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北斗卫星导航系统


2015-02-01

 

北斗卫星导航系统(英文简称“COMPASS”,中文音译名称“BD”或“Beidou”)是中国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务,并兼具短报文通信能力。与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略并称为全球四大卫星定位系统。2011年12月27日,北斗卫星导航系统开始试运行服务。2020年左右,北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。
北斗卫星导航系统 - 简介
北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统﹝BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System﹞是中国独立发展、自主运行,并与世界其他卫星导航系统兼容互用的全球卫星导航系统。

北斗卫星导航系统既能提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务,还具备短报文通信、差分服务和完好性服务特色,是中国国家安全、经济和社会发展不可或缺的重大空间信息基础设施。

北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号两代导航系统。其中北斗一号用于中国及其周边地区的区域导航系统,北斗二号是类似美国GPS的全球卫星导航系统。[1]

北斗卫星导航系统建设目标是: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,形成完善的中国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。[2]

三步走

按照“质量、安全、应用、效益”的总要求,坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则,北斗卫星导航系统按照“三步走”的发展战略稳步推进。具体如下:

第一步,2000年建成北斗卫星导航试验系统,使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。 
第二步,建设北斗卫星导航系统,2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。   
第三步,2020年左右,北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。[3][4]

北斗卫星导航系统 - 系统组成

北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号的2代系统,由空间段,地面段,用户段三部分组成。

空间段

空间段包括五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星。地球静止轨道卫星分别位于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗同步轨道卫星组成。

地面站
北斗导航卫星应用战略图

地面段包括主控站、卫星导航注入站和监测站等若干个地面站。 

主控站主要任务是收集各个监测站段观测数据,进行数据处理,生成卫星导航电文和差分完好性信息,完成任务规划与调度,实现系统运行管理与控制等。 
注入站主要任务是在主控站的统一调度下,完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。 
监测站接收导航卫星信号,发送给主控站,实现对卫星段跟踪、监测,为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。

用户段

用户段包括北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。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、GLONASS、GALILEO系统一样,为用户提供卫星无线电导航服务,又具有位置报告以及短报文通信功能。

北斗卫星导航系统 - 导航信息

系统在L、S频段发播导航信号,L频段B1、B2和B3三个频点上发射开放和授权服务信号。

B1:1559.052MHz-1591.788MHz 
B2:1166.22MHz-1217.37MHz 
B3:1250.618MHz-1286.423MHz

北斗卫星导航系统 - 系统服务

北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,包括开放服务和授权服务两种方式。

开放服务

是向全球免费提供定位、测速和授时服务,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。

授权服务

是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户,提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

北斗卫星导航系统 - 建设原则
边防官兵在风雪中用北斗终端机上报信息

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:

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,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。

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。

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。

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。[2]

北斗卫星导航系统 - 工作过程
北斗一号

首先由中心控制系统向卫星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,然后根据用户的申请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,因此由上面两个延迟量可以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,又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标,这个坐标经加密由出站信号发送给用户。[5]

北斗二号

空间段卫星接收地面运控系统上行注入的导航电文及参数,并且连续向地面用户发播卫星导航信号,用户接收到至少4颗卫星信号后,进行伪距测量和定位解算,最后得到定位结果。同时为了保持地面运控系统各站之间时间同步,以及地面站与卫星之间时间同步,通过站间和星地时间比对观测与处理完成地面站间和卫星与地面站间时间同步。分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行监测,采集各类观测数据后将其发送至主控站,由主控站完成卫星轨道精密确定及其它导航参数的确定、广域差分信息和完好性信息处理,形成上行注入的导航电文及参数。

北斗卫星导航系统 - 系统优势
混合轨道

北斗导航轨道是个特殊的混合轨道,可提供更多的可见卫星的数目,卫星一多,导航定位的精度就越高,能支持更长的连续观测的时间和更高精度的导航数据。北斗卫星导航系统开放服务可以向全球免费提供定位、测速和授时服务,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。

