北斗卫星定位系统的应用与发展.doc

XXX大学XX学院本科生毕业论文北斗卫星定位系统的应用与发展 系部名称姓名 学号专业指导教师年 月 日摘 要卫星导航技术是一种采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。导航卫星如同太空灯塔。卫星导航综合了传统导航的优点，实现了全球、全天候、高精度的导航定位。我国卫星导航定位技术也取得长足的发展。中国自主研制的北斗卫星导航定位系统已成为世界上第四个成熟的卫星导航定位系统。上至航天，下至工业，渔业、农业生产和日常生活，卫星导航定位技术无所不在。卫星导航定位技术在国家经济发展和国防安全建设的深远意义不言而喻。本课题旨在对我国北斗卫星导航系统进行研究，从而深入了解卫星定位系统的组成、系统特点、定位原理、使用情况，并于国外系统进行比较。通过对我国北斗卫星定位系统现状和发展趋势分析，安全性评估和国外GPS比较，分析我国该产业发展的优势与不足，并据以提出其发展建议。关键词：卫星导航，双星定位；北斗系统；发展；应用 AbstractSatellite navigation Satellite navigation technology is a kind of technology using satellite to position users on the ground, sea, air and space. Satellite navigation not only combines the advantages of traditional navigation, but also achieve the point of global, all-weather and high-precision navigation and positioning. Satellite navigation and positioning technology in China has achieved rapid development. Chinas Beidou satellite navigation system has been among the worlds four major satellite navigation and positioning systems. Satellite navigation and positioning technology can be used in the aerospace, industry, fishery , agricultural production , daily life and many other features . Satellite navigation and positioning technology have played an important role in national economic development and the construction of national defense security . This topic aims to study Chinas Beidou satellite navigation system systematically so as to have a thorough understanding of the satellite positioning system composition, system characteristics, positioning principle and usage information as well as to compare with the foreign system. Based on the analysis of present situation and development trend of Chinese Beidou satellite positioning system, the compare of security assessment with the GPS is abroad, it also aims to analyze the advantages and disadvantages of this industry development in our country, and to put forward proposals of development .Key words: Satellite navigation ; Dual satellite navigation system ; Beidou satellite navigation system ; Application ; Development 目 录一、引 言11.1 