北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)第四次課

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)間，力求省時(shí)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(shí)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(dòng)商店無處不在的衛(wèi)星導(dǎo)航定位運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在相當(dāng)長的一段時(shí)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(jì)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(gè)目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，只有美國人掌握，其他國家只知道個(gè)“大概”。在海灣戰(zhàn)爭時(shí)，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(shí)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(shí)一臺(tái)一般精度的定位儀價(jià)格5萬美元，高精度的則達(dá)到10萬美元?，F(xiàn)在價(jià)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(shí)期，后由俄羅斯繼續(xù)該計(jì)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(jì)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(huì)議一致決定，啟動(dòng)“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星計(jì)劃?！百だ浴庇?jì)劃的總投資預(yù)計(jì)為36億歐元，由分布在3個(gè)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(gè)目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，只有美國人掌握，其他國家只知道個(gè)“大概”。在海灣戰(zhàn)爭時(shí)，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(gè)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(shí)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(jì)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(jì)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(gè)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(dòng)，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(shí)和短報(bào)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(huì)的需求是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的源動(dòng)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(gè)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(jì)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(shí)位置可根據(jù)星歷計(jì)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(shí)位置（由星歷計(jì)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(shí)計(jì)算的星站距離是真實(shí)的星站距離是時(shí)鐘偏差引起的誤差星站距離計(jì)算以碼相位對齊測出信號時(shí)延以時(shí)延計(jì)算距離衛(wèi)星定位空間距離交會(huì)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(jì)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(gè)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(shí)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(bào)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(shí)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(shí)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(jì)算出用戶所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這個(gè)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(gè)時(shí)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(gè)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(gè)以第一顆衛(wèi)星為球心的一個(gè)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(shí)間：幾秒鐘授時(shí)精度：單向100，雙向20通信能力：雙向短報(bào)文通信120個(gè)漢字北斗一代優(yōu)點(diǎn)成本低定位快雙向通信與授時(shí)位置報(bào)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(jì)劃中，整個(gè)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(jì)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(gè)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(shí)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?、高性能的?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(shí)，及時(shí)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(shí)間系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間叫做北斗時(shí)，屬于原子時(shí)，溯源到中國的協(xié)調(diào)世界時(shí)，與協(xié)調(diào)世界時(shí)的誤差在100納秒內(nèi)，起算時(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí)2006年1月1日0時(shí)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