北斗項目基本情況

1、北斗項目基本情況一、 什么是北斗項目？北斗項目是中國的GPS項目，是中國自主的定位系統(tǒng)和遙測系統(tǒng)和授時系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是：建成獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動衛(wèi)星導(dǎo)航在國民經(jīng)濟社會各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)

2、測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。二、 北斗項目歷史據(jù)了解，早在上世紀(jì)70年代，我國就開始研究利用衛(wèi)星進行地面定位服務(wù)，受制于當(dāng)時國力不足等多方面原因，這項名為“燈塔”的研究計劃擱淺了。1983年，陳芳允和一位美國科學(xué)家同時提出利用地球同步衛(wèi)星進行導(dǎo)航定位的設(shè)想。他認(rèn)為，基于國情，我國可以先發(fā)展技術(shù)相對簡單、成本較低廉的“雙星快速定位通信系統(tǒng)”，這便是第一代“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雛形。陳芳允的理論是：只要發(fā)射2顆地球靜止軌道衛(wèi)星，通過定位電波的電波數(shù)即可對地面物體進行定位。同時，由地面控制臺處理各種業(yè)務(wù)，為陸地和海上的使用者提供定位、導(dǎo)航和通信服務(wù)。然

3、而，陳芳允這一構(gòu)想，起初并未被采納。轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在2年后。1985年，在南京紫金山天文臺召開的全國測量技術(shù)研討會上，執(zhí)著的陳芳允再次闡述了他的“北斗”計劃，并立下軍令狀：“給我2顆衛(wèi)星，就能解決地面定位問題！”他充滿自信的表態(tài)引起了參會部隊首長的關(guān)注，解放軍總參謀部的測繪制圖局對“北斗”計劃表現(xiàn)出極大興趣。1986年3月3日，陳芳允和王大珩、王淦昌、楊嘉墀等4位科學(xué)界泰斗聯(lián)名致信中共中央，建議發(fā)展中國的高技術(shù)，受到鄧小平的高度重視，促成我國發(fā)展高技術(shù)的“863”計劃。此后，國防委工委開始全面參與“北斗”計劃，著手研發(fā)應(yīng)用工作。1989年9月25日，第一代“北斗”可行性測試，在北京一間面積不足30平

4、方的實驗室內(nèi)展開。結(jié)果顯示，模擬計算數(shù)值與物體實際位置間的誤差不超過20米，試驗取得巨大成功。1993年，“北斗”計劃項目啟動，中科院院士孫家棟就任總設(shè)計師。2000年10月31日，首顆試驗衛(wèi)星順利發(fā)射。到目前為止，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已發(fā)射了10顆衛(wèi)星，建成了基本系統(tǒng)。第一步已實現(xiàn)。從2000年到2003年，我國成功發(fā)射了三顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，建立起完善的北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，成為世界上繼美國、俄羅斯之后第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。目前，已發(fā)射升空的三顆北斗衛(wèi)星已成功應(yīng)用于我國的測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和國家安全等諸多領(lǐng)域，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。第二步到2

5、012年前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將首先提供覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航、授時和短報文通信服務(wù)能力，目前已成功發(fā)射了第四顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，并進入衛(wèi)星密集發(fā)射組網(wǎng)階段。第三步到2020年左右，建成有5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。三、 發(fā)射記錄定位、授時、短信；北斗與GPS的確別，總體是差不多？應(yīng)用系統(tǒng)總工程師：吳光輝四、 四大系統(tǒng)簡介迄今，比較完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)有美國GPS、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)以及中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歐洲計劃推出自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Galileo。此為衛(wèi)星導(dǎo)航“四大系統(tǒng)”。1 中國北斗“北斗一號”是雙向的，既有定位又有通信的系統(tǒng)，但是有容