研究背景与主要内容研究背景11.2 研究目的和意义1二、国内外卫星定位系统发展现状22.1 卫星导航定位系统22.2 北斗卫星定位系统发展现状22.3 国外现用全球导航卫星定位系统介绍32.3.1 美国GPS卫星定位系统32.3.2欧盟伽利略导航定位系统62.3.3俄罗斯格林纳斯系统7三、北斗卫星定位系统的技术分析83.1 北斗系统的组成及定位原理83.1.1 北斗卫星导航系统组成83.1.2 北斗卫星定位原理83.1.2北斗系统组成结构图93.2 北斗卫星系统的通信原理103.2.1北斗卫星通讯机制103.2.2北斗系统的通讯优势113.3北斗系统信道分析113.3.1 北斗系统信道结构113.3.2 北斗系统的信道分配方式123.4 北斗定位系统的适应性分析123.4.1北斗系统的优点123.4.2北斗系统与GPS比较13四、北斗卫星定位系统的应用154.1 北斗系统的应用154.1.1 抗震救灾164.1.2 安全保卫164.1.3 船舶监控164.1.4 军事应用174.2 北斗系统的战略意义17五、北斗卫星定位系统的发展195.1 北斗系统发展中存在的问题195.2北斗定位系统未来发展面临的挑战195.3我国卫星定位产业的发展趋势205.4卫星定位系统发展问题的对策215.4.1政府方面的对策215.4.2北斗系统产业方面的对策215.4.3 企业方面的对策22结 语23参考文献24致 谢25III一、引 言1.1 研究背景与主要内容研究背景 我国北斗系统已经具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。卫星定位导航系统国家信息基础设施建设之一，也是国家科技水平和经济实力的象征。北斗系统的建成，对于我们这样的社会主义国家，意义十分重大。它打破了美国等发达国家垄断卫星定位导航技术的局面，大大推进了我国信息基础设施，提高了我国的经济社会和军事信息化水平。我们期望我国的北斗系统能够更快的出现在我们普通百姓的生活中，更好的为国家国防和经济发展服务，改变国外卫星定位导航定位系统独占我国卫星定位导航应用市场的局面。 北斗系统的知识产权为我国完全所有，系统运行不受国际环境变化的影响；具有很好的加密功能，可以有效的保障用户关键业务数据在处理、存储。传输过程中的安全性。北斗系统同时具备定位。通信和授时服务功能，无需其他通信系统支持，这是目前已广泛应用的国外各卫星导航系统所不具备的特点。 北斗系统是我国民族卫星导航产业的骄傲，经过大胆尝试和艰苦探索，我国的卫星导航技术取得了长足的发展。但是，作为一种新技术和新产品，有明显的技术优势，也有不足，广泛应用和改善提高仍需一定的时间，在推广应用中受到一定因素的制约。 北斗系统目前的有源定位技术体制决定了用户终端必须具备能收能发的能力，这也使得用户终端的价格偏高，缺乏竞争力。用户终端成本较高，使得多数用户难以接受。同样的应用终端制造成本要比GPS高许多，难与GPS竞争，这也是北斗系统在推广应用中遇到的主要问题之一。 在北斗系统的建设过程中，也面临着用户终端设备研制落后，跟不上要求，卫星资源浪费，研发单位各自为战等问题。在市场环境下，这种境况更给北斗系统的应用和发展造成很大困难。1.2 研究目的和意义 通过对我国北斗卫星定位系统现状和发展趋势分析，并与国外的GPS系统比较，找出我国卫星导航系统发展中存在的问题和桎梏，并对问题的原因进行剖析，提出解决问题建议。二、国内外卫星定位系统发展现状2.1 卫星导航定位系统卫星导航是利用导航卫星发射的无线电信号，求出载体相对卫星的位置，再根据已知的卫星相对地面的位置，计算并确定载体在地球上的位置的技术。利用卫星定位系统提供的位置、速度、时间等信息可完成对地球各种目标（如飞机、船舶、车辆或个人）的定位、导航、监测和管理。换种形象的解释，其实卫星导航的基本功能就是为了是回答：“我现在在哪里？我要去哪里？如何去？”的问题。目前，卫星导航技术已基本取代无线电导航技术，成为导航领域中最为先进的技术，并且在精度、实时性和全天候等方面有了革命性的突破。 卫星导航主要用于：飞机航路引导和机场降落；船舶远洋导航；导弹等各种精确打击；灾情救援；处置突发事件；太空器定位与导航；车辆跟踪；城市智能交通监测和管理。其用途不胜枚举。对未来社会的信息化的支持发展支撑几乎是全方位的。卫星导航系统组成主要有：空间部分（多颗卫星组成），地面控制部分和用户端三部分。卫星导航系统的空间部分是由多颗卫星组成，每颗卫星都不断发出测距信号和导航电文；地面上的接收机收到卫星发出的信号，可以测定接收机天线到导航卫星间的距离，并求解出导航电文到卫星空间坐标，以确定接受者所处的位置、行进速度等。定位信号覆盖全球，而且不易受天气影响，因此能全天候、全时段对地球上任何地方的移动或者静止目标进行导航定位。