北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)知識第四次課

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)知識第四次課內(nèi)容概要衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求？什么是導(dǎo)航定位？？衛(wèi)星導(dǎo)航定位怎么實(shí)現(xiàn)的？？為什么需要衛(wèi)星導(dǎo)航定位？？怎樣更好利用導(dǎo)航定位服務(wù)生產(chǎn)生活？衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求—定位迷路是不知道自己在哪里，不能和已知的位置建立起方位和距離的聯(lián)系。定位，解決我在哪兒的問題。怎么定位？指南針地圖燈塔定位是確定在哪兒衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求—定位定位是確定在哪兒手機(jī)信號定位衛(wèi)星定位無線電定位衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求—導(dǎo)航導(dǎo)航是確定怎么去導(dǎo)航解決怎么走的問題。規(guī)劃路徑，安排時間，力求省時省力。例如從上海瀚文小學(xué)到北京天安門，利用衛(wèi)星導(dǎo)航可以準(zhǔn)確規(guī)劃出最優(yōu)路徑，全程約1216公里，開車前往大概需要13小時24分。衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求—日常生活車載導(dǎo)航網(wǎng)購物流查詢公交系統(tǒng)公安執(zhí)勤移動商店無處不在的衛(wèi)星導(dǎo)航定位運(yùn)動記錄衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求—載體導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求—工程應(yīng)用工程測量橋梁監(jiān)測地球形變測量內(nèi)容概要四大導(dǎo)航系統(tǒng)北斗系統(tǒng)的發(fā)展—四大系統(tǒng)全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)

目前，世界上只有少數(shù)幾個國家能夠自主研制生產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)前全球有四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)，分別是美國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、俄羅斯的格羅納斯系統(tǒng)、歐洲在建的“伽利略”系統(tǒng)、和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。美國長期壟斷美國國防部從1973年開始實(shí)施的系統(tǒng)，這是世界上第一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)壟斷了全球軍用和民用衛(wèi)星導(dǎo)航市場。全球定位系統(tǒng)計劃自1973年至今，先后共發(fā)射了41顆衛(wèi)星，總共耗資190億美元。原來是專門用于為洲際導(dǎo)彈導(dǎo)航的秘密軍事系統(tǒng)，在1991年的海灣戰(zhàn)爭中首次得到實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。隨后，在科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中大顯身手。美國系統(tǒng)長期以來，美國對本國軍方提供的是精確定位信號，對其他用戶提供的則是加了干擾的低精度信號——也就是說，地球上任何一個目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，只有美國人掌握，其他國家只知道個“大概”。在海灣戰(zhàn)爭時，美國還曾置歐盟各國利益不顧，一度關(guān)閉對歐洲服務(wù)。從克林頓時代起，該系統(tǒng)開始應(yīng)用在了民用方面?，F(xiàn)運(yùn)行的系統(tǒng)由24顆工作衛(wèi)星和4顆備用衛(wèi)星組成。美國利用獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)利益，多年來在出售信號接收設(shè)備方面賺取了巨額利潤。以1986年為例，當(dāng)時一臺一般精度的定位儀價格5萬美元，高精度的則達(dá)到10萬美元。現(xiàn)在價格雖然有所下降，但也可推算出20年來“收獲頗豐”俄羅斯（格洛納斯）系統(tǒng)“格洛納斯”是俄語中“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”的縮寫。作用類似于美國的、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)。最早開發(fā)于蘇聯(lián)時期，后由俄羅斯繼續(xù)該計劃。俄羅斯1993年開始獨(dú)自建立本國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1995年俄羅斯耗資30多億美元，完成了導(dǎo)航衛(wèi)星星座的組網(wǎng)工作。它也由24顆衛(wèi)星組成，原理和方案都與類似。歐洲“伽利略計劃”在上世紀(jì)90年代的局部戰(zhàn)爭中，美國的出盡風(fēng)頭。