北斗星定位系统

中国的GPS——北斗星导航定位系统

2003年5月25日零时34分,“长征”运载火箭在西昌卫星发射中心成功地将第三颗“北斗—号”导航定位卫星送上太空。这次发射的“北斗一号”是北斗星导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗一号”工作星(分别于2000年10月31日和12月21日发射升空)组成了中国完整的卫星导航定位系统,确保全天候、全天时提供卫星导航信息。它标志着中国已建立了完善的第一代卫星导航定位系统,对保障中国的经济安全和国防安全将发挥重要作用。


北斗星导航系统的原理和性能


北斗星导航定位系统(简称北斗系统)由空间星座、地面控制中心系统和用户终端三部分构成。地面控制中心系统作为整个系统的功能中枢,完成用户终端位置解算、通信信息转发、用户数据保存、系统监控管理等一系列功能,可为用户提供定位、通信和授时服务。用户终端是直接由用户使用的设备,用于发送定位请求和通信信息,接收定位信息、通信信息和定时信息,实现单机定位和双向数字简短报文通信功能,也可作为自主导航和精确授时设备。

北斗系统采用主动定位方式,先由用户终端主动向地面控制中心发出定位请求(入站),地面控制中心根据用户请求信号,测量并计算出用户到两颗卫星的距离,并根据中心存储的数字高程地图或用户请求中所带的测高信息算出用户到地心的距离,再由这三个距离按三球交会测量原理进行定位解算,然后将解算结果上星广播(出站)由该用户终端接收,这样就完成了与GPS精度相当的快速实时定位过程。通过这种信号传输和信息转发,北斗系统还实现了其每次多达100个以上汉字的简短数字报文通信和几十纳秒级精度的精密授时功能。

我国的北斗导航系统与美国GPS和俄罗斯GLONASS有很大的不同:一是使用范围不同。“北斗—号”是区域卫星导航系统,只能用于中国及其周边地区;而GPS和GLONASS都是全球导航定位系统,在全球任何一点都能导航定位。二是卫星的数量和轨道不同。“北斗一号”只有3颗,位于高度近3.6万km的地球同步轨道;而GPS和GLONASS都是多星系统。三是定位原理不同。“北斗一号”是用户先发射需要定位的信号,通过卫星转发至地面控制中心,地面控制中心解算出位置后再通过卫星转发给用户;而GPS和GLONASS用户只需要接收4个卫星的位置信息,由自己解算出三维坐标。由于“北斗一号”是两维导航系统,观测量的取得及定位解算均在地面中心站进行,卫星和用户机具有转发或收发信号功能,这实际上就具有了一定的通信功能,这是GPS和GLONASS所不具备的。据西方媒体报道,在战时,“北斗一号”可为中国军队的高精尖武器提供精确的卫星制导,为战场的士兵提供准确的战场环境资料,对提高中国的国防现代化水平有着重要的意义。四是定位精度不同。GPS定位精度可达15 m,测速精度0.1m/s;GLONASS导航定位精度约为30~100 m,测速精度0.15m/s;“北斗一号”定位精度达数十米,还有简短的数字报文通信功能。


北斗信息服务系统

北斗系统的典型应用方式为一台指挥型用户机配置多台普通型用户机,可实现对下属用户的监控和指挥。该应用方式组网方便、结构简单,但从系统整体而言,这种方式并不十分理想,原因在于:首先,上述应用方式未能对地面控制中心存贮的大量用户信息资源加以利用,从而造成资源浪费;其次,当下属用户与指挥型用户之间频繁通信时,会占用地面控制中心较多的出站资源,对地面控制中心造成较大的出站压力。解决的办法是建立北斗信息服务系统,经由地面网络(专用光纤、DDN、帧中继等)将控制中心存贮的用户信息向外传输和加以利用。集团用户则可通过北斗信息服务系统直接或间接地接入地面控制中心,实时获取其下属用户信息,从而实现对下属用户的实时监控和调度管理。