6、量限制。由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，軍民兩用。計劃2012年覆蓋我國及周邊地區(qū)區(qū)域，2020年完成全球的部署。2 美國GPS系統(tǒng)美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）是世界上第一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是目前使用最多的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它是一個接收型的定位系統(tǒng)，只轉(zhuǎn)播信號，用戶接收就可以做定位了，不受容量的限制。3 歐洲GALILEO系統(tǒng)歐洲“伽利略”系統(tǒng)與GPS相比，有較大的不同。GALILEO系統(tǒng)是歐空局與歐盟在1999年合作啟動的，該系統(tǒng)民用信號精度最高可達1m，比美國GPS高10倍。計劃中的GALILEO系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成?！百だ浴备嘤糜诿裼?，不少專家形象地比喻說，如果

7、說GPS只能找到街道，“伽利略”則可找到車庫門。4 俄羅斯GLONASS系統(tǒng)GLONASS是前蘇聯(lián)國防部于20世紀(jì)80年代初開始建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從某種意義上來說是冷戰(zhàn)的產(chǎn)物。美制GPS從衛(wèi)星回饋到地面的GPS信號很弱，如果對方采取多種干擾，都會使地面GPS接收機無法正常工作。而“格洛納斯”系統(tǒng)的衛(wèi)星具有更強的抗干擾能力。五、 衛(wèi)星自主導(dǎo)航我們把為軌道控制或制導(dǎo)所進行的航天器軌道的確定稱為航天器導(dǎo)航；完全利用航天器上的測量設(shè)備和計算裝置，而不依賴于地面設(shè)備支持的導(dǎo)航稱為航天器自主導(dǎo)航。要實施航天器自主導(dǎo)航，要求航天器本身具有導(dǎo)航信息獲取并實施在軌導(dǎo)航解算的能力。自1978年至今，GPS衛(wèi)

8、星已進行過多次換代和更新，從Block ，Block ，Block A，Block R，Block R-M和Block F。在Block-IIR之前的所有型號衛(wèi)星都沒有自主導(dǎo)航功能，衛(wèi)星廣播的導(dǎo)航信息需由地面控制段的上行注入站每天注入一次。導(dǎo)航信息中包含的星鐘與星歷參數(shù)都是基于控制段的當(dāng)時估算進行預(yù)報的，而Block-IIR衛(wèi)星的重大改進就是能夠在星上自動預(yù)估星鐘與星歷參數(shù)，并生成導(dǎo)航信息。這種能力稱為自主導(dǎo)航或自動導(dǎo)航（AutoNav）。美國開發(fā)自主導(dǎo)航能力的主要動機有如下四方面：一是提高GPS系統(tǒng)的生存能力。美國認(rèn)為地面控制段是GPS系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，一旦遭到攻擊可能造成整個系統(tǒng)癱瘓。自主

9、導(dǎo)航能保障GPS衛(wèi)星在失去地面支持的條件下，自主運行180天，且能滿足導(dǎo)航精度要求；這種能力還可以保證在一些地面監(jiān)控站失效的情況下不影響提供正常的導(dǎo)航信息。二是減少上行注入要求。上行注入站上只需發(fā)送很少數(shù)據(jù)。三是完好性。星間鏈路測距功能提供了一種能與其星鐘和星歷參數(shù)比對的獨立參考基準(zhǔn)。四是精度。由于自主導(dǎo)航功能能夠每小時4次更新星歷與星鐘參數(shù)，與現(xiàn)有的每天更新一次相比，將有助于改進導(dǎo)航精度。六、 GPS工作原理GPS實施的是“到達時間差”（時延）的概念：利用每一顆GPS衛(wèi)星的精確位置和連續(xù)發(fā)送的星上原子鐘生成的導(dǎo)航信息獲得從衛(wèi)星至接收機的到達時間差。GPS衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送帶有時間和位置信息的

