浅谈北斗导航卫星定位系统现状、发展及应用

浅谈北斗导航卫星定位系统现状、发展及应用

（湛江航标处吴明金）

一北斗导航卫星定位系统现状

北斗卫星定位系统是由我国自主研制和建立的区域导航定位系统。该系统由４颗（２颗工作卫星、２（一）简介颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒（ｎｓ）的同步精度，北斗导航系统三维定位精度约儿十米，授时精度约ｌＯＯｎｓ。美国的ＧＰＳ三维定位精度Ｐ码目前己由１６ｍ提高到６ｍ，ｃ／Ａ码目前已由２５—１００ｍ提高到１２ｍ，授时精度日前约２０ｎｓ。四颗导航定位卫星的发射时间分别为：２０００年１０月３１日和１２月２１日，第一、第二颗是工作卫星；２００３年５月２５日，２００７年４月１４日，第三、四颗是备用＋『Ｊ星。２００８年北京奥运会期间，它在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的ＧＰＳ卫星定位系统一起，发挥“双保险”作用。

北斗一号卫星定位系统的英文简称为ＢＤ，在ＩＴＵ（国际电信联合会）登记的无线电频段为Ｌ波段（发射）和Ｓ波段（接收）。

电频段为Ｌ波段。北斗二代卫星定位系统的英文为Ｃｏｍｐａｓｓ（即指南针），在ＩＴＵ登记的无线

北斗一号系统的基本功能包括：定位、通信（短消息）和授时。

北斗二代系统的功能与ＧＰＳ相同，即定位与授时。

（二）系统工作原理

“北斗一号”卫星定位系统解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ＩＪ星为焦点的椭球面之问的交线上。另外中心摔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，又可知道用户出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。

“北斗一号”卫星的覆盖范围是，东经７０。一１４０。，北纬５。一５５。之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬３５。左右。其定位精度为水平精度１００米（１ｏ），设立标校站之后为２０米（类似差分状态）。工作频率：２４９１．７５ＭＨｚ。系统能容纳的用户数为每小时５４００００户。

（三）与ＧＰＳ系统对比

１、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约７０。一１４０。，北纬５。一５５。。ＧＰＳ是覆盖令球的全．人候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时问能同时观测到６－９颗卫星（实际一卜最多能观测到１１颗）。

２、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颗同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．卜设置２４颗卫星，轨道赤道倾角５５。，轨道面赤道角距６０。。卫星导航为准同步轨道，绕地球一周１ｌ小时５８分。

３、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，由用户设备独立解算出自己所在位置。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性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

４、实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心摔制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是ＧＰｓ所不具备的。

综上所述，北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。缺点是不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位，且需提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量受一定限制。但最重要的是，“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星少的初步起步系统。

此外，该系统并不排斥国内民用市场对ＧＰＳ的广泛使用。相反，在此基础上还将建立中国的ＧＰＳ广域差分系统。可以使受ｓＡ干扰的ＧＰＳ民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级，可以更好的促进ＧＰＳ在民间的利用。当然，我们也需要认识到，随着我军高技术武器的不断发展，对导航定位的信息支持要求越来越高。

（四）双星定位不同于“多星”定位

美国的ＧＰＳ和俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ，都是使用２４颗卫星（ＧＰｓ还另有３颗备份卫星，ＧＬＯＮＡＳＳ则因经费问题损失了几颗卫星）组成网络。这些卫星不中断地向地面站发回精确的时间和它们的位置。ＧＰＳ接收器利用ＧＰＳ卫星发送的信号确定卫星在太空中的位置，并根据无线电波传送的时间来计算它们间的距离。等计算出至少３，－－．４颗卫星的相对位置后，ＧＰＳ接收器就可以用三角学来算出自己的位置。每个ＧＰＳ卫星都有４个高精度的原子钟，同时还有一个实时更新的数据库，记载着其他卫星的现在位置和运行轨迹。当ＧＰＳ接收器确定了一个卫星的位置时，它可以下载其他所有卫星的位置信息，这有助于它更快地得到所需的其他卫星的信息。