2.2 北斗卫星定位系统发展现状 北斗定位系统是我国自主研发正在实施的全球卫星导航定位系统，缩写为BDS，北斗卫星导航定位系统包括北斗卫星导航实验系统（又“北斗一号”，目前已结束任务）和北斗导航定位系统（又称“北斗二号”）。可与美国的GPS、俄罗斯的格林纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用，与其他系统并称全球四大卫星导航系统。中国目前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和十六颗北斗导航卫星（其中，北斗-1A已经结束任务），将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。第一代是采用双星定位原理，解决了我国导航系统从无到有的问题，可以说是我国卫星导航建设中的一个起步阶段，用很少的资金投入，打破了国外卫星导航领域的垄断，填补了我国卫星导航的空白但是由于本身原理的限制，只能是一个区域卫星导航系统，无法与国外的GPS相比。所以我国在同时进行第二代卫星导航系统的建设规划。2004年9月，第二代卫星导航系统北斗卫星导航系统建设被批准实施。目前为止，北斗二代已经发射16颗导航卫星，从原理、定位精度。定位区域上逐渐与国际上的其他导航系统接轨。随着北斗系统的第16颗卫星发射成功，2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，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。北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上，向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务。民用服务与GPS一样免费。中国正在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02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。我国正在建设的二代系统可以称为我国的GPS，具有连续实时无源三维定位测速能力，高精度授时能力和用户位置报告能力。不仅生存抗打击能力得到提高，使用寿命也大大延长。其性能可与相媲美，在中国本土及其周边地区的性能甚至要优于。在民用信号上，与其他三大系统进行资源共享，构建联合导航体系，进一步增强我国的导航能力，并逐步扩展为全球卫星导航系统。“北斗”系统定位服务已经覆盖亚太地区，我国正在实施北斗卫星导航系统建设，根据系统建设总体规划，将于2020年左右建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。2.3 国外现用全球导航卫星定位系统介绍2.3.1 美国GPS卫星定位系统一、GPS介绍：全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成部分。从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用，历时20年，耗资300亿美元，前后共发射35颗卫星，目前仍在轨道上正常工作的有25颗卫星，其中一颗为实验卫星，24颗为工作卫星。目前，GPS也是世界上技术最为成熟的定位系统。GPS提供俩种定位服务：标准定位服务（SPS）和精度定位服务（PPS），其中：标准定位服务（SPS）：L1（1575.4MHz）载波上的C/A码（粗码）；SPS的主要服务对象是民间用户，采用调制在L1载波频率上的C/A 码（粗码），定位精度为330米。 精密定位服务（PPS）：L1，L2（1227.6Hz）载波上的P码（精码）；PPS的主要服务对象为美国和盟军的军事部门及其特许部门，实时定位精度可达到0.33米。二、GPS系统组成：GPS系统主要有三大部分组成，即空间卫星部分。地面调度部分和用户设备 部分。这三部分相互关系如图2.3.1所示：。 图2.3.1GPS全球定位系统组成 1）空间卫星部分： 由24颗在轨卫星组成（超过5颗备用卫星），卫星轨道约20，200公里， 均匀分布在6个轨道面上，每12小时环绕地球一周。 2）地面调度部分： 地面控制系统由监测站，主控制站和地面天线组成。地面控制站负责收集、 卫星传回的讯息，并计算卫星的星历和相对距离等数据。 3）GPS的用户设备： 用来接收卫星的定位信号并自行结算用户位置、速度等信息，最终实现利 用GPS精确导航和定位的目的。四、工作原理：GPS定位系统工作原理是由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息,计算各卫星的星历表及卫星钟改正数,按规定的格式编辑导航电文,通过地面上的注入站向GPS卫星注入这些信息。测量定位时,用户可以利用接收机的储存星历得到各个卫星的粗略位置。