通讯功能

北斗卫星导航系统和美国GPS、俄罗斯GLONASS相比,增加了通讯功能,一次可传送多达120个汉字的信息。

位置报告

用户与用户之间可以实现数据交换。到了信息中心,可以自动算出发射时间和位置,信息量比GPS更多。

模式兼容

北斗全球定位系统功能具备与GPS、GALILEO广泛的互操作性。北斗多模用户机可以接收北斗、GPS、GALILEO信号,并且实现多种原理的位置报告,稳定性更高。

北斗卫星导航系统 - 功用

北斗的主要用途有四个方面:
1、 导航与通信的集成增强了导航能力和搜索救援能力,可实现用户信息共享和信息交换;
2.、多系统兼容服务,可以实现公开服务相互兼容,必要时提供多系统监测信息和差分改正信息;
3.、提供双向授时授权服务;
4、 以双向伪距时间同步方法摆脱卫星时间同步与精密轨道之间的依赖关系。

北斗卫星导航系统 - 应用展望
北斗导航卫星的军事应用

北斗卫星导航系统的建成,可促进中国自主卫星导航事业的发展,使中国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖,并带动一大批高技术产业,形成新的经济增长点。

北斗导航系统的应用具有广泛的应用潜力。比如公安保卫、遇险抢救、海岸缉私、巡逻搜索、囚车与运钞车监控、环境数据收集、各种灾害的预报与监测、交通管制、远距离输电以及个人旅游、娱乐等诸多方面都有着广大的潜在用户。

 


 北斗卫星导航系统已经成为我国重要的空间和信息化基础设施,在交通、通信、电力、金融、气象、海洋、国防等领域发挥重要作用。
北斗卫星导航系统应用领域广泛[6] 

应用领域    应用   
  交通运输    重点运输过程监控管理、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度监控 
  海洋渔业     船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理
  水文监测    多山地域水文测报信息的实时传输 
  气象监测    成功研制一系列气象测报型北斗终端设备,启动“大气海洋和空间监测预警示范应用”,形成实用可行的系统应用解决方案 
  森林防火     定位、短报文通信
  通信时统    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
  电力调度    开展基于北斗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条件 
  救灾减灾    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 
  军工领域   飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航;弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位;人员搜救、水上排雷定位等

领域 飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航;弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位;人员搜救、水上排雷定位等 


北斗卫星导航系统 - 面临挑战

北斗卫星导航系统需与GPS、GLONASS和GALILEO激烈竞争,面临诸多挑战。

部署进度

四大全球系统部署的时间进度是个重大考验,捷足先登是成功的第一步。GPS在这方面遥遥领先,GLONASS正在恢复建设中,Galileo遭遇资金困境,北斗系统若要抢占市场,在系统部署方面面临挑战。

卫星性能

导航卫星设计和研制水平决定着系统的性能,北斗卫星设计已经达到国外导航卫星水平,在未来发展中要不断自主创新,争取在国际导航卫星研制领域处于领先地位。

系统发展

面向未来,卫星导航系统需要持续的发展建设,以满足用户更高的使用要求;需要国家持续的经费投入、人才培养、产业推广,以确保北斗卫星导航系统在未来发展与国际竞争中占据优势地位。

北斗卫星导航系统 - 对比GPS

以下内容为北斗一号系统与美国GPS的对比:

覆盖范围
北斗导航卫星定位原理图

北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。

卫星数量和轨道特性

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°。

定位原理

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。

实时性

“北斗一号”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,时间延迟变长,因此对于高速运动体,就加大了定位的误差。[5]

定位精度

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25-100m提高到12m,授时精度日前约20ns。

用户容量

北斗导航系统由于是主动双向测距的询问--应答系统,用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号,还要求用户设备向同步卫星发射应答信号,这样,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,北斗导航系统的用户设备容量是有限的。gps是单向测距系统,用户设备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的用户设备容量是无限的。