利用系統(tǒng)提供定位的導(dǎo)彈或戰(zhàn)斗機(jī)可以對地面目標(biāo)進(jìn)行精確打擊，這給歐洲國家留下了深刻印象。為減少歐洲對美國軍事和技術(shù)的依賴，經(jīng)過長達(dá)3年的論證，2002年3月，歐盟15國交通部長會議一致決定，啟動“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星計劃?！百だ浴庇媱澋目偼顿Y預(yù)計為36億歐元，由分布在3個軌道上的30顆衛(wèi)星組成長期以來，美國對本國軍方提供的是精確定位信號，對其他用戶提供的則是加了干擾的低精度信號——也就是說，地球上任何一個目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，只有美國人掌握，其他國家只知道個“大概”。在海灣戰(zhàn)爭時，美國還曾置歐盟各國利益不顧，一度關(guān)閉對歐洲服務(wù)

中國要想不受治于人就必須自主發(fā)展自己的導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（）簡稱北斗系統(tǒng)，英文縮寫為，曾用名為，是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（），是繼美國的全球定位系統(tǒng)（）和俄羅斯的之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),與伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。分為北斗1代和北斗2代。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介北斗系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并能向有更高要求的授權(quán)用戶提供進(jìn)一步服務(wù)，軍用與民用目的兼具。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介發(fā)展歷程試驗(yàn)系統(tǒng)（北斗一代）：1983年陳芳允院士提出，1994年開始研制，2003年完成組建伽利略系統(tǒng)合作計劃正式系統(tǒng)（北斗二代）：2004年-2020年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介北斗衛(wèi)星北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(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顆中地球衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點(diǎn)位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運(yùn)行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介北斗衛(wèi)星：傾斜衛(wèi)星同步軌道：地球靜止軌道：中地球軌道北斗系統(tǒng)的發(fā)展—北斗三步走第一步——試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從無到有1983年提出發(fā)展建設(shè)概念。1994年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程啟動，之前歷經(jīng)8年理論論證。2000年發(fā)射第一顆衛(wèi)星。2003年完成試驗(yàn)系統(tǒng)。最終成果：成功發(fā)射3顆衛(wèi)星，建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠提供基本的定位、授時和短報文通信服務(wù)。2000年10月31日140E2000年12月21日80E2003年5月25日北斗系統(tǒng)的發(fā)展—北斗三步走第二步——亞太組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)亞太區(qū)域服務(wù)2012年建成由14顆衛(wèi)星組成的區(qū)域星座，區(qū)域服務(wù)覆蓋亞太地區(qū)，并正式提供服務(wù)。2007年4月14日衛(wèi)星2009年4月15日衛(wèi)星2010年1月17日衛(wèi)星衛(wèi)星運(yùn)載火箭北斗系統(tǒng)的發(fā)展—北斗三步走第三步——全球組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)2020年建成由35顆衛(wèi)星（5顆，30顆）組成的全球?qū)Ш较到y(tǒng)。第二步2012年第三步2020年

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展流程

