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北斗GPS導航系統簡介
作者:管理員    發布于:2018-01-31 16:33:16    文字:【】【】【

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。

中國的衛星導航系統已獲得國際海事組織的認可。

中文名 北斗衛星導航系統

外文名 BeiDou Navigation Satellite System 簡 稱 BDS

發展歷史

北斗衛星導航系統示意圖

衛星導航系統是重要的空間信息基礎設施。中國高度重視衛星導航系統的建設,一直在努力探索和發展擁有自主知識產權的衛星導航系統。2000年,首先建成北斗導航試驗系統,使我國成為繼美、俄之后的世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。該系統已成功應用于測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域,產生顯著的經濟效益和社會效益。特別是在2008年北京奧運會、汶川抗震救災中發揮了重要作用。為了更好地服務于國家建設與發展,滿足全球應用需求,我國啟動實施了北斗衛星導航系統建設。

建設原則

北斗衛星導航系統的建設與發展,以應用推廣和產業發展為根本目標,不僅要建成系統,更要用好系統,強調質量、安全、應用、效益,遵循以下建設原則:

1、開放性。北斗衛星導航系統的建設、發展和應用將對全世界開放,為全球用戶提供高質量的免費服務,積極與世界各國開展廣泛而深入的交流與合作,促進各衛星導航系統間的兼容與互操作,推動衛星導航技術與產業的發展。

2、自主性。中國將自主建設和運行北斗衛星導航系統,北斗衛星導航系統可獨立為全球用戶提供服務。

系統構成

北斗衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成,中國計劃2012年左右,“北斗”系統將覆蓋亞太地區,2020年左右覆蓋全球。中國正在實施北斗衛星導航系統建設,已成功發射16顆北斗導航衛星。根據系統建設總體規劃,2012年左右,系統將首先具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。2020年左右,建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。

星座構成

北斗衛星導航系統由空間段計劃由35顆衛星組成,包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。5顆靜止軌道衛星定點位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°、160°,中地球軌道衛星運行在3個軌道面上,軌道面之間為相隔120°均勻分布。至2012年底北斗亞太區域導航正式開通時,已為正式系統在西昌衛星發射中心發射了16顆衛星,其中14顆組網并提供服務,分別為5顆靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星(均在傾角55°的軌道面上),4顆中地球軌道衛星(均在傾角55°的軌道面上)。

覆蓋范圍

北斗導航系統是覆蓋中國本土的區域導航系統,覆蓋范圍東經約70°~140°,北緯5°~55°。北斗衛星系統已經對東南亞實現全覆蓋。

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

當你進入不熟悉的地方時,你可以使用裝有北斗衛星導航接收芯片的手機或車載衛星導航裝置找到你要走的路線。

氣象應用

北斗導航衛星氣象應用的開展,可以促進中國天氣分析和數值天氣預報、氣候變化監測和預測,也可以提高空間天氣預警業務水平,提升中國氣象防災減災的能力。

除此之外,北斗導航衛星系統的氣象應用對推動北斗導航衛星創新應用和產業拓展也具有重要的影響。

道路交通管理

衛星導航將有利于減緩交通阻塞,提升道路交通管理水平。通過在車輛上安裝衛星導航接收機和數據發射機,車輛的位置信息就能在幾秒鐘內自動轉發到中心站。這些位置信息可用于道路交通管理。

鐵路智能交通

衛星導航將促進傳統運輸方式實現升級與轉型。例如,在鐵路運輸領域,通過安裝衛星導航終端設備,可極大縮短列車行駛間隔時間,降低運輸成本,有效提高運輸效率。未來,北斗衛星導航系統將提供高可靠、高精度的定位、測速、授時服務,促進鐵路交通的現代化,實現傳統調度向智能交通管理的轉型。

海運和水運

海運和水運是全世界最廣泛的運輸方式之一,也是衛星導航最早應用的領域之一。在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛星導航終端設備,使海上和水路運輸更為高效和安全。北斗衛星導航系統將在任何天氣條件下,為水上航行船舶提供導航定位和安全保障。同時,北斗衛星導航系統特有的短報文通信功能將支持各種新型服務的開發。


