北斗卫星导航系统介绍课件.ppt

北斗卫星导航系统,Beidou Navigation Satellite System,定位原理,简单地讲，就是借助若干个已知参考点来推算出未知点的坐标。以平面坐标轴为例，已知两个点A,B的坐标，并且知道某个点U分别A,B点的距离，就可以列一个方程组来求解U点所在的位置。,注：该方程组会得到2个解，在实际情况下会根据经验或者限制条件来剔除掉其中1个解，又或者引入更多的已知参考点。,再引入一个参考C，并得到未知点到C点的距离，再列新的数学方程式，就可以得到唯一解。,在二维空间下，至少需要2个已知参考点才能完成定位。同理，三维空间下的点，至少需要3个参考点才能完成定位。,定位条件,1、足够的已知点（卫星）,2、未知点到已知点的距离,卫星是按照预设的轨道和速度运行的，卫星会定期将自己的星历、历书等以导航电文的方式向覆盖区域广播，用户在接收并解算出导航电文，就可以根据卫星星历来计算卫星发送信号时的位置与速度。,伪距=传播时间传播速度传播时间=接收时间-发出时间由于本地时间（一般为石英钟）与卫星时间（原子时钟）不同步，会存在一个叫钟差的未知数，造成传播时间误差较大，所以测量出的距离不是真实距离，故称“伪距”。,可以看出，存在4个未知数，因此地球上任意一点至少需要4颗卫星才能进行三维定位。,北斗卫星导航系统简介,中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统GPS、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统，与GPS、GLONASS、Galileo等合称GNSS（全球导航卫星系统）。北斗卫星导航系统可分为北斗一号卫星导航定位系统和北斗二号卫星导航定位系统两大类。,注：2012年12月27日，正式公布了北斗卫星导航系统的英文名称，即BeiDou Navigation Satellite System，缩写为BDS，旧译Compass被取消。,北斗一号卫星导航定位系统,北斗一号卫星导航定位系统是一种全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统，可实现（有源）定位、通信和授时三大功能。整个系统由两颗地球同步（GEO）卫星、地面测量控制中心站（简称中心站）和用户机共三部分组成，各部分间由无线链路连接。,历史发展,20世纪60年代末开展了卫星导航系统的研制工作；20世纪70年代后期开展了探讨适合国情的卫星导航定位系统的体制研究；1983年提出了利用2颗地球同步静止卫星实现区域性导航定位并兼有短报文通信的双星导航定位系统；19881989年利用现有的2颗C频段通信卫星成功进行了“双星快速导航定位通信系统演示实验”，证明了系统体制的正确性和可行性；1993年进一步进行双星定位系统试验，1994年双星导航定位系统工程正式启动；2000年10月31日成功发射北斗-1A，位于140E的赤道上空；2000年12月21日成功发射北斗-1B，位于80E的赤道上空；2003年5月25日成功发射北斗-1C，位于110.5E的赤道上空；2004年北斗导航定位系统正式投入运营；2007年2月3日成功发射北斗-1D，位于86E的赤道上空。,RDSS,Radio Determination Satellite Service卫星无线电测定业务,首先由中心站向2颗北斗卫星发送出站询问信号；2颗北斗卫星将接收到出站询问信号变频放大后，向服务区域内的用户广播；用户接收某1颗卫星的询问信号后，向2颗卫星同时发送入站响应信号，经2颗卫星转发回中心站；中心站接收并解调用户发来的入站响应信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。,由于北斗一号只有2颗卫星，用户无法独立完成的定位，因此需要借助外部系统来完成定位。RDSS是北斗一号卫星系统独有的工作模式。,北斗智能卡,北斗一号卫星系统提供的是有偿服务，用户机需要装载授权的北斗用户卡才能使用，每张北斗智能卡都有唯一的序列号，类似于手机号，用于身份识别。北斗智能卡可分为主卡（又称指挥卡）与子卡（又称下属卡），一张主卡可拥有若干张子卡，一张子卡可从属于多张主卡。北斗智能卡又分为北斗民用智能卡和北斗军用智能卡，一般情况情况下，军用卡要求焊接在用户机里，而民用卡则可以随意装载和取出。,服务频度与通信等级,受限于卫星的数量与信道，卫星不能够无时无刻地、无限制地为北斗终端用户服务，因此需要对北斗智能卡的服务频度和通信等级进行控制。,一般情况下，北斗下属卡的服务频度为60秒，北斗指挥卡的服务频度为5秒或1秒。