上世紀(jì)60年代末20世紀(jì)70年代后20世紀(jì)80年代到90年代試驗(yàn)階段（北斗一號）“北斗二號”區(qū)域系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)9顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”共35顆“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”北斗系統(tǒng)的發(fā)展—用戶終端應(yīng)用用戶終端應(yīng)用效果較好的環(huán)境空曠地樓頂高處電磁輻射弱北斗系統(tǒng)的發(fā)展—用戶終端應(yīng)用用戶終端應(yīng)用效果差的環(huán)境隧道水面高架城市高樓樹林下電磁環(huán)境復(fù)雜衛(wèi)星定位基本原理—系統(tǒng)簡介美蘇爭霸美蘇空間信息激烈競爭，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供了大量的資金支持。通信技術(shù)的發(fā)展為衛(wèi)星信號遠(yuǎn)距離傳輸提供了可能。電子技術(shù)進(jìn)步為衛(wèi)星的控制、制造提供了強(qiáng)有力的保證。經(jīng)濟(jì)社會的需求是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的源動力。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有三部分組成：空間星座部分，地面控制部分，用戶終端設(shè)備。系統(tǒng)簡介北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)二、北斗的組成（1）空間端空間端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星（2）地面端主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站（3）用戶終端衛(wèi)星定位基本原理—系統(tǒng)組成地面控制部分地面控制部分包括：主控站，上行注入站和監(jiān)測站。負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計算衛(wèi)星星歷、相對距離，大氣校正等數(shù)據(jù)，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導(dǎo)航電文。衛(wèi)星地面控制部分衛(wèi)星定位基本原理—定位原理原理說明衛(wèi)星向地面發(fā)射電磁波，以光速傳播。衛(wèi)星距地面高度約為20000。x公里？t秒？衛(wèi)星定位基本原理—定位原理定位原理得到衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離后如何定位？衛(wèi)星定位基本原理—定位原理平面定位原理衛(wèi)星定位基本原理—定位原理定位原理黑色=可見,紅色=不可見,綠色=視線總共50顆以上衛(wèi)星。地球任意一點(diǎn)可以看到5-12顆衛(wèi)星。任一衛(wèi)星的瞬時位置可根據(jù)星歷計算得到。美國歐盟伽利略俄羅斯中國空間距離交匯定位衛(wèi)星定位基本原理—定位原理()為待求的接收機(jī)位置，d為衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，()為衛(wèi)星瞬時位置（由星歷計算得到）。定位誤差衛(wèi)星定位基本原理—定位原理三方面的誤差：衛(wèi)星產(chǎn)生的誤差傳播路徑產(chǎn)生的誤差接收機(jī)產(chǎn)生的誤差定位方程修正衛(wèi)星定位基本原理—定位原理偽距定位基本觀測方程是通過延時計算的星站距離是真實(shí)的星站距離是時鐘偏差引起的誤差星站距離計算以碼相位對齊測出信號時延以時延計算距離衛(wèi)星定位空間距離交會法定位同步觀測4顆以上衛(wèi)星北斗一代試驗(yàn)系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)又稱為北斗一號，是中國的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即有源區(qū)域衛(wèi)星定位系統(tǒng)，1994年正式立項(xiàng)，2000年發(fā)射2顆衛(wèi)星后即能夠工作，2003年又發(fā)射了一顆備份衛(wèi)星，試驗(yàn)系統(tǒng)完成組建，該系統(tǒng)服務(wù)范圍為東經(jīng)70°－140°，北緯5°－55°。在衛(wèi)星的壽命到期后（設(shè)計值8年），系統(tǒng)已停止工作。北斗一代系統(tǒng)組成系統(tǒng)分為三個部分，分別為空間段、地面段、用戶段：空間段：由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星組成，兩顆工作衛(wèi)星定位于東經(jīng)80°和140°赤道上空，另有一顆位于東經(jīng)110.5°的備份衛(wèi)星，可在某工作衛(wèi)星失效時予以接替。地面段：由中心控制系統(tǒng)和標(biāo)校系統(tǒng)組成。中心控制系統(tǒng)主要用于衛(wèi)星軌道的確定、電離層校正、用戶位置確定、用戶短報文信息交換等。標(biāo)校系統(tǒng)可提供距離觀測量和校正參數(shù)。用戶段：用戶的終端。北斗一代工作原理北斗一代工作原理首先由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星I和衛(wèi)星同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播。用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號，然后根據(jù)用戶的申請服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。中心控制系統(tǒng)可最終計算出用戶所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這個坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶。北斗一代定位原理（雙星定位法）

