北斗导航定位系统论文

北斗导航定位系统论文（精选12篇）

北斗导航定位系统论文 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

北斗导航定位系统论文 篇2

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

北斗卫星导航系统发展之路 篇3

一、竞相发展的全球卫星导航系统

近40多年来，全球卫星导航系统竞相发展，呈现出GPS一路领先，GLONASS曲折前进，北斗分步迈进、伽利略踯躅前行的态势。导航卫星在轨数量逐步增加，服务性能稳步提升，应用领域日益扩展，成为人类社会不可或缺的空间信息基础设施。

系统状态：4大系统卫星在轨数量情况

GPS系统建成后，卫星数量相对稳定；GLONASS建成后由于各种原因，数量急剧下降，近年来，卫星数逐步增加；北斗系统2000年开始，发星、试验、组网；伽利略系统2005年开始，发星试验。根据计划，2020年左右，4大全球系统的卫星数量都将达到30颗以上。

服务性能：导航信号发展情况、空间信号精度提升情况

为提升服务性能和导航战能力，2005年后，GPS增加了新的导航信号。为促进应用，GLONASS新增了民用导航信号。为加强兼容互操作，北斗和伽利略系统对信号进行了适应性调整。在空间信号精度方面，GPS自2001年、GLONASS自2007年底得到大幅提升。

应用：卫星导航应用增长情况

近30年来，卫星导航从最初服务于军事需求，逐步扩展到各个专业应用领域和大众消费市场。近年来，卫星导航服务性能，特别是精度的提高，使导航应用得到了爆发式增长，导航终端销量激增，全球产值大幅提高。

二、北斗对中国的贡献

建成试验系统，实现从无到有。2000年，我国发射了两颗北斗导航试验卫星，建成了北斗卫星导航试验系统，解决了卫星导航系统的有无问题。

星箭组批生产，启动组网发射。2004年，启动了北斗卫星导航系统建设，首次开始批量研制生产卫星和运载火箭，密集组网发射，探索航天工业新的发展模式。

关键技术攻关，致力持续发展。通过技术攻关和工程实践，攻克了星载原子钟、高精度星地时间比对、监测接收机和用户终端等多项关键技术，为北斗建设和可持续发展奠定了基础。

发挥系统特色，应用初见成效。由于具有导航通信相结合的服务特色，试验系统经过几年发展，逐步被国内用户认可，在渔业、交通、电力和国家安全等诸多领域得到了应用。特别是在汶川、玉树抗震救灾中发挥了重要作用。

培育人才队伍，奠定发展基础。经过十几年来的工程实践，大量的工程管理和技术人员得到了锻炼，同时，还培养了一批系统应用方面的人才，为系统的未来发展提供了保障。

三、北斗对世界的贡献

新增导航频率资源，开辟新的发展空间。2000年，与有关国家和组织密切合作，争取到了新的卫星导航频率资源。世界各主要卫星导航系统部使用或将使用该频段提供服务，为系统发展和应用开辟了新的空间。

促进全球竞争合作，推动系统共同发展。2007年，北斗卫星导航系统成为I CG(全球导航卫星系统国际委员会)确定的全球系统核心供应商之一。北斗系统的建设，促进了全球卫星导航领域的竞争合作，推动了全球卫星导航系统的发展。

世界卫星导航系统的竞争是不争的事实，竞争的焦点是竞相发展自主的更高性能、更加可靠、更高效益的卫星导航系统。我国决心建设北斗卫星导航系统，既有历史机遇，也有现实挑战。

挑战一：建设高性能的北斗卫星导航系统

系统间的竞争实质上是技术上的角力，而系统性能是竞争的核心。最近有文章提到，4大系统的竞争，将是一场世界大赛，领先者将占据主导，落后者将被边缘化。这并非危言耸听，而是卫星导航系统全球化竞争下的残酷现实。

建设高性能的北斗卫星导航系统，核心是拥有一套富有特色、拥有自主知识产权的新体制、新方案，包含多项关键技术。

挑战二：建设高可靠的北斗卫星导航系统

用户享受定位导航授时服务，就像我们使用水和电一样，不能中断。航空使用关乎生命安全，电力、通信、金融使用关乎经济社会安全，大众使用关乎公共安全。一个承诺提供可靠服务的卫星导航系统，要采取各种可靠性措施来保障。如果卫星可靠性不高，则系统频繁补星带来高额的运行维护费用，即使一个经济大国也难以承受。必须在研制建设阶段，就将系统可靠性摆在重要位置，将建设和运行统筹，以求系统可靠高效。

建设高可靠的北斗卫星导航系统，核心是实现与世界其他全球卫星导航系统同等甚至更优的可用性、连续性和完好性的系统指标，这将是我国航天史上一项系统极为复杂、规模庞大的可靠性工程。例如：

系统可靠性设计——提高系统可靠性的关键在于设计。我们的航天工程，从试验卫星到应用卫星，从单星系统到多星组网系统，不仅是系统复杂度的提高，更主要的是可靠性要求的大幅提升。从经验教训中，我们越来越认识到，可靠性设计水平是系统可靠性的决定性因素。而提升可靠性设计水平，需要我们在观念上、体制上和方法上有质的突破。实现北斗系统的可靠性目标，需要在基础研究、方法培训和工程实践中加大投入力度，需要更多的专业人才付出巨大的努力。

星箭批产和高密度发射——建成全球卫星导航系统，我们要用1 0年左右的时间研制、生产、发射50多颗导航卫星，这是一项非常艰巨的任务。因此，我们必须解决星箭批量生产的问题，必须解决高密度发射的问题。

大型复杂星座控制与管理——北斗系统的空间段将由30多颗不同轨道类型的卫星组成，地面段由测控网、主控站、注入站和数量众多的监测站组成。我们对这样一个星地一体的卫星网络的管控，没有多少经验。我们需要在技术、管理上深入研究探索，尽早形成能力。

