北斗衛星導航系統
日期:2016-06-20 / 人氣: / 來源:未知
北斗衛星導航系統
中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中國自行研制的全球衛星導航系統。是繼美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統(BDS)和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO,是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。
北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成,可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務,并具短報文通信能力,已經初步具備區域導航、定位和授時能力,定位精度10米,測速精度0.2米/秒,授時精度10納秒。
2012年12月27日,北斗系統空間信號接口控制文件正式版1.0正式公布,北斗導航業務正式對亞太地區提供無源定位、導航、授時服務。
2013年12月27日,北斗衛星導航系統正式提供區域服務一周年新聞發布會在國務院新聞辦公室新聞發布廳召開,正式發布了《北斗系統公開服務性能規范(1.0版)》和《北斗系統空間信號接口控制文件(2.0版)》兩個系統文件。
2014年11月23日,國際海事組織海上安全委員會審議通過了對北斗衛星導航系統認可的航行安全通函,這標志著北斗衛星導航系統正式成為全球無線電導航系統的組成部分,取得面向海事應用的國際合法地位。
2016年6月16日,國務院新聞辦公室召開新聞發布會,正式發布《中國北斗衛星導航系統》白皮書。
中國的衛星導航系統已獲得國際海事組織的認可。
定位原理
35顆衛星在離地面2萬多千米的高空上,以固定的周期環繞地球運行,使得在任意時刻,在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。
由于衛星的位置精確可知,在接收機對衛星觀測中,我們可得到衛星到接收機的距離,利用三維坐標中的距離公式,利用3顆衛星,就可以組成3個方程式,解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差,實際上有4個未知數,X、Y、Z和鐘差,因而需要引入第4顆衛星,形成4個方程式進行求解,從而得到觀測點的經緯度和高程。
事實上,接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星,這時,接收機可按衛星的星座分布分成若干組,每組4顆,然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位,從而提高精度。
衛星定位實施的是“到達時間差”(時延)的概念:利用每一顆衛星的精確位置和連續發送的星上原子鐘生成的導航信息獲得從衛星至接收機的到達時間差。
衛星在空中連續發送帶有時間和位置信息的無線電信號,供接收機接收。由于傳輸的距離因素,接收機接收到信號的時刻要比衛星發送信號的時刻延遲,通常稱之為時延,因此,也可以通過時延來確定距離。衛星和接收機同時產生同樣的偽隨機碼,一旦兩個碼實現時間同步,接收機便能測定時延;將時延乘上光速,便能得到距離。
每顆衛星上的計算機和導航信息發生器非常精確地了解其軌道位置和系統時間,而全球監測站網保持連續跟蹤。
衛星導航原理
蹤衛星的軌道位置和系統時間。位于地面的主控站與其運控段一起,至少每天一次對每顆衛星注入校正數據。注入數據包括:星座中每顆衛星的軌道位置測定和星上時鐘的校正。這些校正數據是在復雜模型的基礎上算出的,可在幾個星期內保持有效。
衛星導航系統時間是由每顆衛星上原子鐘的銫和銣原子頻標保持的。這些星鐘一般來講精確到世界協調時(UTC)的幾納秒以內,UTC是由美國海軍觀象臺的“主鐘”保持的,每臺主鐘的穩定性為若干個10^-13秒。衛星早期采用兩部銫頻標和兩部銣頻標,后來逐步改變為更多地采用銣頻標。通常,在任一指定時間內,每顆衛星上只有一臺頻標在工作。
衛星導航原理:衛星至用戶間的距離測量是基于衛星信號的發射時間與到達接收機的時間之差,稱為偽距。為了計算用戶的三維位置和接收機時鐘偏差,偽距測量要求至少接收來自4顆衛星的信號。