①中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲：即從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，經(jīng)某一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)用戶，用戶發(fā)出定位響應(yīng)信號，經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲；②和從中心控制發(fā)出詢問信號，經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達(dá)用戶，用戶發(fā)出響應(yīng)信號，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲。③由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是已知的，因此由上面兩個延遲量可以算出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點(diǎn)的橢球面之間的交線上。北斗一代主要參數(shù)服務(wù)區(qū)：我國及周邊地區(qū)定位精度：水平精度100米（1σ），設(shè)立標(biāo)校站之后為20米（類似差分狀態(tài)）。定位時間：幾秒鐘授時精度：單向100，雙向20通信能力：雙向短報文通信120個漢字北斗一代優(yōu)點(diǎn)成本低定位快雙向通信與授時位置報告缺點(diǎn)缺乏隱蔽性用戶容量受限制定位精度不高，無測速功能北斗二代正式系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”一詞一般用來特指第二代系統(tǒng)。此衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)是對全球提供無源定位，與相似。在計劃中，整個系統(tǒng)將由35顆衛(wèi)星組成，其中5顆是靜止衛(wèi)星，以與使用靜止軌道衛(wèi)星的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)兼容。2012年實(shí)現(xiàn)區(qū)域性覆蓋，預(yù)計在2020年達(dá)到全球覆蓋。北斗二代頻段B1頻點(diǎn)：1559.052－1591.788B2頻點(diǎn)：1166.220－1217.370B3頻點(diǎn)：1250.618－1286.423注：其中B1、B2是民用信號，B3是軍用信號。B1的標(biāo)稱頻率為1561.098。北斗二代定位技術(shù)-三球交匯定位（與定位原理一致）北斗二代定位技術(shù)題外：分為局域差分（)與廣域差分()兩種可覆蓋整個國家，包括衛(wèi)星就是利用靜止軌道衛(wèi)星建立的地區(qū)性廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的衛(wèi)星包括(歐洲）、（美國）、（日本）、（印度）。覆蓋范圍一般在10~100，精度可達(dá)到厘米級。依靠基準(zhǔn)站校準(zhǔn)發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對其測量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。電文采用的協(xié)議為104。北斗二代定位技術(shù)北斗二代融衛(wèi)星導(dǎo)航與廣域差分為一體，向用戶實(shí)時播發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航信息、廣域差分改正信息及完好性信息等。導(dǎo)航信息可為用戶提供基本的導(dǎo)航定位服務(wù)；廣域增強(qiáng)信息根據(jù)用戶的不同等級，可為用戶提供更高精度的定位精度，改善區(qū)域的導(dǎo)航性能，為所覆蓋區(qū)域?qū)Ш接脩籼峁┤旌颉⒏咝阅艿膶?dǎo)航定位服務(wù)。完好性信息可為用戶提供區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的可用性信息，當(dāng)系統(tǒng)不可用或?qū)Ш骄冉档蜁r，及時向用戶告警。北斗二代定位技術(shù)北斗導(dǎo)航定位增強(qiáng)系統(tǒng)主要包括三部分：空間部分、地面部分和用戶部分?？臻g部分由攜帶導(dǎo)航轉(zhuǎn)發(fā)器的地球靜止軌道（）衛(wèi)星組成。地面部分由若干參考站和主控站組成。北斗導(dǎo)航定位增強(qiáng)系統(tǒng)具有三種功能，即地球靜止衛(wèi)星（）測距功能、完好性監(jiān)測功能和廣域差分功能。北斗二代增強(qiáng)型定位技術(shù)（差分定位）通過北斗用戶機(jī)周圍建立位置已知的北斗差分基準(zhǔn)站，用基準(zhǔn)站測得的偽距與其真實(shí)位置的差值，由基準(zhǔn)站發(fā)射到用戶，北斗用戶在測距過程中將之差掉，以此提高精度。目前，交通運(yùn)輸部東海航海保障中心在我國黃海南部和長江口水域進(jìn)行了國內(nèi)首次無線電指向標(biāo)——差分北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(—)播發(fā)與接收試驗(yàn)，并取得圓滿成功。誤差可由10米降為1米。北斗二代時間系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時間叫做北斗時，屬于原子時，溯源到中國的協(xié)調(diào)世界時，與協(xié)調(diào)世界時的誤差在100納秒內(nèi)，起算時間是協(xié)調(diào)世界時2006年1月1日0時0分0秒。北斗二代文件北斗的空間信號接口控制文件()是約束、規(guī)范和定義北斗導(dǎo)航衛(wèi)星與接收終端之間信號接口的