挑战三：发展高效益的北斗卫星导航系统

我国卫星导航市场的竞争力受限于我们的发展阶段，相比国外产业进入成熟期，我们还处在成长期。这一差别本身不是挑战，真正的挑战是弥补这一差距的机制。

发展高效益的北斗卫星导航系统，核心是在国外系统竞争的情况下，在较短日寸间内完成北斗在国家经济安全领域的推广应用和在大众市场的迅速扩展。主要挑战有：

核心自主知识产权的接收机芯片一自主知识产权的挑战是不言而喻的。目前，在卫星导航芯片这一核心技术领域，我们的专利还寥寥无几，而国外厂商仅基带芯片已拥有2000多项专利。我们完全有理由担忧，在不远的将来，会不会出现又一个“有机无芯”的产业。解决这一问题，十分紧迫，需要创造更好的机制，鼓励在基础研究、产品开发等方面自主创新，掌握核心技术，保护自主知识产权，

提高核心竞争力。

有竞争力的应用解决方案和规模推广策略——目前，GPS已占据我国卫星导航应用绝大部分市场，在这种情况下，北斗系统产业化面临巨大挑战。我国拥有全球卫星导航应用的最大市场，紧紧抓住应用的基础市场，充分发挥北斗服务特色，创造性地提出应用解决方案和规模化推广策略，是北斗系统应用推广和产业化的关键。

面临的历史机遇：

国家战略需求迫切：卫星导航系统是国家重要的空间信息基础设施。保障国家安全、转变经济发展方式、促进国家信息化建设、培育战略性新兴产业，是全球卫星导航系统最有力的需求牵引。

国家经济实力保障：卫星导航系统的建设和发展需要国家巨额投入。目前，随着经济实力不断增强，国家为建设自主系统提供了经费保障。

实施导航重大专项：国家已批准实施北斗卫星导航系统重大科技专项。在政策扶持、资金投入、组织管理等方面予以有力支撑，更加凸显了其国家行为。

把握机遇，迎接挑战，实现“质量、安全、应用、效益”的目标，需要创新组织管理模式，建立科学的竞争、激励、监督、评价机制，关注政策、标准、人才、合作、文化、知识产权等。

世界卫星导航愿景中的北斗

未来1 0年，全球将出现4大卫星导航系统共存互补的局面，天上将会有100多颗导航卫星。用户将享有更低成本、更高精度、更加可靠、更加多样的定位导航授时服务，卫星导航将以更大的规模，应用在更广泛的领域。作为其中的一员，独具中国特色的北斗系统将发挥重要作用。

一、中国特色的北斗

2020年前，建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统，达到国际一流水准，并具有中国特色。

发展策略：突出区域、面向全球

首先实现我国及周边地区覆盖，然后逐步扩展覆盖全球。面向全球提供服务，我国及周边地区可获得更高精度服务。

系统服务：授权服务和免费开放

在全球范围内，提供授权服务和免费的开放服务。在我国及周边地区，还提供短报文和差分完好性服务。

组织实施：充分发挥新形势下举国体制作用

发挥中国特色社会主义的制度优势，发挥市场在资源配置中的基础性作用。

二、服务国家的北斗

未来，北斗将为我国提供统一的时空基准服务，在我国国家安全和国民经济社会各领域得到广泛应用，保障国家经济社会安全，转变国民经济发展方式，成为战略性新兴产业，促进信息化建设的跨越式发展。

推动应用领域创新，提升应用规模

充分发挥卫星导航产业关联度高、渗透性强的特点，不断衍生出新应用、新产品、新市场，进一步拓展卫星导航服务领域和应用规模，实现卫星导航无处不在。

推动应用方式创新，提升应用质量

“创新应用，方法先行”。发挥卫星导航应用只受想象力限制的特点，持续创新应用方法，深度挖掘应用潜力，大幅提升应用质量。

推动应用价值创新，提升应用效用

充分发挥卫星导航与其他信息产业间互补、融合、增值的特点，创新应用价值，提升应用效果，成为我国经济社会增收增效的“新引擎”。

三、面向世界的北斗

作为全球卫星导航系统核心供应商之一，北斗卫星导航系统将致力于推动全球卫星导航系统建设和产业发展。

通过国际交流合作，将致力于实现与世界其他卫星导航系统的兼容互操作，为用户提供更好的服务。

北斗导航定位系统论文 篇4

北斗卫星导航系统 (Bei Dou) 是我过正在实施的自主、独立的卫星导航系统。该系统于2011年12月27日开始试运行服务, 预计到2020年, 北斗卫星导航系统将实现全球覆盖。届时, 该北斗可在全世界范围内为各种用户全天时、全天候地提供高可靠、高精度的导航、定位、授时和短报文通信服务。

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卫星系统己布设完成。

二、北斗与GPS导航系统的比较

(一) 系统组成的比较

GPS系统由空间部分、地面控制系统、用户设备三部分组成, GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成, 还有另外3颗有源备份卫星在轨运行;地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成;用户设备部分即GPS信号接收机。

(二) 定位原理的比较

“北斗一号”导航系统是主动式双向测距的二维导航, 由地面的中心站解算出位置后再通过卫星转发给用户, 用户接收并显示接收到的信息。GPS是被动式单向测距三维导航, 只需要接收4个卫星的位置信息, 由用户设备独立运算出自己的定位数据。“北斗二号”在“北斗一号”的基础上加以升级改进, 该系统采用卫星无线电测定 (RDSS) 与卫星无线电导航 (RNSS) 集成体制, 既能像GPS系统一样为用户提供卫星无线电导航服务, 又具有位置报告及短报文通信功能。

(三) 星体轨道比较

北斗导航系统 (Bei Dou) 是在赤道面上设置两颗地球同步卫星, 卫星的赤道角距为60;而GPS系统共有24颗卫星, 分布在六个轨道面上, 轨道角55度, 轨道面赤道角距为60。其高度约为20000km, 属于中轨道卫星, 绕地球一周约11小时58分钟。

(四) 覆盖范围的比较

北斗导航系统目前是区域性卫星导航系统, 其服务范围包括我国大陆、台湾、南沙及其它岛屿, 中国海、日本海、太平洋部分海域及我国部分周边地区。而GPS是全球性导航定位系统, 在全球的任何点位, 只要卫星信号未被遮蔽或干扰, 就能够接收并运算出三维坐标。