由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差,大氣對流層、電離層對信號的影響,使得民用的定位精度只有數十米量級。為提高定位精度,普遍采用差分定位技術(如DGPS、DGNSS),建立地面基準站 (差分臺)進行衛星觀測,利用已知的基準站精確坐標,與觀測值進行比較,從而得出一修正數,并對外發布。接收機收到該修正數后,與自身的觀測值進行比較,消去大部分誤差,得到一個比較準確的位置。實驗表明,利用差分定位技術,定位精度可提高到米級
定位精度
中國北斗衛星導航系統是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略之后的全球第四大衛星導航系統。定位效果分析是導航系統性能評估的重要內容。此前,由于受地域限制,對北斗全球大范圍的定位效果分析只能通過仿真手段。
由武漢大學測繪學院和中國南極測繪研究中心杜玉軍、王澤民等科研人員進行的這項研究,在2011—2012年中國第28次南極科學考察期間,沿途大范圍采集了北斗和GPS連續實測數據,跨度北至中國天津,南至南極內陸昆侖站。同時還采集了中國南極中山站的靜態觀測數據。為對比分析不同區域靜態定位效果,在武漢也進行了靜態觀測。
科研人員利用嚴謹的分析研究方法,從信噪比、多路徑、可見衛星數、精度因子、定位精度等多個方面,對比分析了北斗和GPS在航線上不同區域、尤其是在遠洋及南極地區不同運動狀態下的定位效果。
結果表明,北斗系統信號質量總體上與GPS相當。在45度以內的中低緯地區,北斗動態定位精度與GPS相當,水平和高程方向分別可達10米和20米左右;北斗靜態定位水平方向精度為米級,也與GPS相當,高程方向10米左右,較GPS略差;在中高緯度地區,由于北斗可見衛星數較少、衛星分布較差,定位精度較差或無法定位。
“現階段的北斗已經實現區域定位,但還不具備全球定位能力,北斗與GPS在定位效果上的差異,主要是由衛星數量和分布造成的。”武漢大學中國南極測繪研究中心副主任王澤民教授說,“截至文中研究數據采集結束時,北斗系統在軌衛星數為11顆。上個月,我國成功發射了新一代北斗導航衛星,北斗系統在軌衛星數達到了17顆。隨著北斗系統全球組網拉開帷幕,相信今后的實測數據一定會更加精彩。”
系統功能
四大功能
短報文通信:北斗系統用戶終端具有雙向報文通信功能,用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息。
可以達到一次傳送達120個漢字的信息。在遠洋航行中有重要的應用價值。
精密授時:北斗系統具有精密授時功能,可向用戶提供20ns-100ns時間同步精度。
定位精度:水平精度100米(1σ),設立標校站之后為20米(類似差分狀態)。工作頻率:2491.75MHz。
系統容納的最大用戶數:540000戶/小時。
軍用功能
“北斗”衛星導航定位系統的軍事功能與GPS類似,如:運動目標的定位導航;為縮短反應時間的武器載具發射位置的快速定位;人員搜救、水上排雷的定位需求等。
這項功能用在軍事上,意味著可主動進行各級部隊的定位,也就是說大陸各級部隊一旦配備“北斗”衛星導航定位系統,除了可供自身定位導航外,高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統掌握部隊位置,并傳遞相關命令,對任務的執行有相當大的助益。換言之,大陸可利用“北斗”衛星導航定位系統執行部隊指揮與管制及戰場管理。
民用功能
個人位置服務
氣象應用
道路交通管理
鐵路智能交通
海運和水運
航空運輸
應急救援
指導放牧
中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中國自行研制的全球衛星導航系統。是繼美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統(BDS)和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO,是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。
北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成,可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務,并具短報文通信能力,已經初步具備區域導航、定位和授時能力,定位精度10米,測速精度0.2米/秒,授時精度10納秒。
