北斗导航系统要点.pdf
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1、中国北斗卫星导航系统 (BeiDouNavigationSatelliteSystem , BDS) 是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统 (GPS) 、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS )之后第三个 成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)和美国GPS、俄 罗斯 GLONASS 、欧盟 GALILEO ,是联合国卫星导航委员会已认定 的供应商。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,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10 米,测速
2、精度0.2 米/秒,授时精度 10 纳秒。 2012 年 12 月 27 日, 北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0 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。 2013 年 12 月 27 日,北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周 年新闻发布会在国务院新闻办公室新闻发布厅召开,正式发布了北 斗系统公开服务性能规范(1.0 版) 和北斗系统空间信号接口控 制文件( 2.0 版) 两个系统文件。 2014 年 11 月 23 日,国际海事组织海上安全委员会审议通过了 对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函,这标志着北斗卫星导航 系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分
3、,取得面向海事应用 的国际合法地位。 中国的卫星导航系统已获得国际海事组织的认可。 基本信息 中文名称北斗卫星导航 外文名称 theBigDipperNavigationSystem 研制国家中国 英文缩写 BDS 性质地球卫星定位与通信系统 1 卫星简介 2 发展历程 2.1 早期研究 2.2 试验系统 2.3 中国加入欧盟伽利略计划 2.4 正式系统 2.5 东盟各国加入合作 2.6 全球组网 3 建设原则 4 覆盖范围 5 试验系统 5.1 系统组成 5.2 性能 6 正式系统 6.1 亚太服务 6.2 全球服务 7 系统构成 7.1 空间段 7.2 地面段 7.3 用户段 8 制作原理
4、 8.1 空间定位原理 8.2 有源与无源定位 8.3 精度 9 采用技术 9.1 卫星平台 9.2 卫星制造与发射 9.3 时间系统 9.4 信号传输 10 应用领域 10.1 开放服务 10.2 授权服务 10.3 应用状况 11 标准制定 12 国际认可 13 学术年会 北斗导航定位卫星北斗卫星导航系统 BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem 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
5、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。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,空 间段包括 5 颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星, 地面段包括主 控站、注入站和监测站等若干个地面站,用户段包括北斗用户终端 以及与其他卫星导航系统兼容的终端。3 发展历程 早期研究 1970 年代,中国开始研究卫星导航系统的技术和方案,但之后 这项名为 “ 灯塔 ” 的研究计划被取消。2 1983 年,中国航天专家陈芳允提出使用两颗静止轨道卫星实现 区域性的导航功能,1989 年,中国使用通信卫星进行试验,验证了 其可行性,之后的北斗卫星导航试验系统即基于此方案。
6、试验系统 1994 年,中国正式开始北斗卫星导航试验系统(北斗一号)的 研制, 并在 2000 年发射了两颗静止轨道卫星,区域性的导航功能得 以实现。 2003 年又发射了一颗备份卫星,完成了北斗卫星导航试验 系统的组建。 中国加入欧盟伽利略计划 2003 年 09 月,中国打算加入欧盟的伽利略定位系统计划,并 在接下来的几年中投入了2.3 亿欧元的资金。由此,人们相信中国 的北斗系统只会用于自己的武装力量。中国与欧盟在2004 年 10 月 09 日正式签署伽利略计划技术合作协议。2008 年 01 月,香港南华 早报在 “ 中国不当 “ 伽利略 ” 计划小伙伴 ” 的报道中指出:中国不满其
7、 在伽利略计划中的配角地位,并将推出北斗二代与伽利略定位系统 在亚洲市场竞争。 正式系统 2004 年,中国启动了具有全球导航能力的 北斗卫星导航系统的建设(北斗二号),并在 2007 年发射一颗中地 球轨道卫星,进行了大量试验。2009 年起,后续卫星持续发射,并 在 2011 年开始对中国和周边地区提供测试服务,2012 年完成了对亚 太大部分地区的覆盖并正式提供卫星导航服务。 中国为北斗卫星导航系统制定了“ 三步走 ” 发展规划, 从 1994 年 开始发展的试验系统(第一代系统)为第一步,2004 年开始发展的 正式系统(第二代系统)又分为两个阶段,即第二步与第三步。至 2012 年,