(五) 系统实时性的比较

“北斗一号”的用户, 定位申请要送回中心控制系统, 在中心控制系统解算出用户的三维位置数据后再发回用户, 其间数据要经过地球的静止卫星走一个来回, 再加上卫星转发和中心控制系统的处理, 时间延迟相对较长, 因此, 对于高速运动物体, 就增大了定位的误差。较适合车辆、船舶等慢速运动进行确定位。“北斗二号”及GPS由于是用户自己解算, 实时性比较高。

(六) 用户容量的比较

北斗导航系统 (Bei Dou) 是主动双向测距的询问——应答系统, 用户设备端与地球同步卫星之间不仅需要接收地面中心控制系统的询问信号, 还必须要求用户设备向同步卫星发射应答信号, 系统的用户容量取决于信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率等因素, 因此, 用户设备容量是有限的。GPS系统是单向测距, 发送的是广播信号, 用户设备端只要接收到导航卫星发出的导航电文即可进行测距与定位, 因此, GPS的用户设备容量是理论上是无限的。

三、应用优势分析

相比较而言, 北斗导航系统的应用具有以下优势:

(一) 同时具有定位和通信功能, 不需要其他的通信系统支持, 而GPS则没有通信功能。北斗不仅仅解决了“我在哪里”, 还解决“你在哪里”的问题, 还能高效快捷地实现“我”和“你”之间的信息报文传递。这一特有功能, 是各种导航系统在实践中用得最多最好、最受欢迎的创新优势。系统用户终端机具有双向报文通信功能, 用户一次可以传送40到60个汉字的短报文信息, 经过授权, 可实现最多120个字的通信。北斗的用户终端实际上是具有收发功能的, 北斗是一个具有定位和通信双重功能的设备。

(二) 目前的北斗终端机能够同时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及其他导航系统资源, 使之应用更加丰富。

(三) 自主系统, 安全、可靠、稳定, 保密性强, 适合在关键部门应用。北斗卫星导航系统是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。

四、结束语

北斗卫星导航系统 (Bei Dou) 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美、俄在此领域的垄断地位, 更重要的是, 解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。“北斗二号”系列卫星逐步进入组网和试验高峰期, 预计将在2020年左右建成覆盖全球的卫星导航系统。北斗卫星导航系统的建成, 将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖, 可提供精确定位、实时导航、简短通信和精密授时四大功能。北斗导航系统近年来得到大力发展和推广应用, 能为我国的军事、经济建设提供重要的使用价值。

摘要：目前, 大家接触最多的导航系统是美国的全球定位系统 (GPS) , 该系统在军事应用、商业应用、个人消费领域方面一直处于垄断地位。按照国家人防办部署和要求, 北斗导航也将列装到人防指挥系统当中, 届时, 基于北斗系统的人防指挥应急通信系统可为战时服务, 同时兼顾平时的应急救援提供保障和支持。可跟同级或上级的人防指挥部门建立人防指挥网, 实现上下统一的指挥调度功能。本文将重点进行北斗导航和GPS导航系统的比较及优势分析。

关键词：北斗,GPS,比较,优势

参考文献

[1]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) .

[2]王明晔, 袁凯.基于北斗系统与GPS系统性能的对比分析[J].无线互联科技, 2013 (1) .

[3]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统[J].黑龙江科技信息, 2012 (12) .

[4]李俊锋."北斗"卫星导航定位系统与全球定位系统之比较分析[J].北京测绘, 2007 (1) .

北斗导航定位系统论文 篇5

作者: 张帆，陈杨

指导教师:刘瑞华

(中国民航大学新航行系统研究所，天津，300300)

摘要

利用卫星仿真工具包STK，结合国外全球导航系统的技术经验和北斗卫星导航系统目前公布的技术资料，对北斗卫星导航系统的星座设计、卫星可见性、定位精度等方面进行了详细的仿真与分析。STK逼真的图形显示使得北斗卫星导航系统的星座仿真具有良好的可视化效果，通过对卫星可见性及定位精度的分析，结果表明北斗卫星导航系统是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统，能为用户提供高精度的导航定位服务。所做工作为北斗卫星导航系统的建设与应用提供了一定的参考意义。关键词：北斗卫星导航系统；卫星仿真工具包；星座设计；卫星可见性；精度因子 中图分类号：V324.2+4 文献标识码：A

联系人：张帆

联系电话：*** 联系人：陈杨 联系电话：*** 电子邮箱：ychen2_04@163.com

Analysis and Simulation of BeiDou Navigation Satellite System

Based on STK

ZHANG Fan CHEN Yang

LIU Rui-hua

(Institute of CNS/ATM, Civil Aviation University of China，Tianjin，300300)

ABSTRACT Combines the technology of the foreign Global Navigation System and some current information, this thesis makes some simulation and analysis on constellation design, satellite visibility and positioning accuracy for Beidou Navigation Satellite System by the Satellite Tool Kit(STK).It shows that Beidou Navigation Satellite System can provides not only global navigation, but also strong Local navigation ability which can be quite efficient and convenient.In addition, this thesis can provide great reference significance to the construction and application of the Beidou Navigation Satellite System.KEYWORDS：Beidou Navigation Satellite System;Satellite Tool Kit(STK);constellation design;satellite visibility;dilution of precision 1 引言

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System)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。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

基金项目：国家高技术发展计划(863计划)(2006AA12Z313)目前，我国北斗卫星导航系统正处于星座组网建设阶段，根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。因此，对系统进行模拟仿真是我们开展后续工作的前提。鉴于上述背景，本文借助国际著名的仿真分析平台Satellite Tool Kit(以下简称STK)对北斗卫星导航系统的星座设计、卫星可见性及定位精度等方面进行详细的仿真和分析。星座设计及仿真

目前世界主要卫星导航系统均采用Walk-er星座布局。Walker星座由一组运行于相同轨道周期和倾角的圆轨道卫星组成，记为Walker T/P/F每个轨道上的卫星等间距均匀分布，各轨道面间的升交点经度间距也以相同角度平均分布，因此T（卫星数量）=s（同轨道面的卫星个数）×P（轨道面个数）。两条相邻轨道间卫星相对相位由相位参数F确定，F为最东方的卫星至最西方卫星轨道间的“缝隙”数量（360°/T），F为0到P-1的整数。

