北斗卫星导航系统

姓名:李昕洲      学号:16030120026

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【嵌牛导读】:北斗卫星导航系统是中国着眼于中国安全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的卫星导航系统,目前已广泛服务于行业应用,相继走入交通运输、海洋渔业、水文监控、气象预报、电力调度、应急搜救等多个领域,涉及人类生活的方方面面,为全球经济和社会发展注入新活力。与云计算、大数据等新兴技术的广泛融合,让“北斗+”在万物互联时代迸发无限可能。曾经“复移小凳扶窗立,教识中天北斗星”;而今,“明月皓空天净漫,北斗闪耀领霄汉”。本来将为你详细介绍。

【嵌牛鼻子】:北斗卫星导航系统、系统构成、定位原理、系统功能。

【嵌牛提问】:什么是北斗卫星导航系统?其系统构成、定位原理、系统功能是什么?

【嵌牛正文】:

中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,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。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,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)》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,取得面向海事应用的国际合法地位。该系统将于2018年具有面向“一带一路”沿线国家的服务能,2020年形成全球服务能力。

系统构成

北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,中国2012年左右, “北斗”系统复盖亚太地区,2020年左右复盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设,已成功发射16颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划,2012年左右,系统将首先具备复盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。2016年7月23日中国卫星导航系统管理办公室总工程师张春领在南京举行的“2016中国北斗与物联产业技术研讨会”上表示,中国自主研制的北斗卫星导航系统,已初步具备向全球拓展的基础,该系统将于2018年形成面向“一带一路”沿线国家的服务能力,2020年形成全球服务能力。

北斗卫星发射列表

发射时间 火箭 卫星编号 卫星类型 发射地点

2000年10月31日 北斗-1A 北斗1号 西昌

2000年12月21日 北斗-1B

2003年5月25日 北斗-1C

2007年2月3日 北斗-1D

2007年4月14日04时11分 长征三号甲 第一颗北斗导航卫星(M1) 北斗2号

2009年4月15日 长征三号丙 第二颗北斗导航卫星(G2)

2010年1月17日 第三颗北斗导航卫星(G1)

2010年6月2日 第四颗北斗导航卫星(G3)

2010年8月1日05时30分 长征三号甲 第五颗北斗导航卫星(I1)

2010年11月1日00时26分 长征三号丙 第六颗北斗导航卫星(G4)

2010年12月18日04时20分 长征三号甲 第七颗北斗导航卫星(I2)

2011年4月10日04时47分 第八颗北斗导航卫星(I3)

2011年7月27日05时44分 第九颗北斗导航卫星(I4)

2011年12月2日05时07分 第十颗北斗导航卫星(I5)

2012年2月25日0时12分 长征三号丙 第十一颗北斗导航卫星

2012年4月30日4时50分 长征三号乙 第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星(“一箭双星”)

2012年9月19日3时10分 长征三号乙 第十四、十五颗北斗导航系统组网卫星“一箭双星”)