8、此战略的前两步已经完成。根据计划,北斗卫星导航系统 将在 2020 年完成,届时将实现全球的卫星导航功能。10 北斗卫星导航系统三步走发展规划 时间节点2004 2012 2020 实现目标 区 域 有 源 定 位 区 域 无 源 定 位 全 球 无 源 定 位 东盟各国加入合作 中国科学技术部部长万钢在2013 年 1 月 19 日中国科技工作会 议上透露, 2013 年将积极实施 “ 中国东盟科技伙伴计划” ,启动 “ 中国 -东盟联合实验室” 、“ 中国 -东盟技术转移中心” 建设,在东盟各国合 作建设北斗系统地面站网。 全球组网 2015 年 7 月 25 日中国成功发射两颗北斗导航卫
9、星,使北斗导 航系统的卫星总数增加到19 枚。这对北斗 “ 双胞胎 ” 弟兄,将为北斗 全球组网承担 “ 拓荒 ” 使命。 据北斗导航卫星系统总设计师谢军介绍,作为北斗系统全球组 网的主要卫星,新发射的北斗双星将为中国建成全球导航卫星系统 开展全面验证,为后续的全球组网卫星奠定基础。9 建设原则 北斗导航定位卫星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,不仅要建成系统, 更要用好系统,强调质量、安全、应用、效益,遵循以下建设原则: 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,
10、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。 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。 3、兼容性。在全球卫星导航系统国际委员会(ICG)和国际电 联(ITU )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。 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。 覆盖范围 北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统,覆盖范围东经 约 70 140 ,北纬 5 55 。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。
11、 4 试验系统 北斗卫星导航试验系统又称为北斗一号,是中国的第一代卫星 导航系统,即有源区域卫星定位系统,1994 年正式立项, 2000 年发 射 2 颗卫星后即能够工作,2003 年又发射了一颗备份卫星,试验系 统完成组建,该系统服务范围为东经70 140 ,北纬 5 55 。 系统组成 北斗卫星导航试验系统于2003 年完全建 成系统分为三个部分,分别为空间段、地面段、用户段: 空间段:由3 颗地球静止轨道卫星组成,两颗工作卫星定位于 东经 80 和 140 赤道上空, 另有一颗位于东经110.5 的备份卫星, 可 在某工作卫星失效时予以接替。 地面段:由中心控制系统和标校系统组成。中心
12、控制系统主要 用于卫星轨道的确定、电离层校正、用户位置确定、用户短报文信 息交换等。标校系统可提供距离观测量和校正参数。 用户段:用户的终端。 性能 北斗卫星导航试验系统于2000 年能够使用后,其定位精度100 米,使用地面参照站校准后为20 米,与当时的全球卫星定位系统民 用码相当。系统用户能实现自身的定位,也能向外界报告自身位置 和发送消息,授时精度20 纳秒,定位响应时间为1 秒。 5 由于是采用少量卫星实现的有源定位,该系统成本较低,但是 系统在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受 到限制。另外该系统无测速功能,不能用于精确制导武器。 正式系统 北斗卫星导航系统在20
13、12 年的服务范围 正式的北斗卫星导航系统也被称为北斗二号,是中国的第二代卫星 导航系统, 英文简称 BDS,曾用名 COMPASS,“ 北斗卫星导航系统” 一词一般用来特指第二代系统。此卫星导航系统的发展目标是对全 球提供无源定位,与全球定位系统相似。在计划中,整个系统将由 35 颗卫星组成,其中5 颗是静止轨道卫星,以与使用静止轨道卫星 的北斗卫星导航试验系统兼容。其总设计师为孙家栋。 北斗从其试验系统开始就有其军事目的,其正式系统也是一个 军民两用的系统。项目的主要参与者为中国人民解放军总参谋部、 总装备部、国家国防科技工业局、中国科学院、中国航天科技集团 公司、中国电子科技集团公司、国
14、防科技大学。截至2012 年,中国 为试验系统和覆盖亚太的正式系统共花费了数百亿人民币,为了实 现覆盖全球的目标,还将投入四五百亿以上。 亚太服务 北斗卫星导航系统的建设于2004 年启动,2011 年开始对中国和 周边提供测试服务,2012 年 12 月 27 日起正式提供卫星导航服务, 服务范围涵盖亚太大部分地区,南纬 55 度到北纬 55 度、东经 55 度 到东经 180 度为一般服务范围。该导航系统提供两种服务方式,即 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、授时服务,定位精 度为 10 米,测速精度0.2 米/秒,授时精度10 纳秒,在服务区的较 边缘地区精度稍
