北斗卫星导航系统常识说明介绍

1、北斗卫星导航系统常识简介一、北斗卫星导航系统现状中国北斗卫星导航系统BeiDou Navigation Satellite System, BDS是中国自行研制的全球卫星导航系统.是继美国全球定位系统GPS、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统GLONASS之后第三个成熟 的卫星导航系统.北斗卫星导航系统 BDS和美国GPS俄罗斯 GLONAS肱盟GALILEO是联合国卫星导航委员会已认定的供给商.北斗卫星导航系统由空间段、 地面段和用户段三局部组成,可在 全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导 航、授时效劳,并具短报文通信水平,已经初步具备区域导航、定位 和授时水平,定位精度10

2、米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳 秒.北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星又称24小时轨道, 指轨道平面与赤道平面重合,卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中 的自转周期,且方向亦与之一致,即卫星与地面的位置相对保持不变, 故这种轨道又称为静止卫星轨道.一般用作通讯、气象等方面和 30颗非静止轨道卫星组成,2021年左右,“北斗系统将覆盖亚太地 区,2021年左右覆盖全球.中国正在实施北斗卫星导航系统建设, 截止2021年10月已成功发射16颗北斗导航卫星.2000年,首先建成北斗导航试验系统,使我国成为继美、俄之 后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家.北斗导航系统是覆盖中国外乡

3、的区域导航系统,覆盖范围东经约70.-140.,北纬5° -55 °.北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖.该系统已成功应用 于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共 平安等诸多领域,产生显著的经济效益和社会效益.特别是在2021年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用.北斗产业应用前景广阔,预计到2021年,仅北斗卫星导航市场将 到达年产值4000亿元人民币,年复合增长率到达 40%U上.中国科 学院院士、中国工程院院士、著名测量与遥感学家李德仁介绍说二、卫星定位原理北斗卫星导航系统35颗卫星在离地面2万多千米的高空上,以固 定的周期环绕地球运行,使得

4、在任意时刻,在地面上的任意一点都可 以同时观测到4颗以上的卫星.由于卫星的位置精确可知,在接收机对卫星观测中,我们可得到 卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置X,Y,Z.考虑到卫星的 时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有 4个未知数,X、Y、Z和钟 差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到 观测点的经纬度和高程.事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫 星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成假设干组,每组 4颗,然后 通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提升精度.卫星定位实施的是“到达时间差时延的概念：利用每

5、一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫 星至接收机的到达时间差.卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号,供接收 机接收.由于传输的距离因素,接收机接收到信号的时刻要比卫星发 送信号的时刻延迟,通常称之为时延,因此,也可以通过时延来确定 距离.卫星和接收机同时产生同样的伪随机码, 一旦两个码实现时间 同步,接收机便能测定时延；将时延乘上光速,便能得到距离.每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位 置和系统时间,而全球监测站网保持连续跟踪.13三、卫星导航原理卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收 机的时间之差,称为伪距.为了计算

6、用户的三维位置和接收机时钟偏 差,伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号.由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号 的影响,使得民用的定位精度只有数十米量级.为提升定位精度,普 遍采用差分定位技术如DGPSDGNSS,建立地面基准站差分台 进行卫星观测,利用的基准站精确坐标,与观测值进行比拟,从 而得出一修正数,并对外发布.接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比拟,消去大局部误差,得到一个比拟准确的位置.实验表 明,利用差分定位技术,定位精度可提升到米级.四、定位精度中国北斗卫星导航系统是继美国 GPS俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽 利略之后的全球第四大卫星导航系统. 定位效果

