北斗導(dǎo)航技術(shù)分析

北斗導(dǎo)航技術(shù)與測(cè)試介紹硬件測(cè)試組黃玲概述1.北斗導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)簡介2.一代北斗3.二代北斗4.北斗測(cè)試北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔BeiDouNavigationSatelliteSystem〕簡稱北斗系統(tǒng)，英文縮寫為BDS，曾用名為COMPASS，是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)〔CNSS〕，是繼美國的全球定位系統(tǒng)〔GPS〕和俄羅斯的GLONASS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)致力于向全球用戶供給高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時(shí)效勞，并能向有更高要求的授權(quán)用戶供給進(jìn)一步效勞，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)簡介進(jìn)展歷程試驗(yàn)系統(tǒng)〔北斗一代〕：1983年陳芳允院士提出，1994年開頭研制，2023年完成組建伽利略系統(tǒng)合作打算正式系統(tǒng)〔北斗二代〕：2023年-2023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)由空間段打算由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IGSO：傾斜衛(wèi)星同步軌道GEO：地球靜止軌道MEO：中地球軌道北斗一代試驗(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(hào)，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)，2023年放射2顆衛(wèi)星后即能夠工作，2023年又放射了一顆備份衛(wèi)星，試驗(yàn)系統(tǒng)完成組建，該系統(tǒng)效勞范圍為東經(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)已停頓工作。北斗一代系統(tǒng)組成系統(tǒng)分為三個(gè)局部，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：由中心掌握系統(tǒng)和標(biāo)校系統(tǒng)組成。中心掌握系統(tǒng)主要用于衛(wèi)星軌道確實(shí)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)可供給距離觀測(cè)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掌握系統(tǒng)向衛(wèi)星I和衛(wèi)星II同時(shí)發(fā)送詢問信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向效勞區(qū)內(nèi)的用戶播送。用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號(hào)，并同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心掌握系統(tǒng)。中心掌握系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號(hào)，然后依據(jù)用戶的申請(qǐng)效勞內(nèi)容進(jìn)展相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。中心掌握系統(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(hào)發(fā)送給用戶。北斗一代定位原理〔雙星定位法〕中心掌握系統(tǒng)測(cè)出兩個(gè)時(shí)間延遲：即從中心掌握系統(tǒng)發(fā)出詢問信號(hào)，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(hào)，經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心掌握系統(tǒng)的延遲；和從中心掌握發(fā)出詢問信號(hào)，經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達(dá)用戶，用戶發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心掌握系統(tǒng)的延遲。由于中心掌握系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是的，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。另外中心控制系統(tǒng)從存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶處于某一與地球基準(zhǔn)橢球面平行的橢球面上。即可以推算出用戶位置。北斗一代主要參數(shù)效勞區(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100ns，雙向20ns通信力量：雙向短報(bào)文通信120個(gè)漢字北斗一代優(yōu)點(diǎn)本錢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(cè)速功能北斗二代正式系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”一詞一般用來特指其次代系統(tǒng)。此衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展目標(biāo)是對(duì)全球供給無源定位，與GPS相像。在打算中，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。2023年實(shí)現(xiàn)區(qū)域性掩蓋，估計(jì)在2023年到達(dá)全球掩蓋。