位导航系统的拖拉机配带开沟机具在条田长度方向进行开沟作业,开出的竖沟直,但沟底面并不能保持在同一平面,而是随着条田地表起伏而忽高忽低,导致雨后沟内沟底低洼处积水。若通过高程自动控制,达到排水要求,雨后沟内雨水就能排尽,无积水。具体地说,旱田作物田间沟系要保持畅通,通常田间沟系成“井”字状排布,竖沟全部开出来后,每隔30 ~50 m要开一条与竖沟成垂直方向的横沟,也就是条田宽度方向,竖沟与横沟十字交叉处要相通。横沟与条田间的排水渠相通,目的是将雨后田间畦面流入或渗入竖沟中的水通过横沟排入排水渠(如图1 所示)。为了达到排水通畅,根据水往低处流的常识,就要求两条横沟之间的竖沟的沟底面要略成弧形———两头低中间高,落差10~20 mm即可,与横沟交叉处最低,这样竖沟里的水将全部流入横沟里。横沟沟底面则要求靠近排水渠一头比另一头低20~30 mm,这样横沟里的水将全部流入条田间的排水渠,达到条田排水通畅的目的(如图2 所示)。在卫星定位导航系统显示屏高程控制栏进行数据植入,通过电液控制装置将开沟机具在作业过程中按要求略有升降,使开出的沟底面符合上述要求。

1.横沟2.竖沟3.在田作物4.田埂5.排水渠

1.横沟2.竖沟3.竖沟底4.横沟底5.水平线6.横沟底7.竖沟底

2 水平面轨迹测控

目前,卫星定位导航系统在农业生产中就是保持运动轨迹直线度的应用,当输入作业幅宽数值后,装有卫星定位导航系统的拖拉机作业机组依据作业幅宽自动作业,其运动轨迹不重复,从而完成作业任务。而在农业生产实际中存在条田宽度不可能完全是作业幅宽的倍数,这样作业时就存在重或漏的现象,无论是播种、播肥还是机械喷施农药作业,都不允许重或漏,否则,就不能满足农艺技术要求。在实际操作中,为了田容田貌和达到作业效果,大多采用宁重勿漏的做法,造成种子、化肥及农药的浪费,有的甚至造成肥害和药害,与当下国家的“两减”目标背道而驰。如果说,在拖拉机作业机组的运动轨迹重叠时,能够自动关闭重叠部分的排种、排肥和喷药,那么就解决了上述种子、化肥及农药的浪费问题,解决了肥害和药害的问题。现有的农机具,要解决这个问题,就需要人工来操作,人工操作费时费力,严重影响作业工效,只能依托卫星定位导航系统进行智能化控制来解决。下面就以机械喷施农药作业为例,阐述水平面轨迹测控的具体要求。

无论旱田还是水田作物都需植物保护,植保工作主要通过机械喷药来实现。机械喷药作业幅宽是固定的,而条田宽度因这样或那样的原因与喷药机作业幅宽并不匹配。现在的宽幅杆式喷药机作业幅宽最大值大多为25 m,而条田宽度并不都是25 m的倍数,这样在喷药作业时要么漏喷,要么重复喷。漏喷达不到植保要求,重复喷则会引起药害。如果通过自动控制能将重叠的地方只喷一遍,就达到要求了。这种自动控制需要通过装有卫星定位导航系统功能延伸来实现(如图3 所示)。具体地讲,装有卫星定位导航系统的喷药机,输入作业幅宽,行走轨迹其自身有记录,重叠部分在其与上一趟交接而未作业时则已确定,那么开始作业时将重叠部分上方的喷头自动关闭即达到不重复喷药目的。图3 中条田宽度40 m,A趟喷药作业25 m,B趟喷药作业与A趟重复10 m,装有卫星定位导航系统的喷药机自动测控到10 m已喷过药,则自动关闭这10 m上方的喷头,达到不重复喷药目的。

水平面轨迹测控的另一个应用就是作业面积的测量,依据卫星定位导航系统的轨迹记录,植入长度和作业幅宽数据,该系统自动计算出作业面积。

3 智能实时管理

在农机作业中,利用无线通信技术作为实时数据传输的载体,利用卫星定位导航系统对原始的位置数据获取,并且利用地理信息系统(Geographic Information System或Geo-Information system,GIS) 对数据进行展现并提供相应的管理和分析,实现农机作业的全程实时监测。

将卫星定位导航系统安装在隐秘位置,并24 h开机,当拖拉机在非工作时间移动出规定的位置,会向监控中心发出警报,并提供拖拉机的位置信息,实现防盗功能。

对安装卫星定位导航系统的拖拉机在作业过程中进行实时监控,可以根据不同的农机作业工序对应不同的作业速度进行监控,超出限定的速度,卫星定位导航系统自动实时向监控中心发送信息,同时通过高分辨率影像设备传输现场高清影像给监控中心,或者通过设置,超出限定速度的拖拉机就自动熄火;还可以对耕地深度、播种深度以及开沟深度等进行高程控制范围设定,超出设定范围,卫星定位导航系统自动实时向监控中心发送信息,同时车载报警器报警,提醒驾驶员进行调整,以确保其在农艺要求的范围内。若辅以称重系统,可实时监控农资在田间的实际投放量,防止农资流失等,也可实时监测收获时的条田产量。

卫星定位导航系统延伸功能部分或全部在农业生产实际中能够得到运用,一方面取决于农业生产的需要,另一方面取决于软件的开发。多年来,GPS在农业领域得到了广泛应用,并取得了较好的效果,但GPS作为美国的卫星定位导航系统,由于相关技术掌控在美国人手里,严重制约了其在我国农业领域其他功能的推广应用,要想让卫星定位导航系统在我国农业生产中发挥更大的作用,只有依靠我国的北斗卫星导航系统BDS。

卫星定位导航系统延伸功能在农业生产实际中运用,可以使农业生产的每个环节都得到精确控制,达到有效降低成本,提高作物产量,增加农业效益的目的。

参考文献

[1]臧荣春,欧阳斌林.GPS技术在精确农业中的应用[J].农机化研究,2001(4):86.

[2]杨根华.浅述GPS系统在农业机械中的应用[J].硅谷,2010(6):133.