7、分析是导航系统性能 评估的重要内容.此前,由于受地域限制,对北斗全球大范围的定位 效果分析只能通过仿真手段.由武汉大学测绘学院和中国南极测绘研究中央杜玉军、王泽民等 科研人员进行的这项研究,在2021 2021年中国第28次南极科学考 察期间,沿途大范围采集了北斗和 GPSS续实测数据,跨度北至中国 天津,南至南极内陆昆仑站.同时还采集了中国南极中山站的静态观 测数据.为比照分析不同区域静态定位效果, 在武汉也进行了静态观 测.科研人员利用严谨的分析研究方法,从信噪比、多路径、可见卫 星数、精度因子、定位精度等多个方面,比照分析了北斗和 GP碓航 线上不同区域、尤其是在远洋及南极地区不同运动状

8、态下的定位效果.结果说明,北斗系统信号质量总体上与 GPSlf当.在45度以内的 中低纬地区,北斗动态定位精度与GPSf当,水平和高程方向分别可 达10米和20米左右；北斗静态定位水平方向精度为米级,也与 GPS 相当,高程方向10米左右,较GPS各差；在中高纬度地区,由于北 斗可见卫星数较少、卫星分布较差,定位精度较差或无法定位.“现阶段的北斗已经实现区域定位,但还不具备全球定位水平,北斗与GPSS定位效果上的差异,主要是由卫星数量和分布造成的.武汉大学中国南极测绘研究中央副主任王泽民教授说 研究数据采集 时北斗系统在轨卫星数为11颗.五、系统功能1、短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文

9、通信功能,用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息.可以到达一次传送达 120 个汉字的信息.在远洋航行中有重要的应用价值.2、精密授时：北斗系统具有精密授时功能,可向用户提供20ns-100ns时间同步精度.3、定位精度：水平精度100米1t,设立标校站之后为20米类似差分状态.工作频率：2491.75MHz4、系统容纳的最大用户数：540000户/小时.产业配套北斗芯片2021年12月27日,国家正式宣布北斗卫星导航系统试运行启动, 标志着中国自主卫星导航产业开展进入崭新的开展阶段.其中,卫星导航专用ASIC硬件结合国产应用处理器的方案,成为北斗卫星导航 芯片一项重大突破.该处理器由中

10、国外乡 IC设计公司研发,具有完 全自主知识产权并已实现规模应用,一举打破了电子终端产品行业普 遍采用国外处理器局面.卫星导航终端中采用的导航基带及射频芯片,是技术含量及附加 值最高的环节,直接影响到整个产业的开展.在导航基带中,一般通 过导航专用ASIC硬件电路结合应用处理器的方案来实现.此前的应 用处理器多项选择用国外公司 ARMt理器芯片核,需向国外支付IP核使 用许可费用的同时,技术还受制于人,无法彻底解决产业平安及保密 平安问题.而通过设立重大专项应用推广与产业化工程等方式,北斗多模导 航基带及射频芯片国产化现已实现,中国人自己的应用处理器也在北 斗多模导航芯片中得到规模应用.BD/

11、GPS模基带芯片解决方案中,卫星导航专用 ASIC硬件结合 国产应用处理器打造出了一颗真正意义的“中国芯.该应用处理器 为国内完全自主开发的CPU/DS骇,包括指令集、编译器等软件工具 链以及所有关键技术,均拥有100%勺中国自主知识产权.其拥有国际领先水平的多线程处理器架构, 可共享很多硬件资源,并在提供相 当多核处理器处理水平的同时,节省芯片本钱.而基于该国产处理器卫星导航芯片方案的模块,是全球体积最小 的BD/GP或模模块,具有定位精度高、启动时间快及功耗低等特点.与单纯的北斗芯片厂商相比, 芯片厂商对终端定位有着更深 刻的理解,包括：基站辅助卫星定位技术、多种定位方案的融合、定 位芯片