10、無線電信號，供GPS接收機接收。由于傳輸?shù)木嚯x因素，接收機接收到信號的時刻要比衛(wèi)星發(fā)送信號的時刻延遲，通常稱之為時延，因此，也可以通過時延來確定距離。衛(wèi)星和接收機同時產(chǎn)生同樣的偽隨機碼，一旦兩個碼實現(xiàn)時間同步，接收機便能測定時延；將時延乘上光速，便能得到距離。圖中顯示了GPS系統(tǒng)的時延原理。GPS系統(tǒng)的時間到達差原理每顆GPS衛(wèi)星上的計算機和導(dǎo)航信息發(fā)生器非常精確地了解其軌道位置和系統(tǒng)時間，而全球監(jiān)測站網(wǎng)保持連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的軌道位置和系統(tǒng)時間。位于科羅拉多州施里弗（Schriever）空軍基地內(nèi)的主控站與其運控段一起，至少每天一次對每顆GPS衛(wèi)星注入校正數(shù)據(jù)。注入數(shù)據(jù)包括：星座中每顆衛(wèi)星的軌道位

11、置測定和星上時鐘的校正。這些校正數(shù)據(jù)是在復(fù)雜模型的基礎(chǔ)上算出的，可在幾個星期內(nèi)保持有效。GPS系統(tǒng)時間是由每顆衛(wèi)星上原子鐘的銫和銣原子頻標(biāo)保持的。這些星鐘一般來講精確到世界協(xié)調(diào)時（UTC）的幾納秒以內(nèi)，UTC是由海軍觀象臺的“主鐘”保持的，每臺主鐘的穩(wěn)定性為若干個10-13秒。GPS衛(wèi)星早期采用兩部銫頻標(biāo)和兩部銣頻標(biāo)，后來逐步改變?yōu)楦嗟夭捎勉滎l標(biāo)。通常，在任一指定時間內(nèi)，每顆衛(wèi)星上只有一臺頻標(biāo)在工作。衛(wèi)星導(dǎo)航原理：衛(wèi)星至用戶間的距離測量是基于衛(wèi)星信號的發(fā)射時間與到達接收機的時間之差，稱為偽距。為了計算用戶的三維位置和接收機時鐘偏差，偽距測量要求至少接收來自4顆衛(wèi)星的信號。衛(wèi)星導(dǎo)航原理如圖所示

12、。衛(wèi)星導(dǎo)航原理北斗應(yīng)用1、個人位置服務(wù)當(dāng)你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的手機或車載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置找到你要走的路線。你可以向當(dāng)?shù)胤?wù)提供商發(fā)送文字信息告知你的要求，如查詢最近的停車位、餐廳、旅館或其他你想去的任何地方，服務(wù)商會立即根據(jù)你所在的位置，幫你找到需要的信息。然后，將一張地圖發(fā)送到你的手機上，甚至還會為你提供酒店房間、餐廳或停車位預(yù)定等增值服務(wù)。2、氣象應(yīng)用氣象領(lǐng)域是最早應(yīng)用我國北斗系統(tǒng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。在邊遠(yuǎn)臺站和海島，氣象實測數(shù)據(jù)最先通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)試驗衛(wèi)星傳到中心預(yù)報服務(wù)部門。早在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)之初，在中國北斗第二代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)專項管理辦公室的領(lǐng)導(dǎo)下

13、，中國氣象局就開展了基于北斗MEO試驗衛(wèi)星的北京上空大氣水汽探測試驗，參與了奧運氣象保障，取得了很好的效果。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的廣泛應(yīng)用推進著我國氣象科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別對我國氣象的基礎(chǔ)觀測業(yè)務(wù)具有極其重要的影響，從定性走向定量，從陸地走向海洋，從二維探測走向三維立體探測。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用有兩個方面：1. 直接應(yīng)用：衛(wèi)星定位測速功能可以直接用在北斗探空系統(tǒng)的高精度測風(fēng)定位上；移動應(yīng)急和特殊環(huán)境氣象數(shù)據(jù)收集更是對北斗快速通訊功能的直接應(yīng)用。2. 定量遙感等深層次應(yīng)用：利用導(dǎo)航定位系統(tǒng)可定量遙感水汽和電離層電子濃度，海洋氣象參數(shù)定量探測等領(lǐng)域是對導(dǎo)航衛(wèi)星信號遙感的更深度應(yīng)用?？梢蕴岣弑┯瓯┭?/p>