2012年12月27日,北斗系統空間信號接口控制文件正式版1.0正式公布,北斗導航業務正式對亞太地區提供無源定位、導航、授時服務。
2013年12月27日,北斗衛星導航系統正式提供區域服務一周年新聞發布會在國務院新聞辦公室新聞發布廳召開,正式發布了《北斗系統公開服務性能規范(1.0版)》和《北斗系統空間信號接口控制文件(2.0版)》兩個系統文件。
2014年11月23日,國際海事組織海上安全委員會審議通過了對北斗衛星導航系統認可的航行安全通函,這標志著北斗衛星導航系統正式成為全球無線電導航系統的組成部分,取得面向海事應用的國際合法地位。
2016年6月16日,國務院新聞辦公室召開新聞發布會,正式發布《中國北斗衛星導航系統》白皮書。
中國的衛星導航系統已獲得國際海事組織的認可。
北斗衛星發射列表 | ||||
發射時間 | 火箭 | 衛星編號 | 衛星類型 | 發射地點 |
2000年10月31日 | 北斗-1A | 北斗1號 | 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時11分 | 長征三號甲 | 第一顆北斗導航衛星(M1) | 北斗2號 | |
2009年4月15日 | 長征三號丙 | 第二顆北斗導航衛星(G2) | ||
2010年1月17日 | 第三顆北斗導航衛星(G1) | |||
2010年6月2日 | 第四顆北斗導航衛星(G3) | |||
2010年8月1日05時30分 | 長征三號甲 | 第五顆北斗導航衛星(I1) | ||
2010年11月1日00時26分 | 長征三號丙 | 第六顆北斗導航衛星(G4) | ||
2010年12月18日04時20分 | 長征三號甲 | 第七顆北斗導航衛星(I2) | ||
2011年4月10日04時47分 | 第八顆北斗導航衛星(I3) | |||
2011年7月27日05時44分 | 第九顆北斗導航衛星(I4) | |||
2011年12月2日05時07分 | 第十顆北斗導航衛星(I5) | |||
2012年2月25日0時12分 | 長征三號丙 | 第十一顆北斗導航衛星 | ||
2012年4月30日4時50分 | 長征三號乙 | 第十二、第十三顆北斗導航系統組網衛星(“一箭雙星”) | ||
2012年9月19日3時10分 | 長征三號乙 | 第十四、十五顆北斗導航系統組網衛星“一箭雙星”[3] ) | ||
2012年10月25日23時33分 | 長征三號丙 | 第十六顆北斗導航衛星[4] | ||
2016年2月1日15時29分 | 長征三號丙 | 第五顆新一代北斗導航衛星[5] |
|
|
2016年6月12日23時30分 | 長征三號丙 | 第二十三顆北斗導航衛星[6] |
定位原理
35顆衛星在離地面2萬多千米的高空上,以固定的周期環繞地球運行,使得在任意時刻,在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。
由于衛星的位置精確可知,在接收機對衛星觀測中,我們可得到衛星到接收機的距離,利用三維坐標中的距離公式,利用3顆衛星,就可以組成3個方程式,解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差,實際上有4個未知數,X、Y、Z和鐘差,因而需要引入第4顆衛星,形成4個方程式進行求解,從而得到觀測點的經緯度和高程。
事實上,接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星,這時,接收機可按衛星的星座分布分成若干組,每組4顆,然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位,從而提高精度。
衛星定位實施的是“到達時間差”(時延)的概念:利用每一顆衛星的精確位置和連續發送的星上原子鐘生成的導航信息獲得從衛星至接收機的到達時間差。
衛星在空中連續發送帶有時間和位置信息的無線電信號,供接收機接收。由于傳輸的距離因素,接收機接收到信號的時刻要比衛星發送信號的時刻延遲,通常稱之為時延,因此,也可以通過時延來確定距離。衛星和接收機同時產生同樣的偽隨機碼,一旦兩個碼實現時間同步,接收機便能測定時延;將時延乘上光速,便能得到距離。
每顆衛星上的計算機和導航信息發生器非常精確地了解其軌道位置和系統時間,而全球監測站網保持連續跟蹤。
衛星導航原理
蹤衛星的軌道位置和系統時間。位于地面的主控站與其運控段一起,至少每天一次對每顆衛星注入校正數據。注入數據包括:星座中每顆衛星的軌道位置測定和星上時鐘的校正。這些校正數據是在復雜模型的基礎上算出的,可在幾個星期內保持有效。
