淺談北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

劉榮和

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

淺談北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

劉榮和

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

本文簡介了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的歷程，以及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展情況，并對北斗產(chǎn)業(yè)進行了探討。關(guān)鍵詞：北斗；定位；導航；衛(wèi)星

1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)展狀況

隨著美國GPS系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大,很多國家也加緊開發(fā)研制獨立自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng),進入全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)大發(fā)展時期,多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的運行,勢必打破單一衛(wèi)星導航系統(tǒng)的壟斷局面,更好地為全球民用用戶提供更精確、更安全的導航定位服務(wù)。

前蘇聯(lián)于19 9 3年開始發(fā)展“格洛納斯”（GLONASS）全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；歐盟于1999年計劃建設(shè)“伽利略”（GALILEO）全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；中國在1994年已經(jīng)開始立項研究“北斗”（BDS）全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)”；美國2014年恢復(fù)銥星系統(tǒng),2016年6月宣布支持全球衛(wèi)星定位服務(wù)。

區(qū)域衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)服務(wù)特定區(qū)域滿足生產(chǎn)、生活、軍事等需求。例如,中國北斗一代（過渡期）；日本準天頂導航系統(tǒng)QZSS；印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)IRNSS。

GPS星基增強系統(tǒng)是為了提高GPS系統(tǒng)的定位精度和可靠性。例如,美國的廣域擴充系統(tǒng)WAAS,該系統(tǒng)配合地面站臺以提供GPS校正訊號,讓我們得到更準確的定位；歐洲靜止導航重疊服務(wù)系統(tǒng)EGNOS,對GPS信號進行校準和信號強度的提高；日本衛(wèi)星廣域增強系統(tǒng)MSAS,即多功能衛(wèi)星系統(tǒng)。通過對GPS增強以滿足用戶需求；印度輔助型靜地軌道增強導航GAGAN,是基于GEO輔助的GPS增強導航系統(tǒng)。

圖1 GPS區(qū)域、增強系統(tǒng)分布示意圖

100米是最初GPS系統(tǒng)的精度,這是由于美國政府干擾GPS的訊號導致的限制,15米是正常的GPS定位精度,3～5米是正常的GPS校正下的精度, 0～3米是正常GPS增強的精度。

圖2 標準定位與增強定位

2 北斗系統(tǒng)簡介

北斗系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展分為三個階段,第一階段稱為“北斗一代”從2000年至2007年共發(fā)射4顆衛(wèi)星,提供中國區(qū)域內(nèi)的定位、授時、短信服務(wù),一代覆蓋范圍東經(jīng)約70°～140°,北緯5°～55°。這個階段是實驗階段,即用少量衛(wèi)星在地球同步靜止軌道來完成試驗任務(wù),為“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)積累技術(shù)經(jīng)驗,研制一些地面應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等,這個時期的定位方式為區(qū)域有源定位。

“北斗一代”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,可向用戶提供水平精度約100米的定位服務(wù),以及約20ns～100ns時間同步精度的時鐘,系統(tǒng)設(shè)計最大用戶數(shù)約50萬戶/小時。由于是采用少量衛(wèi)星實現(xiàn)的有源定位,該系統(tǒng)成本較低,但是系統(tǒng)在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數(shù)、隱蔽性等方面均受到限制。另外,該系統(tǒng)無測速功能,不能用于精確定位導航。

第二階段稱為“北斗二代（一期）”從2007年至2012年共發(fā)射16顆衛(wèi)星,提供亞太大部分地區(qū)的定位、授時服務(wù),這個階段可逐步實現(xiàn)區(qū)域無源定位。“北斗二代”系統(tǒng)保留了短報文的功能,其他的功能與美國的GPS系統(tǒng)相當。

第三階段稱為“北斗二代（二期）”從2012年至2020年左右,北斗系統(tǒng)形成全球覆蓋能力,并完成全球的定位與服務(wù)工作,這個階段可逐步實現(xiàn)全球無源定位。我國逐步邁向北斗全球衛(wèi)星系統(tǒng)的授時、定位時代。