北斗衛星定位系統示意圖

航空運輸

當飛機在機場跑道著陸時,最基本的要求是確保飛機相互間的安全距離。利用衛星導航精確定位與測速的優勢,可實時確定飛機的瞬時位置,有效減小飛機之間的安全距離,甚至在大霧天氣情況下,可以實現自動盲降,極大提高飛行安全和機場運營效率。通過將北斗衛星導航系統與其他系統的有效結合,將為航空運輸提供更多的安全保障。

應急救援

衛星導航已廣泛用于沙漠、山區、海洋等人煙稀少地區的搜索救援。在發生地震、洪災等重大災害時,救援成功的關鍵在于及時了解災情并迅速到達救援地點。北斗衛星導航系統除導航定位外,還具備短報文通信功能,通過衛星導航終端設備可及時報告所處位置和受災情況,有效縮短救援搜尋時間,提高搶險救災時效,大大減少人民生命財產損失。

指導放牧

2014年10月,北斗系統開始在青海省牧區試點建設北斗衛星放牧信息化指導系統,主要依靠牧區放牧智能指導系統管理平臺、牧民專用北斗智能終端和牧場數據采集自動站,實現數據信息傳輸,并通過北斗地面站及北斗星群中轉、中繼處理,實現草場牧草、牛羊的動態監控。2015年夏季,試點牧區的牧民就能使用專用北斗智能終端設備來指導放牧。

產業配套

北斗芯片

2012年12月27日,國家正式宣布北斗衛星導航系統試運行啟動,標志著中國自主衛星導航產業發展進入嶄新的發展階段。其中,衛星導航專用ASIC硬件結合國產應用處理器的方案,成為北斗衛星導航芯片一項重大突破。該處理器由中國本土IC設計公司研發,具有完全自主知識產權并已實現規模應用,一舉打破了電子終端產品行業普遍采用國外處理器局面。

衛星導航終端中采用的導航基帶及射頻芯片,是技術含量及附加值最高的環節,直接影響到整個產業的發展。在導航基帶中,一般通過導航專用ASIC硬件電路結合應用處理器的方案來實現。此前的應用處理器多選用國外公司ARM處理器芯片核,需向國外支付IP核使用許可費用的同時,技術還受制于人,無法徹底解決產業安全及保密安全問題。

而通過設立重大專項應用推廣與產業化項目等方式,北斗多模導航基帶及射頻芯片國產化現已實現,中國人自己的應用處理器也在北斗多模導航芯片中得到規模應用。

BD/GPS多模基帶芯片解決方案中,衛星導航專用ASIC硬件結合國產應用處理器打造出了一顆真正意義的“中國芯”。該應用處理器為國內完全自主開發的CPU/DSP核,包括指令集、編譯器等軟件工具鏈以及所有關鍵技術,均擁有100%的中國自主知識產權。其擁有國際領先水平的多線程處理器架構,可共享很多硬件資源,并在提供相當多核處理器處理能力的同時,節省芯片成本。

而基于該國產處理器衛星導航芯片方案的模塊,是全球體積最小的BD/GPS雙模模塊,具有定位精度高、啟動時間快及功耗低等特點。

與單純的北斗芯片廠商相比,手機芯片廠商對終端定位有著更深刻的理解,包括:基站輔助衛星定位技術、多種定位方案的融合、定位芯片與應用處理器或基帶處理器的集成等。積極扶持國內手機芯片廠商進入北斗芯片研發領域,并積極研發綜合定位解決方案,壯大完善北斗產業鏈。鼓勵國內手機芯片廠商開展與北斗芯片廠商的多樣化合作,共同推進手機終端北斗定位技術的應用。

檢測認證

2012年8月3日,解放軍總參謀部與國家認證認可監督管理委員會在北京舉行戰略合作協議簽約儀式。中國將用3年時間建立起一個“法規配套、標準統一、布局合理、軍民結合”的“北斗”導航檢測認證體系,以期全面提升“北斗”導航定位產品的核心競爭力,確保“北斗”導航系統運行安全。