北斗信息服务系统的研制成功,打通了集团用户与北斗地面控制中心之间的数据通道,使得北斗系统的大规模集团用户应用成为可能。与北斗信息服务系统一起研制完成的还有北斗天现集团用户中心(指挥所)设备,它综合运用GIS、MIS和计算机网络等技术,为民用集团用户和军队各级指挥机关提供其下属用户定位及短报文信息,完成信息的管理、监控、显示、分析、存储及查询,对下属用户实施指挥调度

北斗星导航系统与GPS系统比较(节选)

1、覆盖范围:北斗导航系统是覆盖中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是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到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°。航卫星为准同步轨道,绕地球一周11小时58分。[虚

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自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题,一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性,这在军事上相当不利,另一方面由于设备必须包含发射机,因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。

4、定位精度:北斗导航系统定位精度约几十米,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。

5、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。

6、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性,一旦中心控制系统受损,系统就不能继续工作了。

7、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,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,

1. “北斗”具有定位和通信双重作用,具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。

2. “北斗”定位精度一点二米

3. “北斗”终端价格两万元左右

4.采用接收终端不需铺设地面基站

5.灾难中心的船只一秒钟就可以发出信息

对比 :

1. 其规模太大、造价太高,其他国家很难效仿,俄罗斯和欧洲的空间局就是典型的例子。

2. GPS只能用作导航却无法实现通信功能,因而不能满足日益增长的用户需求。如果仅依赖GPS,则容易受别人的控制。民用卫星定位系统,这方面的应用业务刚刚开始,在这之前民用的一些试验试点工作已经开展一年多了。

“北斗一号”和GPS的区别主要在于两个方面,一方面是技术体制的区别,GPS是一个接收型的定位系统,只转播信号,用户接收就可以做定位了,不受容量的限制。“北斗一号”是双向的,既有定位又有通信的系统,但是有容量的限制,GPS是美国军方控制的军民共用的系统,对世界开放。我们中国人所说的使用的GPS是可以免费接收它的信号,但美国人并不承诺保证你的使用,他目前不收费,但没有承诺永远不收费。

美国的GPS在当年刚刚被使用时要比“北斗一号”贵得多,早期在上世纪80年代末90年代初人们在用GPS系统时最便宜的GPS接收机就要几万美元,贵的要几十万美元,一套两个。北斗现在的用户终端的价格是比GPS低端的价格要贵,现在GPS价格一般导航系统在几千元人民币,高精度GPS几万到十几万元人民币不等。北斗的用户终端目前在两万元左右。

另一个问题就是它的用途和特点是不一样的,GPS解决了一个我在哪里的定位问题,比如在沙漠里,在海洋上。而北斗不仅仅解决了我在哪里,它还解决你在这里他在哪里的问题,北斗的用户终端实际是具有收发功能,而GPS只具有接收功能,它通过接收才知道位置,而北斗是具有收发功能,它的定位需要发射然后再得到位置,同时它的位置可能传给你也可以传给关心你的人,实际上北斗是具有一个定位和通信双重功能的设备,在用户群上是不一样的,接收的场合是不一样的。

北斗当年论证的时候,国家地震局地震研究所的一位研究员出了一份论证报告就是谈这个问题的,北斗系统将成为一个生命线工程,就是和人类生存活动相关的一些工程,比如说大地震,地震后我们所有的有线系统都可能失去功能,而北斗系统作为一个卫星监视系统既可以有及时的位置报告,又可以通信,比如说海啸,实际上是由地震引起的,北斗去做救援是非常有用的,它可以及时地发送位置和与位置有关的相关信息,我们可以把信息发送给有关部门。价格问题,实际上价格和用户的数量有关系,一千个用户与一万个、十万个用户来比,用户终端的成本会有很大不同,现在主要的成本就在用户终端里,北斗用户终端刚才说了是有发有收的,随着用户业务的开展,成本一定会降下来。 所以说“北斗”是平民化的

北斗一号”的潜力所在,主要在定位通信综合领域上,对这种综合功能有需求的领域都会得到充分的应用,现在仅有定位需要的客户,对北斗的需要不迫切。但是对于既需要位置又需要把位置传递出去的用户,北斗卫星导航定位系统是非常有用的

按照规定,目前,北斗导航系统在国内是开放使用的。

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