卫星导航与卫星通信系统相比，对星座有着大不相同的机和限制，其中最明显的就是需要多重覆盖（即导航应用中需要更多同时可见的卫星）。以GPS系统为例，GPS导航解算最少需要4颗用户可视的卫星，以提供用户确定三维位置和时间所必需的最少4个观测量。因此，GPS星座的一个主要限制是必须一直提供至少4重覆盖。为可靠地保证这种覆盖水平，实际的GPS星座设计为提供4重以上的覆盖，这样即使有一颗卫星出现故障，也能至少维持4颗卫星可见。

对于卫星无线电导航系统(RNSS系统)星座的选择，理论和实践表明，高度在2000km以下的低轨卫星星座是不合适的。分析表明2000km高度的Walker星座卫星数是20000km的Walker星座卫星数的4倍[1]，这将使系统的成本和维持费用猛增。对于高度为20000km的MEO Walker星座，无论卫星总数是24颗，27颗还是30颗，采用3个轨道平面的可用度最高。欧盟伽利略卫星导航系统在进行星座设计时所得出的结论和经验如下[2]：

1)为达到中高等级的性能指标，至少需要24颗卫星。卫星高度对性能指标的影响随卫星数量的增加而减弱。当全球星座卫星数大于等于27颗时，已无需考虑卫星高度对精度的贡献；

2)30颗MEO卫星的星座方案为优，选Walker 30/3/1的星座设计为最优方案。当半长轴大于等于25000km时，均能使垂直与水平精度优于5.5m（可用度优于99.7%）；

3)为了进一步提高可用度，应增加在轨备份卫星，而不必进行星座修改。

参考文献[3]指出，北斗卫星导航系统在空间段由5颗GEO卫星和24~30颗MEO卫星组成，位于轨道倾角为55o的3个轨道平面内，运行周期12小时55分钟，是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统。

综合以上讨论的各种因素，选择5GEO+ 30MEO的星座方案，利用STK软件对星座进行建模仿真[4]。在STK自带的卫星数据库中可以查到Beidou1A~Beidou1C这3颗北斗双星导航系统的GEO卫星以及北斗MEO卫星Beidou2A的卫星数据，以其中的Beidou2A为种子星展开Walker 30/3/1星座。同时，考虑到中国及周边地区区域导航的要求，建立两颗位于(86°E、0°N、36000km)和(120°E、0°N、36000km)的GEO卫星。为了保证卫星轨道仿真计算的精度，在计算模型中选取高精度地球引力势模型、大气阻力模型(Harris Priester大气模型)、太阳光压模型等，采用高阶Runge-Kutta-Fehlberg算法积分求解卫星运动方程[5]，最终仿真北斗卫星导航系统的星座分布三维视图，星下点轨迹二维投影分别如图1及图2所示，其中Beidou1A~Beidou1E为5颗GEO卫星，Beidou2A 101~Beidou2A

110、Beidou2A 201~Beidou2A 210及Beidou2A 301~Beidou2A 310分别为对应3个轨道面的30颗MEO卫 星。

图1 5GEO+30MEO卫星空间星座图

图2 5GEO+30MEO卫星星下点轨迹图 卫星可见性分析

为了及时捕获卫星信号，需预先估计出卫星相对于某一地面站点的进出场时间、可视卫星数目等对于充分了解其运行状况，合理开展相关卫星捕获等具有重要意义[6]。建立某地面站Beijing，其位置信息为(116.388°E、39.9062°N)，分析其在仿真时段内卫星的跟踪状况。

1)单颗卫星跟踪分析。利用STK提供的Access Tool分析工具，以Beidou2A卫星为例仿真时段设定为2007年7月1日12:00至2007年7月2日12:00，时间跨度为24小时。在报告栏选择Access即可获得Beijing站捕获Beidou2A卫星的跟踪时段信息，如表1所示。

表1 Beidou2A卫星对Beijing站进出场时间

Access

Start Time(UTCG)

Stop Time(UTCG)

Duration/s

2/7/2007 05:36:15.607

2/7/2007 12:00:00.000

23024.393 表1中，Access值对应为1，表示在该时段Beidou2A卫星只经过Beijing站上空一次，起始时刻为当天UTC时间5:36:15.607，截至12:00:00，历时23024.393s。

2)整个星座的跟踪分析。对所有35颗北斗导航卫星进行跟踪分析，可以得到所有卫星对Beijing站的进出场时间，如图3所示。可以看出，大部分卫星在一天内出现1~2次，这 也符合北斗卫星导航系统12小时55分钟的运行周期。

图3 35颗北斗导航卫星对Beijing站进出场时间图

3)可见卫星数目分析。利用STK链路工具，新建一个链路分析。将上述Beijing站和北斗导航卫星星座作为链路中的两个对象添加至当前链路，就可以分析仿真时段内任意时刻Beijing站的可见卫星数目，如图4所示。

图4 可见卫星数目图

图4表明，在几乎所有时刻，该地面站点均能同时接收来自北斗系统的13颗以上的卫星，且最多可达18颗。也就是说，满足多重覆盖的要求。

在STK中，卫星的可见性还反映在图形窗口中，三维图形中，可以看到卫星的在轨运行状态，当卫星对地面站可见时，卫星和地面站之间有一条线进行连接，当该卫星不可见时，连线消失，如图5所示。通过三维图形显示，直观形象地描述了地面站对北斗卫星导航系统的可见性。

图5 卫星可见性三维空间显示图 定位精度分析

对于大多数用户而言，最关心的是位置精度和给定精度下的可信度。利用北斗卫星导航系统进行定位，其精度主要决定于以下两个因素：其一是所测卫星在空间的几何分布，通常称为卫星分布的几何图形；其二是观测量的精度。位置精度用以下公式表示[7]：

Accuracy=UERE×DOP

(1)其中，Accuracy为位置精度，UERE为用户等效距离误差，DOP为精度因子，其数值越小，用户定位精度越高。等效距离误差是根据卫星至接收机的路径上的各种因素（如钟差、电离层延迟等）预测的伪距观测值的变化值，精度因子反映卫星的空间几何分布，它是星座大小和轨道参数的一个函数。通常有平面位置精度因子HDOP、高程精度因子VDOP、空间位置精度因子PDOP、接收机钟差精度因子TDOP和几何精度因子GDOP。利用以上各项精度因子，便可以从不同的方面对定位精度做出评价。