北斗導航系統

“北斗”導航定位系統已經有11顆衛星在軌運行,擁有12萬軍民用戶。到2020年前,“北斗”導航定位系統衛星數量將達到30顆以上,導航定位范圍也將由區域拓展到全球,其設計性能將與美國第三代GPS導航定位系統相當。

隨著“北斗”導航定位系統的建設發展,“北斗”導航應用即將迎來“規模化、社會化、產業化、國際化”的重大歷史機遇,也提出了新的要求。按照軍地雙方簽署的協議,中國將在2015年前完成“北斗”導航產品標準、民用服務資質等法規體系建設,形成權威、統一的標準體系。同時在北京建設1個國家級檢測中心,在全國按區域建設7個區域級授權檢測中心,加快推動“北斗”導航檢測認證進入國家認證認可體系,相關檢測標準進入國家標準系列。

建立起“北斗”導航檢測認證體系,既是“北斗”系統堅持軍民融合式發展的具體舉措,也對創建“北斗”品牌,加速推進“北斗”產品的產業化、標準化起到重要作用。

市場應用

國際應用

2013年5月22日至23日,國務院總理李克強訪問巴基斯坦期間,中巴雙方簽署有關北斗系統在巴使用的合作協議。日前,巴基斯坦媒體報道,中國北京北斗星通導航技術股份有限公司將斥資數千萬美元,在巴基斯坦建立地面站網,強化北斗系統的定位精確度。

其次,全國政協副主席、中國科學技術部部長萬鋼日前透露,2013年將中國在東盟各國合作建設北斗系統地面站網。而根據中國衛星導航定位協會最新預測數據,到2015年,中國衛星導航與位置服務產業產值將超過2250億元,至2020年則將超過4000億元。

2014年7月26日,來自泰國、馬來西亞、文萊、印度尼西亞、柬埔寨、老撾、朝鮮、巴基斯坦等八個國家的19名學員代表赴武漢中國光谷北斗基地,參觀學習中國最新的北斗技術。他們是由中國科技部國家遙感中心主辦的“2014北斗技術與應用國際培訓班”的學員,均為各國衛星導航、遙感、地理信息系統、空間探測相關專業或從事相關管理工作的高級人員。活動為東盟及亞洲地區國家提供了以北斗衛星導航系統為主的空間信息技術培訓,使中國北斗科技加快進入東盟及亞洲國家。

國內示范

2014年11月,國家發展改革委批復2014年北斗衛星導航產業區域重大應用示范發展專項,成都市、綿陽市等入選國家首批北斗衛星導航產業區域重大應用示范城市。

標準制訂

北斗接收機國際通用數據標準的制修訂是北斗全球應用和產業發展的基礎性工作之一,與衛星導航接收機密切相關的RTCM差分系列標準、RINEX接收機交換數據格式、NMEA接收機導航定位數據接口等通用數據標準幾乎是世界上所有衛星導航接收機都必須遵守的通用標準。然而,全球有多個全球衛星導航系統(GNSS)接收設備技術標準制定組織,參與其中的中國企業和機構卻寥寥無幾。例如,成立于1947年的國際海事無線電技術委員會(RTCM)目前有130多個成員,卻只有2家中國企業成員。成立于1957年的美國國家海洋電子協會(NMEA),535個成員中只有1家中國企業成員。對于正式提供服務近兩年的北斗系統而言,參與國際標準的建設任重而道遠。

全國北斗衛星導航標準化技術委員會于2014年成立,15項北斗應用基礎標準正在制定中,部分關鍵標準計劃在今年底對外發布。屆時,北斗系統將完成北斗產業鏈中標準規范關鍵環節的布局,北斗應用也將進入標準化、規范化以及通用化的快車道。 在國際方面,在中國民航局、交通部海事局、工信部科技司等部門指導下,依托中國航天標準化研究所、北京航空航天大學、交通部水運科學研究院、工信部電信研究院、武漢導航與位置服務工業技術研究院等科研院所,先后啟動了北斗系統進入國際民航、海事、移動通信、接收機通用數據標準等國際標準工作。經過各方協作和配合,北斗國際標準工作捷報頻傳。國際民航組織(ICAO)同意北斗系統逐步進入ICAO標準框架;國際海事組織(IMO)批準發布了《船載北斗接收機設備性能標準》,實現了北斗國際標準的‘零’突破,完成了北斗系統作為全球無線電導航系統(WWRNS)重要組成部分的技術認可工作,有望在今年底成為第三個被IMO認可的WWRNS;第三代移動通信標準化伙伴項目(3GPP)支持北斗定位業務的技術標準已獲得通過。北斗已經開啟了走向國際民航、國際海事、國際移動通信等高端應用領域的破冰之旅。