根据这些数据和自身位置,由计算机选择卫星与用户联线之间张角较大的四颗卫星作为观测对象。观测时,接收机利用码发生器生成的信息与卫星接收的信号进行相关处理,并根据导航电文的时间标和子帧计数测量用户和卫星之间的伪距。将修正后的伪距及输入的初始数据及四颗卫星的观测值列出3个观测方程式,即可解出接收机的位置,并转换所需要的坐标位置,以达到定位目的。五、GPS系统特点： 1.全球性、全天候连续不断的导航能力 GPS能为全球任何地点或近地空间的各类用户提供连续的、全天侯的导航能 力，用户不用发射信号，因而能满足无限多的用户使用。 2.实时导航、定位精度高、数据内容多 利用GPS定位时，在1/s 内可以取得几次位置数据，这种近乎实时的导航能力对于高动态用户具有很大意义，同时能为用户提供连续的三维位置、三维速度和精确的时间信息，目前利用C/A码的实时定位精度可达20-50m，速度精度为0.1/s，利用特殊处理可达0.005m/s，相对定位可达毫米级。 随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。 3.抗干扰能力强、保密性好 GPS采用扩频技术和和伪码技术，用户只需接收GPS的信号，自身不会发射 信号，因而不会受到外界其他信号源的干扰。 4.功能多、用途广泛 GPS是军民两用的系统，其应用范围极其广泛，在军事上，GPS将成为自动化指挥系统，在民用上可广泛应用于农业、林业、水利、交通、航空、测绘、安全防范、军事、电力、通讯、城市多个领域，尤其以地面移动目标监控在GPS应用方面最具代表性和前瞻性。六、应用现状目前，GPS技术成熟并且价格低廉，在全球得到广泛应用，设计勘探开发、陆地运输、海上作业和航空航天等多个领域多个行业，有人夸张的说：“GPS的应用，仅受人们的想象力制约。”以及其全天候，高精度，全球覆盖，方便快捷等技术和价格优势，赢得全球用户的欢迎。GPS在国内的普及和推广，已经渗透到诸多行业。在我国民用领域，涉及国家安全的许多领域，占据庞大的市场份额。GPS如此广泛的应用，一方面反映了卫星导航定位和授时市场需求之大，另一方面也对我国的国家安全和经济安全构成严重威胁。不过由于专业GPS设备价格昂贵，普通消费者难以承受，所以也限制了GPS在民间的大量应用，现在各个GPS厂商的当务之急便是降低GPS的制造成本，削减一些普通消费者平时用不到的专业功能，保留一些基本的实用功能，以加快GPS在民间普及的速度。2.3.2欧盟伽利略导航定位系统一、系统简介 伽利略系统（Galieo Positioning system）是欧盟一个正在建造 中的卫星定位系统，有“欧洲GPS”之称。伽利略卫星定位系统是由欧盟主导的全球卫星导航系统，耗资30亿欧元，共发射30颗卫星。包括韩国、中国在内，日本、俄罗斯、阿根廷等国也在参与该计划，由于资金和技术原因建设曾经一度搁置。该系统与GPS相似，可以向全球任何地点提供精确定位信号。由于该系统主要针对民用市场，因此在设计初始，设计人员就以为民用客户提供高精度为目标，其性能比GPS更为先进。“伽利略”为地面用户提供3中信号：免费信号、加密且需要缴费使用的信号、加密且满足需求更高的信号。其精度依次提高，提高精度比GPS高10倍，即使免费使用信号精度也达到6米，最高精度小于1米。二、与GPS系统相比的优势1.精度更高该系统的性能极为先进。按照欧洲目前的规划，如果说GPS只能找到街道，“伽 利略”系统则可以找到车库门。该系统可为地面提供三种信号：免费使用信号、加密收费信号、加密且满足更高需求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使是免费使用的信号也达到6米。 2.兼容性好可以与美国GPS、俄罗斯GLONASS系统实现多系统兼容，接收机可采用各 个系统的数据通过各系统数据组合来实现定位导航的要求。3.功能更强大，数据更完整该系统除能提供精确的定位信号外，还可以提供移动电话业务服务，可以应用 于紧急救助等方面，如接收求救信号后，系统将会通知附近的救援部门。这些是GPS不具备的。“伽利略”系统采用了许多新技术而且更加灵活、全面、可靠，可以提供更完整精确的数据，毫无疑问，该系统将成为最强劲的对手。较高的功率使该系统可以很容易克服干扰进行接受。其范围可覆盖高纬度地区以及中亚和黑海地区提供更好的数据。2.3.3俄罗斯格林纳斯系统一、系统介绍“”是俄语中“GLOBALNAVIGATTION SATELLITE SYSTEM”的缩写。是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统像类似的全球卫星定位系统，可为全球海陆空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续的高精度的三维位置、三维速度和时间信息。它的出现，打破了美国对卫星导航独家垄断的地位，消除了美国利用GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧。通信机制与GPS有很大不同，GLONASS采用频分多址体制，卫星靠频率区分，根据载波频率来区分不同卫星。而GPS系统每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。格林纳斯卫星的载波上也调制了俩种随机噪声码S码和P码。格林纳斯系统采用军民合用、不加密的开放政策。在95%的概率条件下，该系统的定位精度水平方向16米，垂直方向25米。二、系统组成与GPS相似，系统由三部分组成：1.卫星星座部分：该部分由27颗工作卫星和3颗备份卫星组成，均匀分布在3个 近圆形轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8度。2.地面支持系统：地面支持系统由系统控制中心。中央同步器、遥测遥控站和外场导航控制设备组成。3.用户设备：接收机能接受卫星发射导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时 从卫星导航信号中提取导航电文。接收机处理器对上述数据进行出来并计算出用户所在的位置、速度和时间。三、工作特点1.GPS采用码分多址体制，而由于卫星发射的载波频率不同，所以格林纳斯系统可以具有更强的抗干扰能力，但也存在用户接收机频率综合器复杂的问题。2.格林纳斯用户设备发展滞后，设备体积大且笨重。3.与GPS相比，格林纳斯系统工作稳定性较弱，卫星工作寿命短。三、北斗卫星定位系统的技术分析3.1 北斗系统的组成及定位原理3.1.1 北斗卫星导航系统组成北斗系统由三部分构成：地面控制部分、空间卫星星座和地面用户设备。一、地面控制部分 由主控站、监测站、地面天线和通讯辅助系统(数据传输)组成。 主控站负责收集各个监测站的跟踪数据并计算卫星轨道和时钟参数，将计算结果通过地面天线发送给卫星。同时，主控站还负责管理、协调整个地面控制系统的工作。 每个全球系统都设有数量不等的监测站，各监测站配备有精密的原子时间标准和可连续测定到所有可见卫星伪距的接收机，采用电离层和气象参数对测得的伪距进行改正后，生成具有一定时间间隔的数据并发送到主控站。在监测站的同址上安置有专用的地面天线。地面天线配置了将命令和数据发送到卫星并接收卫星的遥测数据和测距数据的设备。地面天线的所有操作都在主控站的控制下进行。二、空间卫星星座 卫星系统的空间卫星一般运行在距离地面20000千米左右的太空，2430颗卫星组成星座，依据其结构设计分布在3个或6个轨道平面上，相邻轨道间的夹角相同。为保证系统的连续运行，一般在每个轨道上还部署一颗备份卫星，一旦有卫星发生故障，则可以立即替代。三、地面用户设备 用户设备部分即导航信号接收机。其主要功能是能够捕获到卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。卫星信号接收机有各种类型，有用于航天、航空、航海的机载导航型接收机，也有用于测定定位的测量型接收机，也有普通大众使用的车载、手持型接收机。接收设备也可嵌入到其他设备中构成组合型导航定位设备，如导航手机、导航相机等。3.1.2 北斗卫星定位原理 已建成的北斗一代卫星定位导航系统采用三球相交原理。当用户需要进行定位服务时，提出申请服务项目并发射请求信号，经过俩颗卫星转发至地面中心，地面中心接到此信号，解调出用户发送的信息，测量出用户至俩颗卫星的距离，以俩颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星到用户终端的距离为半径，形成俩个球面，用户接收机必然位于这俩个球面交线的圆弧上。地面中心站配置电子高程地图，它可以提供以地心为球心，以球心至地球表面的高度为半径的非均匀球面，已知目标在赤道面的侧面，求解圆弧线与地球表面交点既可或得用户位置，用户位置信息经过俩颗卫星中的一颗转发给用户，由地面中心站保存讯息，这样调度指挥和相关单位可以或得用户的所在位置。 地面中心站 Z 圆点 赤 Y R1 r1 地球 R2 r2 A X C 地球静止轨道 B 卫星3.1.2北斗系统组成结构图 其数学求解方法是：设地面中心站通过俩颗卫星向定位目标发送询问信号，定位目标通过卫星向地面站发送应答信号的总时间分布为t1、t2，俩颗卫星与地面站的斜距为R1、R2；测点与俩颗卫星的斜距为r1、r2,则可以由下面方程求出r1、r2。 Ct1=2(r1+R1)； Ct2=2(r2+R2)； 其中C为光速，已经投入使用北斗一号卫星为静止轨道卫星，卫星到地面站的斜距R1和R2已知。 其中俩颗卫星的空间坐标（X1，Y1，z1），（x2，Y2，z2）是已知的，测点高度Z 由地面中心站提供，则可求出俩个未知数x,y即测点的坐标。 