利用STK的覆盖分析模块，可以分析单个或星座对象的全局和区域覆盖问题。在进行覆盖分析时，STK不仅可以提供详尽的分析报告和图表，能对覆盖的变化进行同步仿真，而且还会充分考虑所有对象的访问约束，避免计算误差。

对于地面站Beijing，计算仿真时段内该站点各DOP值，并绘制其随时间变化的曲线，如图7和图8所示。

图7 GDOP、VDOP和HDOP随时间变化曲线图

图8 PDOP和TDOP随时间变化曲线图

此外，对全球范围进行覆盖分析，考察DOP值随地理位置的空间变化情况。空间分辨率取1°×1°，分析几何精度因子GDOP随经纬度的变化，如图9和10所示。

图9 GDOP随纬度变化曲线图

图10 GDOP随经度变化曲线图

从图中可以看出，在全球范围内北斗卫星导航系统的GDOP值均在1.7以内，总体上曲线起伏较小，说明北斗卫星导航系统具有良好的系统连续性。GDOP值随经度变化较纬度方向略为显著。在中低纬度地区的GDOP值相对较小且稳定，整体上在1.65左右。由于存在5颗增强区域导航性能的GEO卫星，故在我国及周边地区的经度范围内GDOP较之其他经度范围略小，处于1.30左右，其他经度范围内，GDOP水平在1.60左右。

因此，上述分析表明北斗卫星导航系统的设计在全球范围内具有良好的覆盖品质，同时是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统，能为用户提供高精度的导航定位服务。5 结束语

STK作为一款先进的卫星工具，具有强大的计算能力、逼真的图形显示、全面的分析功能以及可靠的数据报表等特性。本文借助它对北斗卫星导航系统的星座设计、卫星可见性分析以及定位精度等方面进行了详细的仿真与分析。卫星星座和星下点轨迹的显示具有良好直观的可视化效果。星座中各卫星的进出场时间(跟踪)以及可见卫星数目的仿真对合理有效地开展相关信号捕获工作具有重要意义。从定位精度分析所得的图表报告中可以直观的了解到北斗卫星导航系统在全球范围内具有良好的覆盖品质，是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统，能为用户提供高精度的导航定位服务。

北斗卫星导航系统目前仍处于建设阶段，本文利用STK提供了强大的卫星仿真平台对北斗系统进行了仿真分析，仿真精度还有待于系统完全建成，并投入运行后得到进一步验证。本文所做工作对开拓北斗卫星导航系统应用领域具有一定意义，同时可以为具体的空间任务设计提供相应的参考依据。

参考文献

北斗导航定位系统论文 篇6

发展背景

全球卫星定位系统已经被誉为“太空超级指南针”，在军民运用领域占据重要地位。其中，尤以美军GPS技术最为成熟，运用最为广泛。GPS制导精度高、制导方式灵活，已成为精确制导武器的一种重要制导方式。在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增加了近100倍，而它们全部或大部分都依靠GPS制导。在装有GPS接收终端的弹药击中目标引爆的瞬间，触发用户机进行定位，并将位置信息和时间信息迅速传送到指挥中心，从而进行命中率评估，其评估效果已在伊拉克战争中得到充分检验。单兵作战系统利用定位和通信功能，为单兵提供位置信息和时间信息服务，同时可将单兵的位置信息实时动态传送到指挥机构，并及时向单兵发送指令，提高单兵作战能力。科索沃战争中，美军的F-117隐形飞机被击落后，由于飞行员配备了GPS接收机的呼救装置，从而使美军能抢在南联盟军队之前，在7小时内找到并救出飞行员。此外，利用GPS可提供高精度授时，为军用通信网络提供统一的时标信息，从而使通信网络速率同步，保证通信网中的所有数字通信设备工作于同一标准频率上。可以说，离开GPS系统，美军的作战行动将寸步难行。

目前，全球卫星导航定位系统发展迅速，但是绝大多数的军民应用范畴都是建立在美国GPS基础之上。不过，美国GPS也绝非完美无缺。例如，其规模太大、造价太高，其他国家很难效仿；GPS只能导航，无法通信，因而不能满足日益增长的用户需求；如果仅依赖GPS，则很容易受到美国控制，一旦发生战争，美国关闭GPS或加大民用码误差，后果不堪设想。此外，在近几场局部战争中，GPS也暴露出了一些问题。在一般情况下，从卫星反馈到地面的信号很小，如果对方采取各种干扰措施，就会使GPS接收机无法正常工作，从而使其导航定位精度降低或产生误导。在伊拉克战争中，伊军在其境内部署了一些GPS干扰装置，结果使美军的GPS制导武器大失水准，有部分导弹甚至飞到了伊朗、土耳其境内。2003年3月白宫官员为此指责俄罗斯公司向伊提供了GPS干扰设备。另据报道，俄罗斯目前已经研制成功一种手持式GPS干扰器，可干扰150公里范围内的GPS信号。因此，中国发展全球卫星导航网也引发了外界对“北斗”军事用途的猜测。据美国《连线》杂志撰文猜测，2012年之前，中国将再发射8到10颗北斗卫星，进一步扩大其覆盖范围，到2020年可覆盖全球。文章进一步认为，北斗覆盖全球就意味着“中国的卫星制导武器具备了全天候精确打击能力”。韩国《朝鲜日报》此前甚至猜测，中国北斗卫星导航系统可以从卫星上发出电波，提高导弹命中率并收集全球领域的各种情报。虽说韩国媒体的臆断带有科幻风格，但是也从侧面证明了北斗系统的潜力。