14、的預(yù)報能力和增強近海大風(fēng)大霧的預(yù)報和服務(wù)能力。目前利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)測風(fēng)已成為高空氣象探測的發(fā)展主流。全國有幾百個GPS基準(zhǔn)站，實時聯(lián)網(wǎng)進行導(dǎo)航衛(wèi)星探測大氣水汽和電離層電子濃度業(yè)務(wù)探測。利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號探測海風(fēng)海浪的技術(shù)也成為海洋氣象探測的重要手段。發(fā)展衛(wèi)星掩星廓線探測已成為未來氣象關(guān)注的重要領(lǐng)域，在長期地面試驗基礎(chǔ)上，很快會在我國風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星第三顆星上實現(xiàn)?；诒倍穼?dǎo)航衛(wèi)星的大氣、海洋和空間監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用，將通過對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的探測提高臺風(fēng)路徑的預(yù)報能力，探測水汽輸送，通過岸基探測海風(fēng)海浪，增強近海天氣預(yù)報的精度。通過衛(wèi)星探測手段的提升，提高對關(guān)鍵氣象災(zāi)害的預(yù)報能力。在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的技術(shù)

15、支持下，近年來我國在氣象災(zāi)害預(yù)報和防災(zāi)減災(zāi)能力有了較大的提高，在奧運國慶等重大氣象保障中發(fā)揮了重要作用。我國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，氣象災(zāi)害就占70%以上，增強防災(zāi)減災(zāi)，構(gòu)筑全方位、全時空、快速反應(yīng)的氣象服務(wù)體系，對于保持經(jīng)濟社會持續(xù)快速健康發(fā)展具有重要意義。氣象部門的行業(yè)化應(yīng)用，也是對我國北斗產(chǎn)業(yè)化的一個重要支撐。我國高空探測系統(tǒng)全面實現(xiàn)用自主的北斗探空系統(tǒng)升級換代后，每年需要消耗北斗探空芯片近20萬片，全國GNSS水汽電離層探測站網(wǎng)也需要用我國北斗接收機逐步更換進口設(shè)備，這些在支撐北斗產(chǎn)業(yè)化的同時，反過來還將推進我國對北斗高精度接收機的研發(fā)，提高我國高精度接收機的研制技術(shù)。此外，

16、發(fā)展北斗電離層監(jiān)測系統(tǒng)還可以改善北斗單頻接收機的定位效果，促進北斗接收機的性能改善，推進北斗應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的更大發(fā)展。3、道路交通管理衛(wèi)星導(dǎo)航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車輛上安裝衛(wèi)星導(dǎo)航接收機和數(shù)據(jù)發(fā)射機，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內(nèi)自動轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。這些位置信息可用于道路交通管理。例如，指示車輛走暢通的道路，限制進入擁擠的道路，或通告司機前方擁堵的情況，建議走車輛較少的路線。如果車輛超速行駛而發(fā)生交通事故，則撞車時的速度、位置和時間信息均會被記錄在上，作為判斷是否違章的依據(jù)；如果車輛被盜或被搶，衛(wèi)星導(dǎo)航會很快發(fā)現(xiàn)并跟蹤其位置，使盜賊無處藏身。4、鐵路智能應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航將促進傳

17、統(tǒng)運輸方式實現(xiàn)升級與轉(zhuǎn)型。例如，在鐵路運輸領(lǐng)域，通過安裝衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，可極大縮短列車行駛間隔時間，降低運輸成本，有效提高運輸效率。未來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將提供高可靠、高精度的定位、測速、授時服務(wù)，促進鐵路交通的現(xiàn)代化，實現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度向智能交通管理的轉(zhuǎn)型。5、海運或水運海運和水運是全世界最廣泛的運輸方式之一，也是衛(wèi)星導(dǎo)航最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，使海上和水路運輸更為高效和安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導(dǎo)航定位和安全保障。同時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報文通信功能將支持各種新型服務(wù)的開發(fā)。5、航空運輸當(dāng)