当卫星导航系统使用有源时间测距来定位时，用户终端通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号，之后地面控制中心发出测距信号，根据信号传输的时间得到用户与两颗卫星的距离，这就是“有源定位”。北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。3.2 北斗卫星系统的通信原理 3.2.1北斗卫星通讯机制北斗卫星导航系统采用码分多址（CDMA）的直接序列扩频（DS）方式。码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。北斗系统的通信机制与GPS和伽利略定位系统一致，而不同于格林纳斯系统的频分多址技术。两者相比，码分多址有更高的频谱利用率，在由L波段的频谱资源非常有限的情况下，选择码分多址是更妥当的方式。此外，码分多址的抗干扰，以及与其他卫星导航系统的兼容性能更佳。其通信组成如下所示：脉冲调制高频功率放大器调制器伪码发生器8KHz载频脉冲解调器包络检波相关监测中放混频高放8KHZ载频 图3.2.1码分多址通信组成发送端：信号首先进行脉冲调制，取样频率8KHz，信息经过一次调制，然后去触发伪噪声发生器，伪码发生器产生某种伪码作为地址信号，这个信号再对由主振器产生的几百兆赫的载频进行双向调制，最后送到高频功率放大器，经过天线发射出去。接收端：接收端收到发送端信号，经过混频变为中频，再经过放大进行检波，得到二进制信号，再进行限幅取样，通过数字式匹配滤波器，并进过脉冲解调就恢复为原来的信号。3.2.2北斗系统的通讯优势北斗系统采用扩频通信方式，所谓扩频通信，就是扩展频谱通信的简称。它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，扩频通信系统的出现，被誉为是通信技术的一次重大突破。利用比原始信号（信源产生的信号）本身频带宽得多的射频信号的通信，全称是扩展频谱通信。在扩频通信系统中，发信端用一种特定的调制方法将原始信号的带宽加以扩展，得到扩频信号。收信端再对接收到的扩频信号加以处理，把它恢复为原来带宽的所要信号。扩频通信利用频谱扩展的原理，从而大大提高了通信的抗干扰能力。它可以在接收到信号比干扰信号弱很多的情况继续正常通信。用户随机接入系统进行多址通信，可以用不同的正交编码区分地址共同使用同一个频带，不但有效利用频带，而且也不会出现因为各个信道忙闲不均而产生的“呼叫损失”和“呼叫阻塞”。而且地址采用编码，在接收端没有相应的揭秘措施情况下，是不能解出信息的。因此，扩频通信具有抑制干扰能力强，信号便于隐蔽和保密，可用以实现具有随意选址能力的码分多址通信的优点。由此分析，北斗卫星采用码分多址的扩频通信方式，具有多址通信和增强抗干扰性的特点，强大的通信处理能力、通信实时快捷可满足军用和民用的需求，因此其应用前景非常广泛。3.3北斗系统信道分析3.3.1 北斗系统信道结构北斗系统通信结构其实就是一个基于地面基站和通信卫星的空地结合无线通讯网络。北斗卫星通信主体有三个，即终端、北斗卫星和卫星地面控制单元。北斗卫星的信道按内容可分为信令信道和通信信道。前者提供通信主体传送信令信息，后者用于数据的传送。每条信道分为上行段（主体单元至卫星）和下行断（卫星至主体单元），上行和下行使用不同的频段，具体情况是北斗卫星与地面控制中心之间使用C频段（频率在4-8 GHz的无线电波波段），终端与北斗卫星之间使用L频段（L波段是指频率在1-2 GHz的无线电波波段），下行使用S频段（频率在2-4 GHz的无线电波波段 ）。在L波段和S波段发送导航信号，在L波段的B1(1559.052MHz-1591.788MHz）、B2(1166.220MHz-1217.370MHz)、B3(1250.618MHz1286.423MHz)频点上发送服务信号，包括开放的信号和需要授权的信号。通信信道结构：发送终端-北斗卫星（S1）-地面控制中心-北斗卫星（S2）-接收终端，发送终端和接收终端通过俩个北斗卫星建立通信信道。信令信道是终端与地面之间的信令相互传送信道，终端通过信令信道向地面中心发送呼叫请求信令和通信结束信令，地面中心通过信令信道向终端发送信道分配信令。北斗卫星S2 北斗卫星S1 发送L波段 接收S波段 地面控制中心 C波段 主叫终端 被叫终端 图3.3.1 北斗卫星通信信道结构 3.3.2 北斗系统的信道分配方式北斗系统按照申请分配集中控制的方式类分配信道，地面控制中心根据通信终端的申请分配信道。具体过程：主叫终端发送通信申请信号，地面控制中心收到这这一申请信号，并对用户身份进行鉴别，再查询出被叫的目的终端以及卫星向主叫终端和被叫提供信道的可能性，如果有空闲信道，则分配给这个用户，从而使主叫和被叫通过卫星和地面中心互相连接起来，建立通信信道。通信结束后，终端通过信令信道向地面中心发送请求结束信令，地面中心在确定一次呼叫完成后，便回收主叫和被叫之间的通讯信道，并将此信道备用给其他用户。