,北斗指挥机端或用户机接收端接收短报文不受时间频度的制约,有源定位,第一个时间延迟是指从中心站发出询问信号，经某颗卫星转发给用户，用户发出定位响应信号，再经同颗卫星转发回中心站的时间延迟；第二个时间延迟是指从中心站发出询问信号，经同颗卫星转发给用户，用户发出定位响应信号，再经另一颗卫星转发回中心站的时间延迟；由于中心站和两颗卫星的位置坐标均是已知的，即s1、s2已知，因此可以计算出用户分别到两颗卫星的距离r1、r2 ，用户则处于以两颗卫星为球心的球面交线圆弧上；,中心站从数字化地形图查寻到用户高程值或者由用户自己提供高程值，又可知道用户处于某个与地球基准椭球面平行的椭球面上，从而地面控制中心站可最终计算出用户所在的位置坐标值；最后，中心站将定位结果通过卫星转发给用户，即完成有源定位。,短报文通信,北斗一号卫星与国际通信卫星一样，可以完成通信任务。北斗短报文可以在没有通信和网络的海洋、沙漠和野外，或者移动通信与电力中断的灾区发挥出巨大的应用价值。在2008年汶川地震时，进入重灾区的救援部队就利用北斗短报文功能突破了通信盲点，与外界取得联系，通报了灾情，供指挥部及时做出决策。,短报文的收发过程,发送方首先将包含接收方ID号和通信内容的通信申请信号进行加密，然后通过卫星转发至地面控制中心站；地面控制中心站接收到通信申请信号后先将其解密，然后再加密，再通过卫星转发给接收方；接收方接收到出站信号，对信号进行解调解密，得到发送方的信息，即完成一次通信。,监听,中心站会将下属终端用户的定位结果或通信内容发送至对应的北斗指挥终端用户上，也就是说北斗指挥卡具有监听下属卡的功能。,通播,指挥终端具有对自己下属终端通播的功能，类似于短信的群发功能，可应用于紧急通知、天气播报等。,授时,授时是指利用无线电波发播标准时间信号的工作，根据授时手段的不同分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联网和电话授时等。简单地说，用高精度的时钟去校正低精度的时钟。要校正低精度的时钟，就必须知道低精度时钟与高精度时钟的误差，这个误差又称为“钟差”。北斗一号卫星系统具有单向授时、双向授时两种方法。,单向授时,如果用户的位置坐标是已知的、准确的，就可以采用单向授时的方法：将本地接收信号的时间和中心站发出信号的时间作差，就可以得到估计的信号传播时间toff；由于卫星、中心站和用户的位置都是准确已知的，所以可以求出信号的实际传播时间，即上行时间tup 与下行时间tdown 之和；那么本地时钟与卫星时钟的钟差就可以用公式t=toff-tup-tdown 得到，然后采用移相的方法调整本地钟输出的秒脉冲（PPS），皆可以消除钟差，实现本地时钟与北斗时钟的同步。,双向授时,如果用户的位置为未知的或者不准确的，无法计算出出站信号的下行时间，因此无法得到信号实际的传播时间，只能采用双向授时的方法：中心站先发出站信号，用户接收后并发入站信号给中心站，中心站根据接收与发出信号的时间差来计算出信号的双向传播时间toff ；由于该时间差完全由中心站计算得到，因此无本地时间无关，不存在钟差这个未知数。在不考虑用户运动的情况下，可认为出站和入站的时间是相同的，因此可得到出站信号的实际传播时间为toff/2；中心站再将这个出站信号的实际传播时间发送给用户，就可以根据单向授时的方法来对用户的本地时间进行授时。,总结,优点：通信功能能够解决野外、灾区等地面通信难以覆盖或者被破坏的问题；地面控制中心站可以保留所有北斗用户的位置及时间信息，便于对下属的监控与管理。,缺点：北斗用户需要包含发射器，因此在体积、重量、价格和功耗等方面需要做出巨大牺牲；北斗用户需要主动向地面控制中心站发出服务申请，这就意味着用户失去了无线电隐蔽性，尤其对军事上非常不利；双向传播的时差会导致用户的定位结果误差增大，尤其是高速运动的用户；受限于卫星的数量和信道，北斗用户的容量是有限的，并且用户还会受到服务频度和短报文长度的双重约束。,北斗二号卫星导航定位系统,北斗二号卫星导航系统（BD2）是中国独立开发的全球卫星导航系统，它并不是北斗一号的简单延伸，而是克服北斗一号存在的缺点，提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务，类似于美国的GPS和欧洲的伽利略定位系统。北斗二号卫星导航定位系统计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道（GEO）卫星、27颗中地球轨道（MEO）卫星、3颗倾斜同步轨道（IGSO）卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为58.75E、80E、110.5E、140E、160E，可提供RNSS和RDSS信号链路；27颗MEO卫星分布在倾角为55的3个轨道平面上，每个面上有9颗卫星，轨道面之间为相隔120均匀分布。