18、飛機在機場跑道著陸時，最基本的要求是確保飛機相互間的安全距離。利用衛(wèi)星導(dǎo)航精確定位與測速的優(yōu)勢，可實時確定飛機的瞬時位置，有效減小飛機之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實現(xiàn)自動盲降，極大提高飛行安全和機場運營效率。通過將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的有效結(jié)合，將為航空運輸提供更多的安全保障。6、特俗物品運輸監(jiān)管通過衛(wèi)星導(dǎo)航，可實現(xiàn)對貴重貨物或危險品運輸?shù)倪h(yuǎn)程跟蹤與監(jiān)管，是現(xiàn)代物流業(yè)的新應(yīng)用。為確保特殊貨物在交通運輸各個環(huán)節(jié)中的安全，客戶希望了解貨物在運輸途中的有關(guān)情況。安裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的車輛，支持實時查詢貨物位置或到達信息，通過與相關(guān)設(shè)備的配合，在車輛偏離預(yù)定路徑、發(fā)生盜搶、交通

19、事故等意外情況下，可支持車輛位置及有關(guān)情況的報告，實現(xiàn)有效的全過程運輸監(jiān)管。7、應(yīng)急救援衛(wèi)星導(dǎo)航已廣泛用于沙漠、山區(qū)、海洋等人煙稀少地區(qū)的搜索救援。在發(fā)生地震、洪災(zāi)等重大災(zāi)害時，救援成功的關(guān)鍵在于及時了解災(zāi)情并迅速到達救援地點。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除導(dǎo)航定位外，還具備短報文通信功能，通過衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可及時報告所處位置和受災(zāi)情況，有效縮短救援搜尋時間，提高搶險救災(zāi)時效，大大減少人民生命財產(chǎn)損失。8、精密授時北斗/GPS光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)是基于第三代移動通信系統(tǒng)TD-SCDMA時間同步的GPS替代方案。TD系統(tǒng)主要采用單一GPS授時，目前具有主流性的替代方案是有線網(wǎng)絡(luò)時鐘的1588v2以及我國自主研發(fā)的

20、北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)。但兩種替代方案直接應(yīng)用于TD網(wǎng)絡(luò)存在一些不成熟的因素，還未大規(guī)模應(yīng)用。北斗/GPS光纖拉遠(yuǎn)方案正是針對傳統(tǒng)GPS存在的問題，提出的目前切實可行的GPS優(yōu)化解決方案，同時也給其他使用衛(wèi)星授時系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展起到了借鑒和示范作用。北斗/GPS光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)綜合采用授時系統(tǒng)光纖拉遠(yuǎn)、強抗干擾濾波設(shè)計以及北斗/GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合解算技術(shù)，不僅從根本上徹底解決了傳統(tǒng)授時系統(tǒng)的問題，滿足現(xiàn)網(wǎng)所有衛(wèi)星授時的場景需求，而且可以顯著提升授時系統(tǒng)的性能，大大推進了北斗替代GPS的進程。授時系統(tǒng)光纖拉遠(yuǎn)技術(shù)采用北斗/GPS天線與接收機一體化設(shè)計，通過光電混合纜可以至少拉遠(yuǎn)1公里，在就近取電的方式下，至少可以拉遠(yuǎn)10公里，完全滿足現(xiàn)網(wǎng)北斗/GPS長距離拉遠(yuǎn)的所有需求。圖1 北斗/GPS光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)北斗/GPS光纖拉遠(yuǎn)方案從根本上解決了傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星授時系統(tǒng)拉遠(yuǎn)受限以及增加放大器造成的工程實施問題，給基站布放以及衛(wèi)星天線選址提供了極大的靈活性；該系統(tǒng)還采用了強抗干擾濾波設(shè)計，提高了衛(wèi)星接收系統(tǒng)的抗干擾能力，增加了共址建設(shè)的可操作性。同時消除了其他無線系統(tǒng)對北斗一代絕大部分干擾，大大加快了移動通信領(lǐng)域中北斗替代GPS的速度。北斗/GPS光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)不僅使用北斗/GPS雙模設(shè)計，保證了授時安全性，而且采用了雙系統(tǒng)聯(lián)合解算技術(shù)。傳統(tǒng)雙模系統(tǒng)采用兩個獨立系統(tǒng)平臺方案，只能單獨工作在GPS或者北斗模