衛星導航系統時間是由每顆衛星上原子鐘的銫和銣原子頻標保持的。這些星鐘一般來講精確到世界協調時(UTC)的幾納秒以內,UTC是由美國海軍觀象臺的“主鐘”保持的,每臺主鐘的穩定性為若干個10^-13秒。衛星早期采用兩部銫頻標和兩部銣頻標,后來逐步改變為更多地采用銣頻標。通常,在任一指定時間內,每顆衛星上只有一臺頻標在工作。
衛星導航原理:衛星至用戶間的距離測量是基于衛星信號的發射時間與到達接收機的時間之差,稱為偽距。為了計算用戶的三維位置和接收機時鐘偏差,偽距測量要求至少接收來自4顆衛星的信號。
由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差,大氣對流層、電離層對信號的影響,使得民用的定位精度只有數十米量級。為提高定位精度,普遍采用差分定位技術(如DGPS、DGNSS),建立地面基準站 (差分臺)進行衛星觀測,利用已知的基準站精確坐標,與觀測值進行比較,從而得出一修正數,并對外發布。接收機收到該修正數后,與自身的觀測值進行比較,消去大部分誤差,得到一個比較準確的位置。實驗表明,利用差分定位技術,定位精度可提高到米級
定位精度
中國北斗衛星導航系統是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略之后的全球第四大衛星導航系統。定位效果分析是導航系統性能評估的重要內容。此前,由于受地域限制,對北斗全球大范圍的定位效果分析只能通過仿真手段。
由武漢大學測繪學院和中國南極測繪研究中心杜玉軍、王澤民等科研人員進行的這項研究,在2011—2012年中國第28次南極科學考察期間,沿途大范圍采集了北斗和GPS連續實測數據,跨度北至中國天津,南至南極內陸昆侖站。同時還采集了中國南極中山站的靜態觀測數據。為對比分析不同區域靜態定位效果,在武漢也進行了靜態觀測。
科研人員利用嚴謹的分析研究方法,從信噪比、多路徑、可見衛星數、精度因子、定位精度等多個方面,對比分析了北斗和GPS在航線上不同區域、尤其是在遠洋及南極地區不同運動狀態下的定位效果。
結果表明,北斗系統信號質量總體上與GPS相當。在45度以內的中低緯地區,北斗動態定位精度與GPS相當,水平和高程方向分別可達10米和20米左右;北斗靜態定位水平方向精度為米級,也與GPS相當,高程方向10米左右,較GPS略差;在中高緯度地區,由于北斗可見衛星數較少、衛星分布較差,定位精度較差或無法定位。
“現階段的北斗已經實現區域定位,但還不具備全球定位能力,北斗與GPS在定位效果上的差異,主要是由衛星數量和分布造成的。”武漢大學中國南極測繪研究中心副主任王澤民教授說,“截至文中研究數據采集結束時,北斗系統在軌衛星數為11顆。上個月,我國成功發射了新一代北斗導航衛星,北斗系統在軌衛星數達到了17顆。隨著北斗系統全球組網拉開帷幕,相信今后的實測數據一定會更加精彩。”
系統功能
四大功能
短報文通信:北斗系統用戶終端具有雙向報文通信功能,用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息。
可以達到一次傳送達120個漢字的信息。在遠洋航行中有重要的應用價值。
精密授時:北斗系統具有精密授時功能,可向用戶提供20ns-100ns時間同步精度。
定位精度:水平精度100米(1σ),設立標校站之后為20米(類似差分狀態)。工作頻率:2491.75MHz。
系統容納的最大用戶數:540000戶/小時。
軍用功能
“北斗”衛星導航定位系統的軍事功能與GPS類似,如:運動目標的定位導航;為縮短反應時間的武器載具發射位置的快速定位;人員搜救、水上排雷的定位需求等。
這項功能用在軍事上,意味著可主動進行各級部隊的定位,也就是說大陸各級部隊一旦配備“北斗”衛星導航定位系統,除了可供自身定位導航外,高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統掌握部隊位置,并傳遞相關命令,對任務的執行有相當大的助益。換言之,大陸可利用“北斗”衛星導航定位系統執行部隊指揮與管制及戰場管理。
民用功能
個人位置服務
氣象應用
道路交通管理
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海運和水運
航空運輸
應急救援
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