发展历程

一般认为，我国北斗导航系统经过了“北斗一号”和“北斗二号”两个发展阶段。第一代卫星导航定位系统“北斗一号”于2003年12月正式开通运行，利用两颗地球同步轨道卫星为用户提供全天候的快速定位、简短数字报文通信和授时服务，是区域卫星导航系统，只能用于中国及其周边地区。“北斗一号”不仅具备其他无源定位系统，如GPS、“格洛纳斯”的定位和授时功能，同时还具有独特的双向数字报文通信能力。用户在实施定位的同时，即可完成位置报告。美国GPS是一个接收型的定位系统，只转播信号，用户接收就可以做定位了，不受容量的限制。而“北斗一号”是双向的，既有定位又有通信的系统，有容量的限制。据西方媒体报道，在战时，“北斗一号”可为中国军队的高精尖武器提供精确的卫星制导，为战场的士兵提供准确的战场环境资料，对提高中国的国防现代化水平有着重要的意义。

目前，正在进行之中的“北斗二号”工程，计划2015年建成一个由三十几颗卫星组成的全球导航定位系统。不过，“北斗二号”并不是“北斗一号”功能的简单延伸，更类似于GPS全球定位系统和伽利略系统。系统空间段将由5颗静止轨道卫星和三十几颗非静止轨道卫星组成，它们是无源导航卫星，不同于第一代的有源导航，这可以为需要导航的用户带来极大的安全需求，更不容易受到干扰。据公开媒体报道，“北斗二号”主要提供两种服务方式 ：开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务。

北斗系统的研发体现了从简到繁、量力而行的特点——先以“双星定位”的“小系统”积累经验，进行技术攻关，随后发展三十几颗卫星构成的“大网络”，实现全球覆盖。此外，北斗并没有照搬美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”模式，体现出中国特色，例如其独特的卫星短信收发功能已在军演和救灾中经受了检验。有人预言，北斗卫星系统一旦成形以后，咱们中国老百姓就可以用北斗，而不用GPS了。不过，要与实力强大的GPS争取市场，使用我们自己的导航卫星提供的定位服务，不但需要提供高水准的服务，还要有一个过程。

实践运用

经过多年的不断发展和建设，北斗卫星导航系统在测绘、渔业、交通运输、电信、水利、森林防火、减灾救灾和国家安全等诸多领域得到应用，特别是在四川汶川、青海玉树抗震救灾中发挥了非常重要的作用。GPS解决了一个我在哪里的定位问题，比如在沙漠里、在海洋上。而北斗不仅仅解决了我在哪里，它还解决你在这里他在哪里的问题，北斗的定位需要发射然后再得到位置，同时它的位置可以传给你也可以传给关心你的人，实际上北斗是具有一个定位和通信双重功能的设备。因此，有评论说北斗系统将成为一个生命线工程。2009年夏季陕南由于大雨成灾，用北斗做了几十个站，做雨量的测试，直接传到陕西省的救灾办公室，主管的一位副省长就在现场，实时地通过北斗得到了陕南的降雨情况，效果非常好。

北斗导航定位系统论文 篇7

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) .

北斗导航定位系统论文 篇8

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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[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.

北斗导航定位系统论文 篇9

北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯GLONASS后第三个进入GNSS(全球定位导航系统)俱乐部的导航系统,它是一个我国具有完全自主知识产权并被世界卫星导航委员会所认可的系统[1],要想了解它我们首先来聊聊它的由来。

现如今,在私家车以及移动终端设备上GPS都可以免费使用,导航定位功能已经深刻的影响着我们的生活方式,身处这个偌大的世界当中人们已经不会有一种苍茫的感官,我们时刻可以掌握自己的精确坐标,并随心所欲的到达自己想要到达的地方。那么GPS既然这么优秀且免费我们为什么要劳民伤财自己研究自主的导航系统呢?这是因为GPS是由美国完全控制的,GPS分为民用和军用两个标准,为了预防敌人利用自己的武器来对自己构成威胁,美国曾对民用信号加以干扰,使其定位精度大大降低。

这一情况直到2000年以后才有所改变,因为美国通过系统升级,已经掌握了战时可以随时关闭某一地区导航信号的能力。一旦我们形成了对GPS的依赖性,如果美国关闭对我们的服务,那将是毁灭性的打击,我们将变成彻彻底底的瞎子。正是出于安全因素的考虑我国提出了自主研发的北斗卫星导航计划,北斗卫星导航系统包括RNSS(卫星无线电导航业务)与RDSS(卫星无线电测定业务)两种定位模式,北斗卫星导航系统区别于GPS导航系统,它不仅能够让我们知道我们在哪里,同时能够告诉别人我们在哪里、在干什么[2],也正是由于这样的因素,在信息发送的过程中,我们的位置极可能被截获,本文正是基于这种隐患的存在,提出了一种提高北斗导航定位终端安全性能的设计。

1 北斗卫星定位系统的发展

北斗导航定位系统的发展历程主要包括三个主要阶段:

第一阶段:上世纪80年底到2000年,即“双星快速定位系统”,这一理论是在80年代的全国科学大会上提出来的,由两颗地球同步卫星实现了一定区域内的导航定位功能,这一技术用户在定位的时候需要对卫星发送数据,因此又称为有源定位,虽然第一代卫星导航定位系统跟GPS相比较存在明显的缺陷,但这是基于我国当时的综合国力做出的最理性选择,并使我国成功打破国外垄断,具有了自主定位的能力[3]。

第二阶段:2001年到2012年,这一阶段的主要任务是覆盖亚太地区,随着GPS应用的逐步推广,以及其在美国对外战争中发挥的巨大作用,并且我国的综合国力也得到不断提高,这一计划越来越受到国家的重视,到2012年共有12颗北斗二号卫星发射升空,北斗卫星导航系统开始真正在国民经济中发挥作用,在汶川地震救援工作中,北斗系统的通讯功能成为灾区与外部联络的唯一手段,这一阶段北斗导航系统在性能上已经大大缩小了与GPS的差距。

第三阶段:2013年到2020年,组建全球定位系统,最终将有35颗定位卫星发射升空,组成由地面站、用户终端以及空间卫星组成的庞大系统。届时北斗卫星导航系统将在性能上足以媲美甚至超越GPS系统,并且比GPS具有更强的互动性[4]。