生存能力

和所有导航定位卫星系统一样,“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作,但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多,因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性,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。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能。[5]

北斗卫星导航系统 - 卫星发射记录
2010年11月1日1日零时26分长征三号丙运载火箭成功将第六颗北斗导航卫星送入太空

北斗一号导航定位卫星的发射时间分别为:

2000年10月31日 ,西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1A。 

2000年12月21日 ,西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1B。 

2003年5月25日 ,西昌卫星发射中心成功发射北斗备用卫星北斗-1C。 

2007年 2月3日 ,西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1D。

北斗二号导航定位卫星的发射时间分别为:

2007年4月14日4时11分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功将一颗北斗导航卫星(二代)送入太空。

2009年4月15日15日零时16分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。

2010年1月17日0时12分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭成功发射第三颗北斗导航卫星。

2010年6月2日23时53分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,成功将第四颗北斗导航卫星送入太空预定轨道。 

2010年8月1日5时30分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功发射第五颗北斗导航卫星,并将卫星送入太空预定转移轨道。

2010年11月1日零时26分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,将第六颗北斗导航卫星成功送入太空。

2010年12月18日凌晨4时20分,长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空。火箭飞行832.1秒后,成功将第七颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。

2011年4月10日凌晨4点47分,在西昌卫星发射中心,第八颗北斗导航卫星被送入太空。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星。这次发射是2011年北斗导航系统组网卫星的第一次发射,也是中国“十二五”期间的首次航天发射。

2011年7月27日5时44分,第九颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭成功发射并送入太空预定转移轨道,这是北斗导航系统组网的第四颗倾斜地球同步轨道卫星。

2011年12月2日清晨5时07分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,将中国第十颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。

2012年2月25日凌晨0时12分,中国在西昌卫星发射中心成功发射第十一颗北斗导航卫星。2012年中国将陆续发射多颗北斗导航组网卫星,在年底完成亚太部分地区组网。[7]

2012年9月19日凌晨3时10分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭,以“一箭双星”方式,将第14和第15颗北斗导航卫星成功发射升空并送入预定转移轨道。[8]

2012年10月25日23时33分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,成功将第16颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨道。这是一颗地球静止轨道卫星,它与先期发射的15颗北斗导航卫星组网运行,形成区域服务能力。根据计划,北斗卫星导航系统将于2013年初向亚太大部分地区提供正式服务[9] 。

北斗卫星导航系统 - 服务运行

2011年12月27日起,北斗卫星导航系统开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务的试运行服务[10] 。北斗系统试运行服务期间主要性能服务区为东经84度到160度,南纬55度到北纬55度之间的大部分区域;位置精度可达平面25米、高程30米;测速精度达到每秒0.4米;授时精度达50纳秒。 

2013年上半年,北斗卫星导航系将向亚太大部分地区正式提供服务[9] 。 

2013年7月23日,两院院士、武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任李德仁表示,北斗卫星导航系统将在2014年作为应用进入个人手机。北斗系统每天维持的费用高达2000万元人民币,不用起来,不产生效益,就是巨大的浪费。全球卫星数据市场一年交易额达3000亿美元,而中国参与交易的收益不到1亿。[11]

北斗卫星导航系统 - 国家卫星导航产业中长期发展规划

2013年10月9日,《国家卫星导航产业中长期发展规划》印发。根据《规划》,到2020年,我国卫星导航产业创新发展格局基本形成,产业应用规模和国际化水平大幅提升,产业规模超过4000亿元,北斗卫星导航系统及其兼容产品在国民经济重要行业和关键领域得到广泛应用,在大众消费市场逐步推广普及,对国内卫星导航应用市场的贡献率达到60%,重要应用领域达到80%以上,在全球市场具有较强的国际竞争力。《规划》提出的主要任务包括完善导航基础设施、突破核心关键技术、推行应用时频保障、促进行业创新应用、扩大大众应用规模、推进海外市场开拓等。

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