12、与应用处理器或基带处理器的集成等. 积极扶持国内 芯片 厂商进入北斗芯片研发领域,并积极研发综合定位解决方案,壮大完 善北斗产业链.鼓励国内 芯片厂商开展与北斗芯片厂商的多样化 合作,共同推进 终端北斗定位技术的应用.15检测认证2021年8月3日,解放军总参谋部与国家认证认可监督治理委员 会在北京举行战略合作协议签约仪式.中国将用3年时间建立起一个“法规配套、标准统一、布局合理、军民结合的“北斗导航检测 认证体系,以期全面提升“北斗导航定位产品的核心竞争力,保证“北斗导航系统运行平安.北斗导航系统“北斗导航定位系统已经有11颗卫星在轨运行,拥有12万军民用户.到2021年前,“北斗导航定位系

13、统卫星数量将到达 30颗以上,导航定位范围也将由区域拓展到全球, 具设计性能将与美国第 三代GPSI航定位系统相当.随着“北斗导航定位系统的建设开展,“北斗导航应用即将 迎来“规模化、社会化、产业化、国际化的重大历史机遇,也提出 了新的要求.根据军地双方签署的协议,中国将在2021年前完成“北 斗导航产品标准、民用效劳资质等法规体系建设,形成权威、统一 的标准体系.同时在北京建设1个国家级检测中央,在全国按区域建 设7个区域级授权检测中央,加快推动“北斗导航检测认证进入国 家认证认可体系,相关检测标准进入国家标准系列.建立起“北斗导航检测认证体系,既是“北斗系统坚持军民 融合式开展的具体举措,

14、也对创立“北斗品牌,加速推进“北斗 产品的产业化、标准化起到重要作用.市场应用国际应用2021年5月22日至23日,国务院总理李克强访问巴基斯坦期间, 中巴双方签署有关北斗系统在巴使用的合作协议.日前,巴基斯坦媒体报道,中国北京北斗星通导航技术股份将斥资数千万美元, 在巴基斯坦建立地面站网,强化北斗系统的定位精确度.其次,全国政协副主席、中国科学技术部部长万钢日前透露,2021 年将中国在东盟各国合作建设北斗系统地面站网. 而根据中国卫星导航定位协会最新预测数据,到2021年,中国卫星导航与位置效劳产 业产值将超过2250亿元,至2021年那么将超过4000亿元.2021年7月26日,来自泰国

15、、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝、朝鲜、巴基斯坦等八个国家的19名学员代表赴武汉中国光谷北斗基地,参观学习中国最新的北斗技术. 他们是由中国科 技部国家遥感中央主办的“ 2021北斗技术与应用国际培训班的学 员,均为各国卫星导航、遥感、地理信息系统、空间探测相关专业或 从事相关治理工作的高级人员.活动为东盟及亚洲地区国家提供了以 北斗卫星导航系统为主的空间信息技术培训, 使中国北斗科技加快进 入东盟及亚洲国家.16国内示范2021年11月,国家开展改革委批复2021年北斗卫星导航产业区 域重大应用示范开展专项,成都市、绵阳市等入选国家首批北斗卫星 导航产业区域重大应用示范城市.17标

16、准制订北斗接收机国际通用数据标准的制修订是北斗全球应用和产业发展的根底性工作之一,与卫星导航接收机密切相关的RTC嘘分系列标准、RINE履收机交换数据格式、NME薇收机导航定位数据接口等 通用数据标准几乎是世界上所有卫星导航接收机都必须遵守的通用 标准.然而,全球有多个全球卫星导航系统GNSS接收设备技术标准制定组织,参与其中的中国企业和机构却寥寥无几.例如,成立于 1947年的国际海事无线电技术委员会RTCM目前有130多个成员, 却只有2家中国企业成员.成立于1957年的美国国家海洋电子协会 NMEA, 535个成员中只有1家中国企业成员.对于正式提供效劳 近两年的北斗系统而言,参与国际标