圖3 北斗系統(tǒng)覆蓋示意圖

3 北斗系統(tǒng)基本組成與各部分功能

北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成。

3.1 空間段

北斗系統(tǒng)由空間段計劃由35顆衛(wèi)星組成,包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。目前,北斗一代系統(tǒng)的空間段衛(wèi)星是由2顆地球同步衛(wèi)星和1顆備份星組成,用于建立地面中心站與用戶終端之間的雙向通信鏈路。兩顆衛(wèi)星中,一顆叫主動星,負責轉(zhuǎn)發(fā)地面中心站的詢問信號至共同覆蓋區(qū),并轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)信號至地面中心站；另一顆叫被動星,它只負責轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)信號至地面中心站。

空間衛(wèi)星主要由天線分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、指令和遙測分系統(tǒng)、推進分系統(tǒng)、穩(wěn)定分系統(tǒng)和太陽電池陣列組成,具有導航定位信號生成與發(fā)送,接收存儲導航電文,接受地面站指令并進行相關(guān)操作等功能。主要完成地面中心站、終端站點之間的無線電信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能,以及星位、時鐘信息廣播等工作,衛(wèi)星在空間與終端站點構(gòu)成一定的幾何關(guān)系,從而有較好的幾何條件對終端站點進行位置解算,完成信息傳遞和測距。

3.2 地面段

地面段由分布在全球的若干個跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成,根據(jù)作用不同,這些跟蹤站又被劃分為1個主控站、若干監(jiān)控站和若干注入站,在北斗一代系統(tǒng)中還設(shè)置有標校站,它們負責對衛(wèi)星進行控制并收集由衛(wèi)星傳回的信息,并計算衛(wèi)星星歷、相對距離、大氣校正等數(shù)據(jù),再將計算好的數(shù)據(jù)回傳給衛(wèi)星。

（1）主控站是衛(wèi)星系統(tǒng)的操作和監(jiān)控中心,用于系統(tǒng)運行管理與控制,由地面控制中心、地面數(shù)據(jù)處理中心、網(wǎng)管中心三部分組成。地面控制中心具備天線系統(tǒng)、伺服系統(tǒng),射頻系統(tǒng)（包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)）,主控站通過衛(wèi)星和用戶收發(fā)信機構(gòu)成上、下行鏈路。數(shù)據(jù)處理中心接收地面控制中心的解調(diào)數(shù)據(jù),處理后送地面控制中心最后再送至各類用戶站。主控站負責從各個監(jiān)控站收集衛(wèi)星數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星軌道參數(shù)和時鐘修正參數(shù)等,并將其進行編碼發(fā)送到各注入站再通過注入站注入衛(wèi)星,向衛(wèi)星發(fā)布指令控制衛(wèi)星,當衛(wèi)星出現(xiàn)故障時調(diào)度備用衛(wèi)星。主控站通常可兼作監(jiān)控站,其主要功能有：定位、通信、授時信號的產(chǎn)生；快速捕獲用戶終端的響應(yīng)信號,鑒定用戶返回確認信號；計算衛(wèi)星位置及衛(wèi)星姿態(tài)遙測、控制；用戶終端位置計算；通信數(shù)據(jù)交換與分配；對數(shù)據(jù)編碼,形成PN碼和出站幀；播發(fā)時間頻率校準,系統(tǒng)群延遲的校準。

（2）監(jiān)控站裝備有高精度的接收機、精密銫鐘和用戶接收機等設(shè)備,對能監(jiān)控到的所有衛(wèi)星進行連續(xù)地高精度跟蹤接收衛(wèi)星信號,可實現(xiàn)對衛(wèi)星的監(jiān)測,以確定衛(wèi)星軌道,并為時間同步提供觀測資料。借助電離層和氣象數(shù)據(jù),采用平滑的方法對跟蹤測量所得的數(shù)據(jù)進行處理,最后將計算結(jié)果傳送到主控站。