15、差。授权服务则是向授权用户提供更安全与更高精 度的定位、测速、授时、通信服务以及系统完好性信息,这类用户 为中国军队和政府等。由于该正式系统继承了试验系统的一些功能, 能在亚太地区提供无源定位技术所不能完成的服务,如短报文通信。 全球服务 北斗卫星导航系统计划在2020 年完成对全球的覆盖,为全球用 户提供定位、导航、授时服务,中国将发射大量的中地球轨道卫星, 同时因为现有系统的卫星寿命也会到期,也将会在 2020 年前完成替 换。中国将在 2014 年发射一颗试验星,以验证全球系统建设中的关 键技术。 系统构成 北斗卫星导航系统由空间段、地面段、用户段组成。 空间段 北斗卫星导航系统空间段计
16、划由35 颗卫星组成, 包括 5 颗静止 轨道卫星、 27 颗中地球轨道卫星、3 颗倾斜同步轨道卫星。5 颗静 止轨道卫星定点位置为东经58.75 、80 、110.5 、140 、160 ,中地 球轨道卫星运行在3 个轨道面上, 轨道面之间为相隔120 均匀分布。 至 2012 年底北斗亚太区域导航正式开通时,已为正式系统发射 了 16 颗卫星,其中14 颗组网并提供服务,分别为5 颗静止轨道卫 星、5 颗倾斜地球同步轨道卫星(均在倾角55 的轨道面上),4 颗中 地球轨道卫星(均在倾角55 的轨道面上)。 序号卫星发射日期发射地点火箭运行轨道使用状况 1 北斗-M1 2007 年 04 月
17、 14 日 西昌 长征三 号 甲 中地球轨道,高度 21559 21518公 里,倾角 56.8 试验星未使 用 2 北斗-G2 2009 年 04 月 15 日 西昌 长征三 号 丙 有误差的地球静 止 轨 道 , 高 度 36027 35539公 里,倾角 2.2 失控未使用 3 北斗-G1 2010 年 01 月 17 日 西昌 长征三 号 丙 地 球 静 止轨 道 140.0E,高度 35807 35782公 里,倾角 1.6 使用中 4 北斗-G3 2010 年 06 月 02 日 西昌 长征三 号 丙 地 球 静 止轨 道 110.6E,高度 35809 35777公 里,倾角 1
18、.3 使用中 5 北斗 -IGSO1 2010 年 08 月 01 日 西昌 长征三 号 甲 倾 斜 地 球同 步 轨 道 , 高 度 35916 35669公 里,倾角 54.6 使用中 6 北斗-G4 2010 年 11 月 01 日 西昌 长征三 号 丙 地 球 静 止 轨 道 160.0 E , 高 度 35815 35772公 里,倾角 0.6 使用中 7 北斗 -IGSO2 2010 年 12 月 18 日 西昌 长征三 号 甲 倾斜地球同步轨 道,高度 35883 35691公 里,倾角 54.8 使用中 8 北斗 -IGSO3 2011年 04 月 10 日 西昌 长征三 号
19、甲 倾 斜 地 球同 步 轨 道 , 高 度 35911 35690公 里,倾角 55.9 使用中 9 北斗 -IGSO4 2011年 07 月 27 日 西昌 长征三 号 甲 倾 斜 地 球同 步 轨 道 , 高 度 35879 35709公 里,倾角 54.9 使用中 10 北斗 -IGSO5 2011年 12 月 02 日 西昌 长征三 号 甲 倾 斜 地 球同 步 轨 道 , 高 度 35880 35710公 里,倾角 54.9 使用中 11 北斗-G5 2012 年 02 月 25 日 西昌 长征三 号 丙 地 球 静 止轨 道 58.7E,高度 35801 35786公 使用中 序
20、号卫星发射日期发射地点火箭运行轨道使用状况 里,倾角 1.4 12 北斗-M3 2012 年 04 月 30 日 西昌 长征三 号 乙 中地球轨道,高度 21607 21463公 里,倾角 55.3 使用中 13 北斗-M4 2012 年 04 月 30 日 西昌 长征三 号 乙 中地球轨道,高度 21617 21453公 里,倾角 55.2 使用中 14 北斗-M5 2012 年 09 月 19 日 西昌 长征三 号 乙 中地球轨道,高度 21597 21473公 里,倾角 55.0 使用中 15 北斗-M6 2012 年 09 月 19 日 西昌 长征三 号 乙 中地球轨道,高度 2157
21、6 21494公 里,倾角 55.1 使用中 16 北斗-G6 2012 年 10 月 25 日 西昌 长征三 号 丙 地 球 静 止 轨 道 80.2 E , 高 度 35803 35783公 里,倾角 1.7 使用中 展开 地面段 北斗 -M5 卫星( 2012-050A)的地系统的地面段由主控站、注入 站、监测站组成。 主控站用于系统运行管理与控制等。主控站从监测站接收数据 并进行处理,生成卫星导航电文和差分完好性信息,而后交由注入 站执行信息的发送。 注入站用于向卫星发送信号,对卫星进行控制管理,在接受主 控站的调度后,将卫星导航电文和差分完好性信息向卫星发送。 监测站用于接收卫星的信
22、号,并发送给主控站,可实现对卫星 的监测,以确定卫星轨道,并为时间同步提供观测资料。 用户段 用户段即用户的终端,即可以是专用于北斗卫星导航系统的信 号接收机,也可以是同时兼容其他卫星导航系统的接收机。接收机 需要捕获并跟踪卫星的信号,根据数据按一定的方式进行定位计算, 最终得到用户的经纬度、高度、速度、时间等信息 制作原理 空间定位原理 在空间中若已经确定A、B、C 三点的空间位置,且第四点D 到上述三点的距离皆已知的情况下,即可以确定D 的空间位置,原 理如下:因为A 点位置和 AD 间距离已知,可以推算出D 点一定位 于以 A 为圆心、AD 为半径的圆球表面, 按照此方法又可以得到以B、
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