17、准的建设任重而道远.18全国北斗卫星导航标准化技术委员会于 2021年成立,15项北斗 应用根底标准正在制定中,局部关键标准方案在今年底对外发布. 届 时,北斗系统将完成北斗产业链中标准标准关键环节的布局, 北斗应 用也将进入标准化、标准化以及通用化的快车道. 18在国际方面,在中国民航局、交通部海事局、工信部科技司等部 门指导下,依托中国航天标准化研究所、北京航空航天大学、交通部 水运科学研究院、工信部电信研究院、武汉导航与位置效劳工业技术 研究院等科研院所,先后启动了北斗系统进入国际民航、海事、移动 通信、接收机通用数据标准等国际标准工作.经过各方协作和配合, 北斗国际标准工作捷报频传.国

18、际民航组织ICAQ同意北斗系统逐 步进入ICAO标准框架；国际海事组织IMQ批准发布了?船载北斗 接收机设备性能标准?,实现了北斗国际标准的零突破,完成了 北斗系统作为全球无线电导航系统WWRN辑要组成局部的技术认可 工作,有望在今年底成为第三个被IMO认可的WWRN需三代移动通 信标准化伙伴工程3GPP支持北斗定位业务的技术标准已获得通过.北斗已经开启了走向国际民航、国际海事、国际移动通信等高端应用领域的破冰之旅.182021年9月8日至9日,国际海事无线电技术委员会第 104专业 委员会RTCM SC-104全体会议在美国佛罗里达州坦帕市会议中央 召开,来自Trimble、Novatel、

19、Geo+ USCG美国海岸警卫队等 全球20多个GNSSfc精度知名企业机构和重要用户单位的 30多 位专家代表与会.武汉导航与位置效劳工业技术研究院和上海司南卫 星导航技术组团参加,圆满完成各项既定任务.18RTCM SC-10无要负责差分全球卫星导航系统DGNSS系列推荐 标准的制修订,以及参与接收机自主交换格式RINEX、接收机导 航定位数据输出接口协议NMEA-0183等国际通用数据标准的制修 订工作.该委员会由全球从事卫星导航设备生产、技术研发、系统服 务的知名企业机构成员组成,下设GLONASS Galileo、RINEX NMEA BD潴工作组.武汉导航院为 BDSX作组主席单位

20、,北斗专项应用推 广与产业化专家组专家韩绍伟博士任 BDS!作组主席.18会上,武汉导航院韩绍伟博士代表 BDSX作组,向委员会全体会 议汇报了对BDSNH的处理方法,澄清了对NH码实现过程中因符号 规那么理解差异造成的差分解算失效、 接收机无法兼容等问题,给出了 解决方案并获得委员会一致通过.该问题的解决消除了国际社会对 BDSS精度可靠应用的疑虑,对促进北斗高精度全球应用具有重要作 用.另外,韩绍伟博士代表BDST作组就BDSII航电文数据组识别符的研究进展向委员会全体会议进行了汇报,对其组成、产生、判别方 法等进行了探讨,该识别符是BDS现可靠实时差分应用的重要因素, 也是北斗进入RTC

21、嘘分标准的关键参数.BDSC作组将就该问题继 续与有关各方深入合作,寻求最终解决方案.18最后,BDSX作组提议2021年5月11-12日在中国西安召开 RTCMSC10桂体会议,并邀请专家参加 2021年5月13-15日在中国西安召开的第六届中国卫星导航学术年会CSNC201E,该提议获得委员会成员的通过.这是中国首次获得 RTCM SC10全体会议主办权,标志着以中国企业为主体推动北斗参加 RTCM、RINEX NME屋国际通用数据标准工作得到国际认可,显示了国际社会对北斗高精度全球应用的期待和信心,必将有助于加速北斗进入系列国际通用数据标准工作.18北斗卫星发射列表发射时间火箭卫星编号卫

22、星发 射 地 点2000年10月31日北斗-1A北斗 西2000年12月21日北斗-1B北斗-1C北斗-1D第一颗北斗导航卫星MD第二颗北斗导航卫星G2）第三颗北斗导航卫星G1）第四颗北斗导航卫星G3）北斗第五颗北斗导航卫星I 2号D第六颗北斗导航卫星G4）第七颗北斗导航卫星I2）第八颗北斗导航卫星I3）2003年5月25日2007年2月3日长征2007年4月14日0三号4时11分甲2021年4月15日长征2021年1月17日 三号丙2021年6月2日长征2021年8月1日05三号日寸30分甲长征2021年11月1日0三号0时26分丙2021年12月18日长征04时20分三号2021年4月10