3.4 北斗定位系统的适应性分析3.4.1北斗系统的优点（1）通信畅通率高： 北斗系统具有较高的通信畅通率，支持多用户并发处理，通信快速，端对端之间的传输可在1秒内完成，因此，系统可以满足大容量数据传送。短时间数据采集要求。（2）快速定位：北斗系统提供的定位功能是以主从请求响应模式进行的，即用户首先使用北斗用户机发出定位请求，北斗卫星地面控制中心在接收到请求后对用户机位置进行计算，然后通过卫星转发到用户机。尽管系统的定位服务流程复杂，但系统的响应时间非常快，从用户机发出请求到完成定位，时间通常不超过一秒。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20100米（3）双向短报文通信： 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。与GPS相比它不仅能使用户知道自己所在位置，还可以告诉别人自己所在位置，即可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救。地理信息实时查询等。 （4）抗干扰，保密性强：北斗系统采用码分多址的直接序列扩频（DS）方式，具备很强的抗干扰能力和保密性，可以保障数据可靠安全的传输。 （5）抗衰减性 北斗系统采用L/S/C波段，减小了恶劣天气对该波段的影响，保障了系统的全天候使用。 3.4.2北斗系统与GPS比较 已经使用的北斗一代系统和美国的GPS系统在整体上没有明显的差别，都是提供导航、定位和授时服务，而且最终目的均是实现全球服务。但俩者的技术特点很大的不同，主要区别如表下所示：导航系统北斗系统（北斗一代） GPS覆盖范围第一代覆盖我国本土及周边国家；第二代覆盖全球覆盖全球97%的面积卫星组成数 量第一代3颗卫星（俩颗工作，一颗备用）；第二代建成后由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星24颗卫星（21颗工作卫星，3颗备用卫星）轨道特性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约60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。航卫星为准同步轨道授时组网方式各工作站独立工作；网络同步可靠性高；抗灾能力强；易维护各工作站独立工作；网络同步可靠性高；到达地面的卫星信号较强；抗灾能力强，易维护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100nsGPS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生存能力北斗系统是基于中心控制系统和卫星的工作，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，具有易损性GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自位解算在哪里，一旦地面控制中心遭受破环，还可以工作用户容量采用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必须要接收地面中心控制系统的询问信号和用户设备向同步卫星发射应答信号，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。授时可靠性采用地球同步卫星做测量，在移动静态应用中，可以确保永远接受到同一颗卫星，从而保证正规授时应用的稳定性和可靠性采用低轨运动卫星，容易发生卫星切换和卫星定位精度突跳定位方式有源定位，需要地面用户通过中心站联系及地面中心站的传输无源定位，不需要地面站中转 中国北斗与美国GPS基本数据对比通过对比我们可以清晰看到北斗系统的特点，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。此外，该系统具有很好的兼容性，因此，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。北斗系统的定位作业需要中心站直接参加工作，中心站在每次定位过程中都处于核心的位置。这使它具有一些与系统不同的特殊特性。第一，从北斗系统的定位过程可以看出，它是一个有源系统，用户机在定位过程中必须发射信号。这是它与系统最大的不同。需要地面用户通过中心站联系及地面中心站的传输，因此其生存能力受到很大的限制。第二，北斗系统每次作业都是用户机发送请求，经过地面中心站测算出坐标，然后发给用户机。这种工作方式使北斗系统存在着用户容量限制，凡是未经过授权的用户无法利用北斗系统进行定位作业，因而具备极好的保密性和反利用性。第三，北斗系统一次定位需要 测距信号中心站卫星用户机往返俩次，因而费时比较长，从用户机发出定位请求到收到定位数据大约需要一秒钟，因此它不适合飞机、导弹等高速飞行的移动目标定位。