“一代‘北斗’只用双星定位，比ＧＰＳ等投资小、建成快，”它是由窄间卫星、地面控制中心站和用户终端等３部分即可完成定位。一代“北斗”与ＧＰＳ系统不同，对所有用户位置的计算／卜是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。因此，地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监摔管理。这一系统被称为“双星定位系统”。

１、有源无源是关键小同点

“一代‘北斗’采用的是有源定位，ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ等都是无源定位，”“这是它们质．Ｅ的不同点。”所谓有源定位就用户需要通过地面中心站联系及地面中心站的传输，通讯就不必通过其他的通讯卫星了，一星多用符合我围困情。ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ没有设计通讯功能，主要原因就在于不需要地面站中转服务的无源定位不能提供通讯服务。

２、区域性基于技术水平

北斗定位导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。北斗定位导航系统的开发具有重要意义，并有一些ＧＰＳ系统所没有的长处，如在静态地图的基础上，可以把道路拥堵的实时情况在导航仪上反映出来。

一代“北斗”是区域卫星导航系统，只能全天候、全天时用于中国及其剧边地区；而ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ都是全球导航定位系统，在全球的任何一点，只要卫星信号未被遮蔽或干扰，都能接收到三维坐标。“区域性是我国双星定位的技术特点、水平以及国家需求决定的。

ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ的空间部分是高度在２万千米左右的卫星组成的网络。ＧＰＳ的卫星平均分布在６个轨道平面上，ＧＬＯＮＡＳＳ卫星平均分布在３个轨道平面上，不停地绕地球旋转。这样，在全球的任何位置、任何时间都可同时观测到４颗以上的卫星，通过它们就可以获得高精度的三维定位数据。

“北斗”一号是双星定位，轨道偏高，距离地面３万６千千米，是地球｜一步静止轨道卫星。之所以要在这么高的高度是冈为我们只有两颗定位卫星，不能覆盖整个地球，如果在较低轨道上绕地运行，每天就要有一定时间不能监控我国所在区域。

（五）北斗导航地位系统三大功能

１、快速定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度２伊一１００ｍ：

２、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；

３、由于对包含车辆的位置和状态信息的数据要求有一定的实时性。同时车辆与调控中心之间的信息沟通实际卜也是一种数据的通信方式，其信息量一般也不会超过ＧＳＭ短信息的长度范围。因此利用ＧＳＭ的短消息业务基本可满足系统通信的需要。

（如通过话音信道）。

与其他无线电台等传统方式比较，采用ＧＳＭ短信息网络系统具有以下优点：

１）、速度快，实时性好，不掉线；

２）、可以双向通信，及时返回终端信息；

３）、设备体积小，操作简单；

４）、由于控制中心无须专门设置大功率发射电台，将大大降低安装费用；

５）、覆盖面广受地理环境５４５其次，通过短信息方式发送数据其成本代价远远低于其它方式

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

（六）北斗一号卫星导航定位系统民用终端设备行业标准

《北斗一号民用车（船）载遇险报警终端设备技术要求和使用要求》（标准编号为ＪＴ／Ｔ５９０—２００４）《北斗一号民用数据采集终端设备技术要求和使用要求》（标准编号为ＪＴ／Ｔ５９１—２００４）

《北斗一号民用车（船）载终端设备技术要求和使用要求》（标准编号为ＪＴ／Ｔ５９２—２００４）

二北斗导航卫星定位系统发展：

（一）二代“北斗”可称“中国的ＧＰＳ”

“我们会“我国发展二代‘北斗’不会采取一步到位的方式，也不会停掉一代，另外发展二代，”

在一代的基础上不断补充卫星数，计划设计建设的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，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、测速和授时服务，定位精度为１０米，授时精度为５０纳秒，测速精度０．２米／秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。增加其功能，提高其整体水平。”二代‘北斗’可以称为‘中国的ＧＰＳ’，它仍然会比ＧＰＳ多一个通讯为发展我国二代“北斗”的关键技术提供了准备。此次定位的“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器，能够参照其他星，把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功，表明这种技术是有效而可靠的。这样，当我们不断发射新的卫星构建二代“北斗”体系时，众多卫星就会找准自己的位置，构成符合标准的网络。