2014年9月8日至9日,國際海事無線電技術委員會第104專業委員會(RTCM SC-104)全體會議在美國佛羅里達州坦帕市會議中心召開,來自Trimble、Novatel、Geo++、USCG(美國海岸警衛隊)等全球20多個GNSS高精度知名企業(機構)和重要用戶單位的30多位專家代表與會。武漢導航與位置服務工業技術研究院和上海司南衛星導航技術有限公司組團參加,圓滿完成各項既定任務。

RTCM SC-104主要負責差分全球衛星導航系統(DGNSS)系列推薦標準的制修訂,以及參與接收機自主交換格式(RINEX)、接收機導航定位數據輸出接口協議(NMEA-0183)等國際通用數據標準的制修訂工作。該委員會由全球從事衛星導航設備生產、技術研發、系統服務的知名企業機構成員組成,下設GLONASS 、Galileo、RINEX、NMEA、BDS等工作組。武漢導航院為BDS工作組主席單位,北斗專項應用推廣與產業化專家組專家韓紹偉博士任BDS工作組主席。

會上,武漢導航院韓紹偉博士代表BDS工作組,向委員會全體會議匯報了對BDS NH碼的處理方法,澄清了對NH碼實現過程中因符號規則理解差異造成的差分解算失效、接收機無法兼容等問題,給出了解決方案并獲得委員會一致通過。該問題的解決打消了國際社會對BDS高精度可靠應用的疑慮,對促進北斗高精度全球應用具有重要作用。另外,韓紹偉博士代表BDS工作組就BDS導航電文數據組識別符的研究進展向委員會全體會議進行了匯報,對其組成、產生、判別方法等進行了探討,該識別符是BDS實現可靠實時差分應用的重要因素,也是北斗進入RTCM差分標準的關鍵參數。BDS工作組將就該問題繼續與有關各方深入合作,尋求最終解決方案。

最后,BDS工作組提議2015年5月11-12日在中國西安召開RTCM SC104全體會議,并邀請專家參加2015年5月13-15日在中國西安召開的第六屆中國衛星導航學術年會(CSNC2015),該提議獲得委員會成員的通過。這是中國首次獲得RTCM SC104全體會議主辦權,標志著以中國企業為主體推動北斗加入 RTCM 、RINEX、NMEA等國際通用數據標準工作得到國際認可,顯示了國際社會對北斗高精度全球應用的期待和信心,必將有助于加速北斗進入系列國際通用數據標準工作。

國際認可

中國北斗衛星已獲聯合國正式認可 可媲美GPS

在2014年11月17日至21日的會議上,聯合國負責制定國際海運標準的國際海事組織海上安全委員會,正式將中國的北斗系統納入全球無線電導航系統。這意味著繼美國的GPS和俄羅斯的“格洛納斯”后,中國的導航系統已成為第三個被聯合國認可的海上衛星導航系統。專門研究中國太空項目和信息戰爭的加州大學專家凱文·波爾彼得表示,北斗系統能在其覆蓋范圍內提供足夠精確的定位信息。

社會評價

中國的衛星導航系統已獲得國際海事組織的認可。這是該系統向其目標邁出的重要一步:被全世界接受,可媲美美國全球定位系統(GPS)。

在2014年11月17日至21日的會議上,聯合國負責制定國際海運標準的國際海事組織海上安全委員會,正式將中國的北斗系統納入全球無線電導航系統。這意味著繼美國的GPS和俄羅斯的“格洛納斯”后,中國的導航系統已成為第三個被聯合國認可的海上衛星導航系統。專門研究中國太空項目和信息戰爭的加州大學專家凱文·波爾彼得表示,這是“承認北斗系統能在其覆蓋范圍內提供足夠精確的定位信息”。

 
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