根据以上分析，北斗系统与GPS系统的最大不同，就在于它采用了有源定位和集中计算的工作机制。从计算机的角度看，北斗系统实际就是一个主机终端的集中式计算机网络系统。相比之下GPS系统采用24颗卫星组成的星座只提供测距信号，计算由各个用户机自行完成。采用RDSS（卫星无线电测定业务，英文全称Radio Determination Satellite Service）机制的北斗与采用采用军用P码的GPS相比，在一些重要性能上还存在着一些差距。已建成的一代北斗系统是区域卫星导航系统，只能全天候、全天时用于中国及其周边地区；而GPS和GLONASS都是全球导航定位系统，在全球任何未被卫星信号遮蔽或干扰的区域都可以接收三维坐标。因此，我国双星定位的技术特点是区域性的。四、北斗卫星定位系统的应用4.1 北斗系统的应用北斗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。我国高度重视卫星导航系统的建设，一直努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。我国已建成的北斗导航一代系统，在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域发挥着重要作用。4.1.1 抗震救灾以汶川地震为例，地震之后，通讯基础设施被地震损坏，交通瘫痪。如何实时传递信息，掌握灾情动态成了巨大难题。此时，北斗系统大显伸手，卫星导航系统可以为全球用户提供全天时、全天候、高精度的导航、定位和授时信息，因此北斗系统可以为监测地块及边界带运动及应变地震前后变化提供重要的技术保障，并且担负了灾后的绝大部分通讯任务。首批进入灾区救援的武警官兵就是通过北斗卫星导航系统终端机发出了一束束生命急救电波。让后续的救援官兵即时掌握最新灾情和救援情况，北斗我救援工作提供了重要的信息支援，也为了其他的灾情处置提供了信息技术支撑。4.1.2 安全保卫2008年8月8日，是全国人民振奋人心的日子。我们几代人的梦想终于实现了，第29界奥运会在北京举办。北斗系统在交通监测、场馆安全保卫及定位监控等方面发挥强大作用。北斗系统为奥运会交通调度和场馆监控提供全程区域导航服务。调度中心通过卫星传递的讯息，进行整合不仅可以为司机提供用时最短的的路线，而且还可以对危险品及特定运输车辆实时监控，并进行主动干预和只能控制。北斗技术在10年上海世博会进行推广应用，并且也为世博园区及其周边提供服务，北斗系统以其优质的服务得到国外的赞誉，并且也带动了其他相关产业的发展。4.1.3 船舶监控随着我国的经济发展，我国的利益边疆不断延伸。远洋航行的船舶导航及信息安全传递一直依赖国外卫星导航系统。在海事管理中应用的北斗系统，必将对船舶的航行安全起着重大作用，改变海上交通管理体系，同时拓宽了海事管辖的范围。船载的北斗设备和岸上的海事监控中心都可以对航行过程和区域内船舶动态变化情况监控，减少船舶海难事故，通过统一的管理提高船舶的通行效率。在突发还难事故面前，积极组织救援，减少损失海上运输通畅，促进海洋经济和水运事业的发展。例如在湄公河惨案发生后，我国迅速组织相关部门并与老挝警方沟通，组织破案，一定要查办真凶还人民以公道。，此案犯罪过程境外、案犯在境外，侦查抓捕在境外，为中国首例。有人说，这次境外追捕难度超过美国在巴基斯坦捕杀本拉登。最大的困难是情报的掌握和分析滞后，必须靠更加及时灵活的情报，能够控制外国号码并保证侦查人员在境外联络的安全。在缉拿湄公河惨案元凶的过程中，北斗功不可没，用常规方式接入国外信号网络，往往会暴露位置和身份，此前糯康犯罪集团多次逃脱追捕，有此原因，专案组最后是使用北斗卫星导航系统进行联络。由于北斗系统的支持，对犯罪嫌疑人进行监听、定位、分析、筛选，目标锁定，最终将犯罪元凶糯康抓捕归案。在北斗系统的技术支持下，湄公河船舶调度管理中心于2002年12月正式建成开通，该系统为航行过程中的船舶提供位置定位，同时利用北斗系统的短电文通信功能实施船舶作业调度指挥。系统运行以来，很好的解决了江上船舶管理、指挥和救险问题，实施通信和精确定位为用户通过了优质的服务。4.1.4 军事应用北斗系统的应用对我国的国防现代化具有重要意义。北斗系统让我们摆脱导弹、舰艇、飞机等对GPS定位导航的依赖，加强战时武器、通信系统的自主性，实现部队导航定位的国产化。如果中美之间爆发战争的话，那第一枪肯定在太空中打响，在现代战争中谁掌握了信息化的“制高点”，谁就掌握了战争的主动权。海湾战争中，伊拉克发射了上千枚的导弹，但全部被美国的“爱国者”在空中放了烟花；伊拉克战争中，伊拉克的雷达站、军用机场一夜之间化为乌有，完全丧失了仿空力量。美国凭什么在最近的几十年中逢战必胜。如果美国不是航天大国，没有GPS， 何来的精准拦截和强大的精确打击能力呢。如果中日再次爆发战争，美国也许不会出兵帮忙但