从2007年04月14日到2016年06月12日，我国目前已经发送23颗北斗二号卫星，目前已经能够覆盖我国本土的区域导航系统，覆盖范围70E140E，5N55N。北斗二号能够提供通信、（有源与无源）定位、测速、授时等服务，定位精度可达10m，授时精度可达20ns，测速精度可达0.2m/s。,RNSS,北斗二号卫星导航定位系统既保留了RDSS，又拓展了RNSS；GPS、GlONASS、Galileo都属于该系统；由于服务范围内用户在任意时刻都能够接收到4颗以上的卫星信号，所以用户不再依赖于地面测量控制中心站，可自主完成（无源）定位、测速、授时等功能，也不再受到客户容量和服务频度的限制。,Radio Navigation Satellite System卫星无线电导航业务,注：短报文属于RDSS的功能，仍然受到客户容量、服务频度和通信等级的限制。,无源定位和授时,如果用户收到n（n4）颗卫星的信号，那么就可以根据的定位原理解算出用户的所在位置以及本地与卫星之间的钟差，实现无源定位和授时。,测速,卫星测速的依据是多普勒效应，多普勒效应是波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。由于卫星和接收机随时都在发生相对位移，因此接收机接收到的卫星信号会发生载波频率偏移，即多普勒频偏；多普勒频偏反映了卫星与接收机的位置变化率，即相对速度；根据卫星导航电文可以计算出卫星的运行速度；根据多普勒频偏和卫星的运行速度，并结合以下数学公式，可以解算出接收机的速度；,总结,北斗二号卫星系统兼容了RDSS和RNSS两种业务，定位与授时可采取有源和无源两种方式完成，更加灵活；北斗二号卫星系统继续保持了通信的功能，在没有通信和网络的海洋、沙漠和野外，或者移动通信与电力中断的灾区发挥出巨大的应用价值；北斗二号卫星系统定位精度由水平25m、高程30m，提高至目前水平10m、高程10m，测速精度由0.4m/s提高至0.2m/s，受时精度优于20ns，目前在中国及周边地区，北斗系统服务性能与GPS相当；北斗卫星系统使用的是三频信号，可以更好的消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度的固定效率。,其他重要信息RDSS的波束,北斗一共发射10颗GEO，具体情况如下表所示：,目前北斗用户机的RDSS是由北斗二号正常运行的5颗GEO提供的，由于每颗GEO能提供2个波束，所以北斗用户机最多能收到10个RDSS波束；又因为北斗用户机需要1颗GEO卫星才能通信、2颗GEO卫星才能RDSS定位，故只有当北斗用户机的RDSS波束2才能实现通信、4才能实现定位；注：RNSS的数量需要4才能实现定位。,手持终端和指挥终端的RDSS波束显示,注：RDSS的数量指的是波束的数量、RNSS的数量指的是卫星的数量,其他重要信息导航电文,导航卫星信号一般由3部分组成：载波信号、伪随机噪声码(测距码)和数据码。其中，数据码是卫星以二进制码流形式发送给用户的导航定位数据，通常称为导航电文。卫星导航电文是由导航卫星播发给用户的描述导航卫星运行状态参数的电文，包括星历、历书、时间系统、导航服务参数等：星历是表示卫星精确位置的轨道参数，可为用户提供计算卫星运动位置的信息；历书是卫星导航电文中所有在轨卫星的粗略轨道参数，有助于缩短导航信号的捕获时间。时间系统是以地面主控站的主原子钟为基准。卫星时钟和系统时存在着一定的差异，地面监测系统监测确定出这种差异，通过导航电文播发给用户。导航服务参数是指卫星标识符、数据期号、导航数据有效性、信号健康状态等参数。,其他重要信息扩频与调制,北斗和GPS的信号都是由载波信号、伪随机噪声码和导航电文进行直接序列扩频调制生成的。北斗二号的卫星信号中存在五个频点：RDSS的TX、RX两个频段；RNSS的B1、B2、B3三个频段。,也就是说，判断一个北斗用户是否为军用，即看它知否支持B3频点，若支持，则为军用；否则，为民用。,其他重要信息误差来源,在卫星定位的过程中会存在各种测量误差，主要来源以下三点：与卫星有关的误差：这部分误差主要包括卫星时钟误差和卫星星历误差，它们是由于卫星地面监控部分不能对卫星的运行轨道和卫星时钟的频漂做出绝对准确的测量、预测而引起的；与信号传播有关的误差：卫星信号从卫星端传播到接收机端需要穿越大气层，而大气层对信号传播的影响表现为大气延时，大气延时误差通常分为电离层延时和对流层延时两部分；与接收机有关的误差：接收机在不同地点可能会收到不同程度的多路径效应和电磁干扰，而这部分误差还包括接收机噪声和软件计算误差等。,大气延时误差,多路径效应误差,其他重要信息,差分定位；地图匹配；地基增强系统；导航,