2 北斗卫星导航系统使用安全性设计

区别于GPS的单一定位方式,北斗卫星导航系统具备有源定位与无源定位两种方式,其中有源定位的过程中需要用户向卫星发送数据,这样即使在较差的搜星状况下依然能够达到定位的目的;同时北斗系统使用户在获知自己位置的同时可以告诉对方自己的位置,并向可以对外发送简短报文。但是这在为用户带来便捷的同时也给北斗系统使用的安全性带来了挑战,一旦发送的数据遭到截获,那将给用户的隐私带来极大的挑战。

针对该问题,我们在移动终端上在系统使用北斗信号时,为了保证用户信息不被恶意监控,保证数据的安全性,我们在终端系统上增加了一个北斗信号模拟单元,框图如图2所示。正常发送的位置信号为频率f1处的波峰,通过模拟单元我们得到了一个频率为f2处的波峰,经过逻辑处理单元对两个位置信号的整合,我们得到了一个全新频率的波峰,即使被人为跟踪,对方得到的也是错误的信息。另外发出的信息我们可以在特定的设备上进行解密操作,这样我们在实现了自身精准定位的同时,也达到了安全通信的目的。

图3展示了移动终端设备的结构图,北斗加密模块对北斗信号进行加密整合,由内置发射天线将信号对外辐射,天线采用陶瓷加螺旋架构,能量由大功率电池提供。

3 结语

安全性对我们来说至关重要,再优秀的技术如果不能解决这个问题那都将一无是处,本文提出了一种提高北斗卫星导航定位系统使用安全性的方法,成功解决了北斗有源定位(RDSS)使用过程中的安全性问题。

参考文献

[1]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战.测绘学报.2010,39(1):1-6.

[2]郭晓亮,苏保成.军用导航定位系统能力需求的分析[J].科技资讯.2009(30).

[3]田洪伟.双星导航定位系统组合应用[J].科技信息(科学教研).2008(16).

北斗导航定位系统论文 篇10

1 北斗导航与GPS定位技术概述

北斗导航和GPS定位技术都属于卫星定位技术的范畴,由地球监控设备、用户终端以及卫星网络组成,地球监控设备的主要功能是将采集到的指令传输给卫星系统,同时能够对卫星状态进行监测,并对采集到的数据进行分组处理,卫星网络系统的主要功能是传输并转发信号,用户终端的主要功能是接收卫星系统发来的信号,并对定位报文进行解析,从而计算并确定自身地理位置。下面来简要分析北斗导航系统与GPS导航系统的原理。

1.1 北斗导航系统原理

北斗导航位置定位有着主动性、精准性和有源性的特点,能够全双工传输数据,但其到达区域有限,这就使得其服务范围有着一定的局限性。北斗导航系统架构由3部分组成:1)空间部分:空间部分主要由两颗工作卫星和一颗备用卫星组成,卫星与地球同步运动,轨道高度为36 000km,两颗工作卫星的坐标分别为(80°E,0°)和(140°E,0°),备用卫星的坐标为(110.5°E,0°),空间部分卫星不具备导航电文发射功能,且没有原子钟,其主要功能是进行地面中心站和用户站的双向信号中继传输,覆盖面积为地球面积的42%[1];2)地面中心控制系统:主要由地面中心站、测轨站及数十个地面参考标校站等组成,其中地面中心站配置了电子高程图,主要功能包括卫星定位、测轨以及调控卫星等,对导航定位参量数据进行搜集和校正,能够实现用户位置的精确测定;3)用户终端:用户终端指的是收发器,其带有定向天线,能够接收卫星传来的信号,并发射相关通信请求。

北斗导航系统定位工作过程如下:1)地面控制中心将询问信号发送给空间部分的两颗工作卫星;2)空间部分工作卫星接收到询问信号之后,利用卫星转发器将询问信号转发给服务区用户;3)服务区用户对其中一颗工作卫星的询问信号进行响应,同时将回应信号发送给另一颗工作卫星[2];4)工作卫星接收到响应信号之后,利用卫星转发器将响应信号转发给地面控制中心;5)地面控制中心对接收到的用户响应信号进行解读,明确用户申请服务内容,以数值地图计算为基础,对用户所在地的三维坐标进行计算,之后将相关信息发送给空间部分工作卫星;6)空间部分工作卫星接收到坐标资料或通信内容等信息之后,利用卫星转发器转发给用户,从而实现定位。可以看出,在整个北斗导航系统定位工作过程中,空间部分工作卫星相当于地面控制中心和用户之间通信的中转站。

1.2 GPS导航系统原理

GPS导航系统主要由1个MCS主要控制台、4个地表天线站以及6个监控系统等3部分组成,用户设备是GPS导航系统数据的最终目的地,通过接收机来接受GPS卫星发送的信息,以GPS卫星固定角度获取测量卫星,并跟踪捕获卫星数据,获取导航报文,最后计算出用户设备的定位数据,例如经纬度数据、速率数据等。

当前GPS定位技术方法种类繁多,但原理基本一致,都是以GPS卫星为测量中心点,至少需要4颗卫星,确定为卫星坐标,进行空间距离的后方交会,通过数学建模方法来进行定位[3]。根据GPS卫星的运动状态可以将GPS定位算法分为动态定位算法和静态定位算法两种,根据参考物选取可以分为相对定位算法和单点定位算法两种,一般采用伪距法进行定位计算,此外,载波相位测量以及多普勒定位等方法也可以在GPS定位中应用。

2 北斗导航与GPS定位技术在航海定位中的实验对比

对北斗导航和GPS导航在航海定位中的应用进行对比实验,以AIS船载自动识别系统为基础,获取船舶航行过程中的相关信息或信号,例如海岸基站信息、周围船舶信息等,并将这些信息转发给岸上终端系统[4]。在此过程中,AIS船载自动识别系统会将搜集到的信息传输到北斗导航卫星或GPS导航卫星上,经过卫星的转发到达控制中心。控制中心利用AIS解码、多基站信息融合等技术来处理船舶航行信息,并将其存储到数据库中,监控系统会读取数据库中的船舶信息并将其显示在电子屏幕上,这就能够实现对船舶的定位,并实现对船舶航行的实时、动态监控。