“２０世纪原子钟最辉煌的应用莫过于由它构成了全球定位系统的核心，”导航星和地面站全离不开它。目前的原子钟主要有３种：铷钟、铯钟和氢钟。结构紧凑、可靠性高、寿命长的原子钟正是发展全球定位系统必需的。在结构方面，铷钟最小体积已达到６立方厘米；在频率稳定度方面，氯钟最好；而在长期频率稳定度和准确度方面，则以铯钟最佳。目前，设在中国计量科学研究院的固家授时中心使用的就是被称为“激光冷却一铯原子喷泉频率基准”的铯钟，我图的授时基准一－－ＵＴＣ（ＮＩＭ）都是由它提供并不断同国际基准校正的，而“北斗”将建成，届时，国民经济各领域都将从中获得更大的效益。

（二）北斗卫星导航系统３年内完成组网

２００７年４月１４日，中困成功发射了第２号第１颗北斗导航卫星。２００９年４月１５日零时１６分，成功将第２号第２颗北斗导航卫星送入预定轨道。这次发射的北斗导航卫星（ＣＯＭＰＡＳＳ－－Ｇ２），是中国北斗卫星导航系统（ＣＯＭＰＡＳＳ，中文音译名称ＢｅｉＤｏｕ）建设计划中的第二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星，卫星导航系统是重要的空间基础设施，可提供高精度的定位、测速和授时服务，能带来巨大的社会和经济效益。

中国发射北斗二号卫星，可避免电磁干扰攻击，定位精确到厘米，北斗二号卫星为地球同步静止轨道卫星，可为中国及周边地区提供定位、测速和授时等服务。较之目前仍在运行的“北斗一号”，“北斗二号”在诸多方面具有优势，包括可以有效避免遭受电磁干扰和攻击，实现无源定位，在精确度方面大大提高，“北斗一号”精确度在１０米之内，而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内，中国自主研制的北斗卫星导航系统将进入了组网高峰期，预计在２０２０年左右形成覆盖全球的卫星导航定位系统。今年将有多颗卫星发射升空，３年内完成系统组网，并具备基本的运行能力。在此基础上将逐步发展到为全球服务。

（三）北斗卫星导航系统入围全球四大卫星导航系统

北斗卫星定位导统系由四颗（两颗工作卫星、两颗备用卫星）北斗定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端三部分组成。中困的北斗导航系统和美国ＧＰＳ、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球四大卫星导航系统。目前，联合困已将这４个系统一起确认为全球卫星导航系统核心供应商。

三、北斗导航卫星定位系统应用

（一）北斗卫星定位系统应用五大优势

１、同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；

２、覆盖中国及周边国家和地区，２４小时全天候服务，无通信区：

３、特别适合集团用户大范闱监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；

４、独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”：

５、自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。

（－－）“北斗卫星”系统在汶川地震和北京奥运会中起重要作用

汶川地震救援中，在通信中断情况下，“北斗一号”系统在导航定位方面发挥了重要的作用，救灾部队携带的北斗系统正在陆续发回各种灾情和救援信息。“北斗一号”卫星导航定位系统监测到，一支携带

了“北斗一号”终端机的部队，从中午１２时开始，沿着马尔康、黑水、理县到汶川的３１７国道，以每小时６公里左右的速度一路急进。６个小时前进了近４０公里，已经进入汶川县境内，离县城还有４０公里左右的路程。由于通信受阻碍，位于北京的卫星导航定位指控中心初步判断该部队隶属四川武警总队。指控中心正在进一步了解情况。

２００８年北京奥运会期间，它在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的ＧＰＳ卫星定位系统一起，发挥“双保险”作用。

目前正在建设的是第二代的北斗卫星全球导航地位系统，届时建成和完善后，拥有自主知识产权的卫星导航系统。它将为我国的国民经济、国防科技建设发挥重要作用；为船舶运输、公路交通、铁路运输、野外作业、水文测报、森林防火、渔业生产、勘察设计、环境监测等众多行业以及其他有特殊调度指挥要求的单位提供导航定位、通信和授时等综合服务。５４７