監(jiān)控站的兩個主要任務(wù)：一是輔助主控站完成維持系統(tǒng)基本功能的任務(wù),包括求取定軌、衛(wèi)星鐘差等參數(shù)；二是實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀況,從而提高整個系統(tǒng)的精度、完好性、連續(xù)性、和可用性。

（3）注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號,對衛(wèi)星進行控制管理,主要功能是將主控站發(fā)送來的衛(wèi)星星歷和時鐘修正參數(shù)等信息,按規(guī)定的時間注入到衛(wèi)星的存儲器中,注入站通?？膳c監(jiān)控站并置。

（4）標校站。北斗一代系統(tǒng)中還涉及到標校站,這些站點一般設(shè)置在國家三角點、水準點、圖根點等已知坐標和高程的位置,間距離以200公里為宜,負責衛(wèi)星軌道位置監(jiān)測,系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)的高度測量,位置坐標的修正值測算,這些測算數(shù)據(jù)都將發(fā)送給主控站,用于系統(tǒng)的定位計算。

3.3 用戶段

用戶段主要是由北斗用戶終端,以及與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端組成,具體來講就是各種類型的定位設(shè)備（接收機）,它們可分為有源、無源兩類。接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分,主要作用是從導航衛(wèi)星接收信號并利用傳來的信息計算用戶的三維位置及時間。這些設(shè)備按照用途大致可分為導航型（運動型）、測地型（固定型）、授時型三種。

（1）導航型設(shè)備用于車輛、船舶、飛機等運動載體的導航定位,它可以實時給出載體的位置和速度,一般采用C/A碼偽距測量,最常見的是定位導航儀,由硬件、定位數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成,配合地圖軟件使用,主要功能是能夠按一定衛(wèi)星截止角捕獲待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行取得相關(guān)數(shù)據(jù),解算出載體位置速度等信息。

（2）測地型設(shè)備由主機、天線、支撐架等構(gòu)成,這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位,定位精度高,常用于精密大地測量、地球物理資源勘探、精密工程測量、變形監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測等。

（3）授時型設(shè)備主要利用衛(wèi)星提供的高精度標準時間進行授時,常用于天文臺、無線電通信終端時間同步。

4 結(jié)束語

北斗系統(tǒng)是我國自主建設(shè)的衛(wèi)星導航系統(tǒng),它的建立使我國躋身于全球?qū)Ш较到y(tǒng)前列,打破了歐美在導航技術(shù)領(lǐng)域的壟斷地位,使中國用戶不再單一依賴美國GPS導航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)的建立將會帶動我國制造業(yè)、芯片、北斗終端設(shè)備、通信位置服務(wù)等一系列產(chǎn)業(yè)鏈。衛(wèi)星導航以其高精度、低成本、全天時、全天候等特點,廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟社會建設(shè)的各個領(lǐng)域,對于滿足公眾出行、加強位置信息動態(tài)監(jiān)測、降低生產(chǎn)經(jīng)營安全風險,防災(zāi)減災(zāi)、提高運輸效率,都具有重要積極的作用,它必將成為國家不可或缺的信息基礎(chǔ)設(shè)施。

[1]中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會．衛(wèi)星導航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用．北京：測繪出版社,2015

[2]魯郁．北斗/GPS雙模軟件接收機原理與實現(xiàn)技術(shù)．北京：電子工業(yè)出版社,2016

[3]北斗系統(tǒng)簡介．北斗網(wǎng),引用日期2014-12-7

[4]淺談GPS定位系統(tǒng)構(gòu)成及原理．中國電子網(wǎng),2012-09-17

[5]衛(wèi)星導航系統(tǒng)．百度百科,引用日期2015-02-25

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.12.013

TN96 文獻標示碼：B

1672-7274（2016）12-0048-03