北斗导航系统船舶定位和GPS导航系统船舶定位的精准度对比如表1所示,每隔2s获取以此船舶航行相关数据信息,每隔482m长度设置一条极限,需要注意的是,北斗导航系统船舶定位测试的数据类型与GPS导航系统船舶定位测试的数据类型有着一定的差别,前者测试数据类型为检测相位大小以及B1速率和B2速率伪距,后者测试的数据类型为L1、L2以及C1、P2,截至高度角控制在15°。

由表1可知,北斗导航系统船舶定位的相位精度在4.1mm~5.1mm之间,而观察准确度在0.32m~0.43m之间,这两个精度指标与GPS导航系统船舶定位基本相等。

测试卫星高度角对船舶定位精准度的影响,采集不间断的十组历元分组数据,计算北斗导航系统船舶定位和GPS导航系统船舶定位的准确度结果进行计算,去除不精确结果,得出高度角匹配精度预估值,之后进行平均值的计算。

测试结果表明,对于北斗导航系统船舶定位来说,随着卫星高度角的增加,船舶定位精准度也随之增加,随着卫星高度角的降低,船舶定位精准度也降低,而在GPS导航系统船舶定位中,这种关系依然存在,相较于北斗导航系统来说,GPS导航系统的这种相关度更加稳定,历元有着较好的信号接受能力,能够接收卫星的数量也更多。北斗导航系统船舶定位中的历元MEO卫星数量波动较大,GEO卫星相对稳定,但从准确性方面来看,北斗导航系统船舶定位要更优良一些。

综上所述,在卫星高度角较小的基础上,相较于GPS导航系统船舶定位来说,北斗导航系统船舶定位的精确性更优良。

3结论

综上所述,北斗导航系统能够实现全球范围内的导航和定位,其在航海领域中的应用至关重要,通过对比分析可知,北斗导航系统航海定位精度和准确度更加优良,能够实现定位导航、精密授时以及报文通信等众多功能。北斗导航系统在航海定位中的应用能够有效促进我国航海技术的进一步发展。

摘要：本文从北斗导航与GPS定位技术概述入手,分析了二者的原理,通过对比实验来对比了北斗导航系统船舶定位和GPS导航船舶定位的精度,对比分析可知,作为我国自主研发的导航和定位技术,北斗导航航海定位有着一定的优势,其对于促进航海技术的发展有着积极的意义。

关键词：北斗导航,GPS导航,航海定位,对比

参考文献

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[3]武英洁.船用北斗/GPS联合导航终端的研究[D].大连:大连海事大学,2010.

北斗导航定位系统论文 篇11

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。

北斗导航定位系统论文 篇12

关键词：北斗导航系统,海洋,渔业,数据

一、引言

中国的海域位于环太平洋渔业带西部, 欧亚板块、印度板块和菲律宾板块的结合部, 既发育有经受大洋板块与大陆板块聚合的活动边缘——沟、弧、盆系、又在陆缘一侧形成油气资源潜力雄厚的陆架新生代沉积盆地。渔业活动频繁、强烈。据渔业活动是海洋开发不可忽视的海洋环境资源因素之一, 监测海洋渔业活动性具有非常深远的意义。

二、基于北斗导航的渔业管理系统背景

上海市于2000年建成上海渔业管理系统, 用于监测上海近海的渔业活动性, 取得了很好的效果。为了进一步改善海洋渔业观测的精度, 上海市从2004年起着手设计、规划基于北斗导航的海洋渔业监测系统。上海东部海域离海岸线约100公里的海水深度在15-25米, 距离海岸线300公里左右的海水深度在80-120米。另外考虑到国外OBS在海洋渔业观测的广泛应用, 故计划在中国南海海槽水深3000-4500米处试验投放我国自行研制的OBS。近年来, 随着上海市经济建设的迅速发展, 人口的快速增长以及国际大都市化进程的加快, 以各种构建筑物、企业、机构、设施为主的有形和无形社会财富迅速积累和人民生活水平逐步提高, 同等强度的渔业所造成的人员伤亡和经济损失将会成倍增长。因此加强监测东海海域渔业活动非常重要。

三、系统设计与施工

上海市海洋断层工程勘查, 该区域海水深30-40米图-2, 海底覆盖层为260-280米, 海底地表平坦, 由淤泥质粘土和细砂等全新世沉积物所覆盖, 距离上海以东的海岸线约150公里。在此区域建立海洋渔业观测平台, 可以对上海长江口以东海域发生的微小渔业进行准确定位。

海洋渔业监测系统建设为“十五”数字观测网络项目海洋台站部分任务, 于2005年开始, 2008年完成, OBS为2009年完成。1、活结桩渔业小平台。活结桩渔业小平台 (简称活节桩) , 在国内是首次尝试。我们在设计的时候充分考虑了海域情况、供电、通讯、安全、防雷等一系列问题, 做了大量的研究工作和多方论证, 并开展了一系列试验。为解决活结桩供电问题, 我们进行了风力发电和太阳能发电试验;针对通讯问题, 先后进行了海事卫星、北斗卫星、GPRS和CDMA的渔业实时数据传输试验;在活结桩最顶端安装图像实时监控设备并实时传输到上海市台网中心。经过反复试验后, 在距离上海约100公里处投放了两根活结桩, 并在活结桩上安装了雷达感应器防止渔船碰撞。活结桩投放处水深约18米左右, 活节桩高27米, 于2007年9月和10月成功投放。2、海底渔业监测系统。该项目由基于北斗导航系统制定技术指标, 承接研制六台OBS渔业仪, 其中两台为宽频带渔业仪。经多方面努力, 在极其艰苦的条件下, 项目组全体同志夜以继日, 忘我工作, 在中国科学院南海海洋所和中国科学院声学所等单位的全力支持和配合下, 2009年9月18日将海底渔业仪顺利的投放在中国南海北纬21到22度, 东经119到120度区域, 该区域海水深2500-3500米, 并于2009年10月18日成功回收。

四、结论

复杂的海洋渔业管理系统可以根据北斗导航卫星提供的不同类型以及不同细节层次的渔业粒度差异, 进行相关的管理与建设。本文结合北斗导航系统的最新技术发展, 设计与分析了海洋渔业数据信息管理系统, 便于海洋渔业信息的管理和预测。。

参考文献

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