北斗二代頻段B1頻點(diǎn)：1559.052MHz－1591.788MHzB2頻點(diǎn)：1166.220MHz－1217.370MHzB3頻點(diǎn)：1250.618MHz－1286.423MHz注：其中B1、B2是民用信號(hào)，B3是軍用信號(hào)。B1的標(biāo)稱頻率為1561.098MHz。北斗二代定位技術(shù)-三球交匯定位〔與GPS定位原理全都〕北斗二代定位技術(shù)題外：DGPS分為局域差分〔LADGPS)與廣域差分(WADGPS)兩種WADGPS可掩蓋整個(gè)國家，包括SBAS衛(wèi)星就是利用靜止軌道衛(wèi)星建立的地區(qū)性廣域差分增加系統(tǒng)?，F(xiàn)有的SBAS衛(wèi)星包括EGONS(歐洲〕、WAAS〔美國〕、MSAS〔日本〕、GAGAN〔印度〕。LADGPS掩蓋范圍一般在10~100km，精度可到達(dá)厘米級(jí)。依靠基準(zhǔn)站校準(zhǔn)發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)展改正，以獲得準(zhǔn)確的定位結(jié)果。電文承受的協(xié)議為RTCM-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)航信息可為用戶供給根本的導(dǎo)航定位效勞；廣域增加信息依據(jù)用戶的不同等級(jí)，可為用戶供給更高精度的定位精度，改善區(qū)域的導(dǎo)航性能，為所掩蓋區(qū)域?qū)Ш接脩艄┙o全天候、高性能的導(dǎo)航定位效勞。完好性信息可為用戶供給區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的可用性信息，當(dāng)系統(tǒng)不行用或?qū)Ш骄冉档蜁r(shí)，準(zhǔn)時(shí)向用戶告警。北斗二代定位技術(shù)北斗導(dǎo)航定位增加系統(tǒng)主要包括三局部：空間局部、地面局部和用戶局部?？臻g局部由攜帶導(dǎo)航轉(zhuǎn)發(fā)器的地球靜止軌道〔GEO〕衛(wèi)星組成。地面局部由假設(shè)干參考站和主控站組成。北斗導(dǎo)航定位增加系統(tǒng)具有三種功能，即地球靜止衛(wèi)星〔GEO〕測(cè)距功能、完好性監(jiān)測(cè)功能和廣域差分功能。北斗二代增加型定位技術(shù)〔差分定位〕通過北斗用戶機(jī)四周建立位置的北斗差分基準(zhǔn)站，用基準(zhǔn)站測(cè)得的偽距與其真實(shí)位置的差值，由基準(zhǔn)站放射到用戶，北斗用戶在測(cè)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)展了國內(nèi)首次無線電指向標(biāo)——差分北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(RBN—DBDS)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)2023年1月1日0時(shí)0分0秒。北斗二代ICD文件北斗的空間信號(hào)接口掌握文件(InterfaceControlDocument/ICD)是約束、標(biāo)準(zhǔn)和定義北斗導(dǎo)航衛(wèi)星與接收終端之間信號(hào)接口的文件，它說明白衛(wèi)星導(dǎo)航射頻信號(hào)、擴(kuò)頻測(cè)距碼、導(dǎo)航電文構(gòu)造、導(dǎo)航電文參數(shù)及算法四個(gè)方面內(nèi)容，只有把握了這些特征和參數(shù)，才能正確接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，繼而進(jìn)展定位和導(dǎo)航。北斗二代主要參數(shù)〔開放效勞〕效勞區(qū)：全球定位精度：定位精度平面10米、高程10米定位時(shí)間：幾分鐘〔與GPS一樣〕授時(shí)精度：授時(shí)精度單向50納秒，開放效勞不供給雙向高精度授時(shí)通信力量：不供給北斗二代主要參數(shù)〔授權(quán)效勞〕效勞區(qū)：全球〔需要獲得授權(quán)〕定位精度：未知，可達(dá)1m以內(nèi)定位時(shí)間：兼容北斗1代，可達(dá)幾秒〔僅限亞太地區(qū)〕通信力量：軍用版容量為120個(gè)漢字，民用版49個(gè)漢字〔僅限亞太地區(qū)〕北斗測(cè)試目前國內(nèi)實(shí)力較強(qiáng)的北斗芯片廠商泰斗微電子〔基帶射頻芯片以及模塊〕北斗星通/和芯星通〔芯片及模塊〕東方聯(lián)星廣州潤芯〔射頻芯片〕華力創(chuàng)通北斗測(cè)試市場(chǎng)上北斗模塊描述系統(tǒng)：GPS+BDS〔可分別為單GPS及單北斗〕頻率：L1+B1協(xié)議：NMEA0183功能：三維測(cè)速、三維定位、準(zhǔn)確授時(shí)通道：大于32channels北斗測(cè)試衛(wèi)星編號(hào)目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)上的北斗模塊各自定義不一樣。東方聯(lián)星杭州中科微電子北斗測(cè)試NMEA$GNGGA,050800.000,3113.3181,N,12121.2744,E,1,20,0.8,49.0,M,0.0,M,,*47$GNGLL,3113.3181,N,12121.2744,E,050800.000,A,0*34$GPGSA,A,3,14,21,18,15,24,31,25,12,22,,,,1.3,0.8,1.1*33$BDGSA,A,3,02,01,07,03,06,10,14,09,04,05,13,,1.3,0.8,1.1*26$GPGSV,3,1,09,12,47,099,46,14,39,308,44,15,16,088,34,18,80,179,44*7E$GPGSV,3,2,09,21,17,202,37,22,61,307,46,24,36,041,45,25,43,151,44*73$GPGSV,3,3,09,31,12,234,41*41$BDGSV,3,1,11,01,49,146,40,02,34,241,36,03,52,200,38,04,35,123,36*6C$BDGSV,3,2,11,05,15,255,33,06,63,180,40,07,71,309,41,09,75,264,40*65$BDGSV,3,3,11,10,51,266,38,13,83,303,42,14,40,141,42*58$GNRMC,050800.000,A,3113.3181,N,12121.2744,E,0.25,0.00,270313,,,A*71$GNVTG,0.00,T,,M,0.25,N