23、日0甲4时47分2021年7月27日05时44分2021年12月2日05时07分长征2021年2月25日0三号 时12分丙长征2021年4月30日4三号 时50分乙长征2021年9月19日3三号 时10分乙长征2021年10月25日三号23时33分丙长征2021年3月30日2三号1时52分丙2021年7月25日2 长征0时29分三号第九颗北斗导航卫星I4）第十颗北斗导航卫星I5）第十一颗北斗导航卫星第十二、第十三颗北斗导 航系统组网卫星“一箭 双星第十四、十五颗北斗导航 系统组网卫星“一箭双星 " 3第十六颗北斗导航卫星4第十七颗北斗导航卫星5第十八、第十九颗北斗导 航卫星6-7长征

24、2021年9月30日7第二十颗北斗导航卫星三号时13分8乙 长征2021年2月1日15第二H一颗北斗导航卫三号时29分星9丙长征2021年3月30日4第二十二颗北斗导航卫三号时11分星10甲 长征2021年6月12日2第二十三颗北斗导航卫三号3时30分星11丙发射日期发射火刖卫星轨道类别运行状况备注2000.1CZ-3A Y北斗-废弃卫星轨道停止工北0.3151A作斗2000.1CZ-3A Y北斗-废弃卫星轨道停止工一2.2161B作号2003.5.CZ-3A Y北斗-地球静止轨道85.正常2571C3 E2007.2.CZ-3A Y北斗-废弃卫星轨道失效3121D2007.4.CZ-3A Y

25、北斗-中地球轨道21500km 正常,测1413M1试星2021.4.CZ-3C Y北斗-35594 x 36036 km失效153G2漂移2021.1.CZ-3C Y北斗-地球静止轨道140正常172G1E2021.6.CZ-3C Y北斗-地球静止轨道84 E 正常北24G3斗2021.8.CZ-3A Y北斗-倾斜地球同步轨道倾正常二116I1角55号2021.1CZ-3C Y北斗-地球静止轨道160正常1.15G4E2021.1CZ-3A Y北斗-倾斜地球同步轨道正常2.1818I2倾角552021.4.CZ-3A Y北斗-倾斜地球同步轨道正常1019I3倾角552021.7.27CZ-3

26、A Y17北斗-I4倾斜地球同步轨道倾角55正常2021.12.2CZ-3A Y23北斗-I5倾斜地球同步轨道倾角55正常2021.2.25CZ-3C Y6北斗-G5地球静止轨道58.5 E正常2021.4.30CZ-3B Y14北斗-M3中地球轨道21500km正常2021.4.30CZ-3B Y14北斗-M4中地球轨道21332km正常2021.9.19CZ-3B Y15北斗-M5中地球轨道21332km正常2021.9.19CZ-3B Y15北斗-M6中地球轨道21332km正常2021.10.25CZ-3C Y北斗-G6地球静止轨道110.5 E正常星座构成北斗卫星导航系统由空间段方案

27、由 35颗卫星组成,包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星.5颗静止轨道卫星定点位置为东经 58.75 、80、110.5 、140、160中地球轨道卫星运行在3个轨道面上,轨道面之间为相隔120°均匀分布.至2021年底北斗亚太区域导航正式开通时,已为正式系统在西昌卫星发射中央发射了 16颗卫星,其中14颗组网并提供效劳,分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星均在倾角55° 的轨道面上,4颗中地球轨道卫星均在倾角 55°的轨道面上.序号卫星发射日期火箭运行轨道使用状况状态1北斗-M12007 年 04月14日长征三号 甲中地球轨道,高度21559公里,倾角56.8试验星未使用M1