2012年10月25日23时33分 长征三号丙 第十六颗北斗导航卫星

卫星组成

发射日期 发射火箭 卫星 轨道类别 运行状况 备注

2000.10.31 CZ-3A Y5 北斗-1A 废弃卫星轨道 停止工作 北斗一号

2000.12.21 CZ-3A Y6 北斗-1B 废弃卫星轨道 停止工作

2003.5.25 CZ-3A Y7 北斗-1C 地球静止轨道 85.3°E 正常

2007.2.3 CZ-3A Y12 北斗-1D 废弃卫星轨道 失效

2007.4.14 CZ-3A Y13 北斗-M1 中地球轨道~21500km 正常,测试星 北斗二号

2009.4.15 CZ-3C Y3 北斗-G2 35594 x 36036 km 漂移 失效

2010.1.17 CZ-3C Y2 北斗-G1 地球静止轨道 140°E 正常

2010.6.2 CZ-3C Y4 北斗-G3 地球静止轨道 84°E 正常

2010.8.1 CZ-3A Y16 北斗-I1 倾斜地球同步轨道倾角55° 正常

2010.11.1 CZ-3C Y5 北斗-G4 地球静止轨道 160°E 正常

2010.12.18 CZ-3A Y18 北斗-I2 倾斜地球同步轨道 倾角55° 正常

2011.4.10 CZ-3A Y19 北斗-I3 倾斜地球同步轨道 倾角55° 正常

2011.7.27 CZ-3A Y17 北斗-I4 倾斜地球同步轨道 倾角55° 正常

2011.12.2 CZ-3A Y23 北斗-I5 倾斜地球同步轨道 倾角55° 正常

2012.2.25 CZ-3C Y6 北斗-G5 地球静止轨道 58.5°E 正常

2012.4.30 CZ-3B Y14 北斗-M3 中地球轨道~21500km 正常

2012.4.30 CZ-3B Y14 北斗-M4 中地球轨道~21332km 正常

2012.9.19 CZ-3B Y15 北斗-M5 中地球轨道~21332km 正常

2012.9.19 CZ-3B Y15 北斗-M6 中地球轨道~21332km 正常

2012.10.25 CZ-3C Y 北斗-G6 地球静止轨道 110.5°E

星座构成

图片发自简书App

北斗卫星导航系统由空间段计划由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,已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了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 火箭 运行轨道 使用状况 状态

1 北斗-M1 2007年04月14日 长征三号甲 中地球轨道,高度21559公里,倾角56.8° 试验星未使用 M1

2 北斗-G2 2009年04月15日 长征三号丙 有误差的地球静止轨道,高度36027公里,倾角2.2° 失控未使用 G2

3 北斗-G1 2010年01月17日 长征三号丙 地球静止轨道140.0°E,高度35807公里,倾角1.6° 使用中 G1

4 北斗-G3 2010年06月02日 长征三号丙 地球静止轨道110.6°E,高度35809公里,倾角1.3° 使用中 G3

5 北斗-IGSO1 2010年08月01日 长征三号甲 倾斜地球同步轨道,高度35916公里,倾角54.6° 使用中 IGSO1

6 北斗-G4 2010年11月01日 长征三号丙 地球静止轨道160.0°E,高度35815公里,倾角0.6° 使用中 G4

7 北斗-IGSO2 2010年12月18日 长征三号甲 倾斜地球同步轨道,高度35883公里, 倾角54.8° 使用中 IGSO2

8 北斗-IGSO3 2011年04月10日 长征三号甲 倾斜地球同步轨道,高度35911公里, 倾角55.9° 使用中 IGSO3

9 北斗-IGSO4 2011年07月27日 长征三号甲 倾斜地球同步轨道,高度35879公里, 倾角54.9° 使用中 IGSO4

10 北斗-IGSO5 2011年12月02日 长征三号甲 倾斜地球同步轨道,高度35880公里, 倾角54.9° 使用中 IGSO5

11 北斗-G5 2012年02月25日 长征三号丙 地球静止轨道58.7°E,高度35801公里,倾角1.4° 使用中 G5

12 北斗-M3 2012年04月30日 长征三号乙 中地球轨道,高度21607公里,倾角55.3° 使用中 M3

13 北斗-M4 2012年04月30日 长征三号乙 中地球轨道,高度21617公里,倾角55.2° 使用中 M4

14 北斗-M5 2012年09月19日 长征三号乙 中地球轨道 ,高度21597公里,倾角55.0° 使用中 M5

15 北斗-M6 2012年09月19日 长征三号乙 中地球轨道,高度21576公里,倾角55.1° 使用中 M6

16 北斗-G6 2012年10月25日 长征三号丙 地球静止轨道80.2°E,高度35803公里,倾角1.7° 使用中 G6

复盖范围

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北斗导航系统是复盖中国本土的区域导航系统,复盖范围东经约70°~140°,北纬5°~55°。北斗卫星系统已经对东南亚实现全复盖。

定位原理

35颗卫星在离地面2万多千米的高空上,以固定的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知,在接收机对卫星观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。

卫星定位实施的是“到达时间差”(时延)的概念:利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。

卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号,供接收机接收。由于传输的距离因素,接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟,通常称之为时延,因此,也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码,一旦两个码实现时间同步,接收机便能测定时延;将时延乘上光速,便能得到距离。

每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间,而全球监测站网保持连续跟踪。

卫星导航原理

踪卫星的轨道位置和系统时间。位于地面的主控站与其运控段一起,至少每天一次对每颗卫星注入校正数据。注入数据包括:星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的,可在几个星期内保持有效。

卫星导航系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时(UTC)的几纳秒以内,UTC是由美国海军观象台的“主钟”保持的,每台主钟的稳定性为若干个10^-13秒。卫星早期采用两部铯频标和两部铷频标,后来逐步改变为更多地采用铷频标。通常,在任一指定时间内,每颗卫星上只有一台频标在工作。

卫星导航原理:卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差,称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差,伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,使得民用的定位精度只有数十米量级。为提高定位精度,普遍采用差分定位技术(如DGPS、DGNSS),建立地面基准站 (差分台)进行卫星观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分定位技术,定位精度可提高到米级。

系统功能

四大功能

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短报文通信:北斗系统用户终端具有双向报文通信功能,用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。

可以达到一次传送达120个汉字的信息。在远洋航行中有重要的应用价值。

精密授时:北斗系统具有精密授时功能,可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。

定位精度:水平精度100米(1σ),设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率:2491.75MHz。

系统容纳的最大用户数:540000户/小时。

军用功能

“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似,如:运动目标的定位导航;为缩短反应时间的武器载具发射位置的快速定位;人员搜救、水上排雷的定位需求等。

这项功能用在军事上,意味着可主动进行各级部队的定位,也就是说大陆各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统,除了可供自身定位导航外,高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置,并传递相关命令,对任务的执行有相当大的助益。换言之,大陆可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。

民用功能

个人位置服务

当你进入不熟悉的地方时,你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。

气象应用

北斗导航卫星气象应用的开展,可以促进中国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测,也可以提高空间天气预警业务水平,提升中国气象防灾减灾的能力。

除此之外,北斗导航卫星系统的气象应用对推动北斗导航卫星创新应用和产业拓展也具有重要的影响。

道路交通管理

卫星导航将有利于减缓交通阻塞,提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机,车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用于道路交通管理。

铁路智能交通

卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。例如,在铁路运输领域,通过安装卫星导航终端设备,可极大缩短列车行驶间隔时间,降低运输成本,有效提高运输效率。未来,北斗卫星导航系统将提供

高可靠、高精度的定位、测速、授时服务,促进铁路交通的现代化,实现传统调度向智能交通管理的转型。

海运和水运

海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一,也是卫星导航最早应用的领域之一。在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备,使海上和水路运输更为高效和安全。北斗卫星导航系统将在任何天气条件下,为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。同时,北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。

航空运输

当飞机在机场跑道着陆时,最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。利用卫星导航精确定位与测速的优势,可实时确定飞机的瞬时位置,有效减小飞机之间的安全距离,甚至在大雾天气情况下,可以实现自动盲降,极大提高飞行安全和机场运营效率。通过将北斗卫星导航系统与其他系统的有效结合,将为航空运输提供更多的安全保障。

应急救援

卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。在发生地震、洪灾等重大灾害时,救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。北斗卫星导航系统除导航定位外,还具备短报文通信功能,通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况,有效缩短救援搜寻时间,提高抢险救灾时效,大大减少人民生命财产损失。

指导放牧

2014年10月,北斗系统开始在青海省牧区试点建设北斗卫星放牧信息化指导系统,主要依靠牧区放牧智能指导系统管理平台、牧民专用北斗智能终端和牧场数据采集自动站,实现数据信息传输,并通过北斗地面站及北斗星群中转、中继处理,实现草场牧草、牛羊的动态监控。2015年夏季,试点牧区的牧民就能使用专用北斗智能终端设备来指导放牧。

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