浅谈卫星定位导航系统的分类以及中国北斗导航定位系统的发展与应用_北斗卫星定位导航系统
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浅谈卫星定位导航系统的分类以及中国北斗导航定
位系统的发展与应用
（河南理工大学 河南 焦作 454000）
摘要：定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术，是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，也是武器精确制导的核心技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。
从卫星定位与导航的概念入手，阐述现代卫星定位导航系统的分类，并且根据实际应用，分析我国自主研制的北斗导航定位系统的发展及应用。关键字：定位；导航；北斗
On the claification of satellite positioning navigation system and the ChineseBeidou navigation and positioning system and application development
(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000,Henan,China)
Abstract Positioning and navigation technology is involved in automatic control, computers, microelectronics, optics, mechanics andmathematics and other subjects of high-tech, especially theaircraft to achieve miion-critical spacecraft technology, but alsothe core technology of precision-guided weapons, which improveaircraft, spacecraft and weapons mobility, speed of response andlong-range precision strike capability is important, in sea, land, air, space and other modern high-tech weapons and weaponsplatforms to be widely used.Satellite positioning and navigation from the start the concept to explain the modern claification of satellite positioning and navigation system, and based on the actual application, analysis of China's own Beidou navigation and positioning systemdeveloped by the development and application.Key Words
Positioning;navigation;Beidou
0 引言定位就是测量和表达信息、事件或目标发生在什么时间、什么相关的空间位置的理论方法与技术。导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及个人(总称作运载体)安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手。
定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术，是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，也是武器精确制导的核心技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。卫星定位导航系统分类
世界上现有卫星定位导航系统有美国的GPS全球定位系统、俄罗斯的GLONASS全球导航卫星系统、欧洲GALILEO全球卫星导航系统、中国的北斗定位导航系统以及全球全球导航卫星系统GNSS。
1.1 GPS全球定位系统
图1 GPS卫星星座
GPS是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题，全部24颗导航卫星（21颗工作卫星和3颗备用卫星）系统已经建成。GPS采用码分多址（CDMA），定位精度通常15m左右，主要应用于单点导航定位与相对测地定位，具有全天候、定位迅速、精度高、可连续提供三维位置(纬度、经度和高度)、三维速度和时间信息等一系列优点，是实现全球导航定位的高新技术。通常GPS接收机接收到四颗卫星的信号就能够确定移动载体的方位，是当前移动目标导航定位的主流。1992年GPS正式向全世界开放，1994年在中国市场开始得到应用。GPS以精确位置与定时信息，已成为支持世界范围各种民用、科研和商业活动的一种资源。1.2 GLONASS全球导航卫星系统
图2 GLONASS卫星星座
GLONASS是前苏联研制并为俄罗斯继续发展的全球卫星导航系统，其组成和功能与美国的GPS相类似，可用于陆、海、空等各类用户的定位、测速及精密定时等。目前已完成了24颗工作卫星加一颗备用卫星空间星座布局，每天24小时每时刻各地的用户可见5～8颗卫星。卫星识别采用频分多址24颗 卫星各占一个频率，现已向全世界开放。1.3 GALILEO全球卫星导航系统
图3 GALILEO卫星星座
欧洲为了满足本地区导航定位的需求，计划开发针对GPS和GLONASS的广域星基增强系统（EGNOS），包括地面设施和空间卫星，以提高GPS和GLONASS系统的精度、完备性和可用性。同时，为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这一领域的垄断，欧洲决定启伽利略计划，建立自主的民用全球卫星定位系统（GALILEO）。EGNOS将是欧洲GALILEO计划的第一阶段，也是GALILEO计划的基础，并将在2002年达到初始运行能力，2007年以前到全球运行能力。GALILEO系统将建成全球性的定位和导航系统，它由 星座部分、有效载荷、地面监控系统以及区域控制部分组成。1.4 北斗定位导航系统
图4 北斗卫星星座
它是我国自主研制的区域卫星导航与定位系统。利用两颗地球同步卫星作信号中转站，用户站点的收发机接收一颗卫星转发到地面的测距信号，并向两颗卫星同时发射应答信号，地面中心站根据两颗卫 3 星转发的同一个应答信号以及其它数据计算用户站位置。用户站收发机在允许的时间或规定的时间内，在接收到卫星的转发信号后，便可得出定位结果。该系统将定位、通信和定时等功能结合在一起，且有瞬时快速定位的能力，大大提高了我国自主导航能力。1.5 GNSS全球导航卫星系统
图5 GNSS卫星星座
GNSS是由GPS/GLONASS/INTMARSAT组合而成的，目前正在发展的导航系统，其中INTMARSAT是国际海事卫星组织的简称。该组织计划通过所属的通信卫星转发GPS/GLONASS导航信息，为全球用户提供服务。由于GNSS综合了GPS和GLONASS的卫星信号，增加了整个系统可视卫星的数目，改善了卫星几何位置配置，可在任何地方有较大高度角的卫星提供选择，这样GNSS比GPS（或GLONASS）有更高的定位精度和更好的完整性状态。因此，GNSS具有很强的互补作用，在同等组合方式下，运用先进的组合导航技术，以GNSS与其它导航技术的组合导航将比GPS（或GLONASS）与其它导航技术组合有更高的精 度和可靠性。北斗导航定位系统
2.1 概述
我国的北斗卫星导航系统是20世纪80年代提出的“双星快速定位系统”的发展计划。方案于1983年提出，2000年10月31日和12月21日两颗试验的导航卫星成功发射，标志我国已建立起第一代独立自主导航定位系统。2003年5月25日第三颗北斗卫星的发射成功，一个完整的卫星导航系统完全建成，可确保全天候实时提供卫星导航定位服务。北斗卫星导航系统突出的特点是：系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单。
2.2 北斗导航定位系统的组成北斗导航定位系统包括空间部分、地面中心站、用户接收部分。空间部分：由三颗地球静止轨道卫星（一颗备用）组成。
地面中心站：包括地面应用系统和测控系统，具有位置报告、双向报告通讯及双向授时功能。用户部分：车辆、船舶、飞机以及各军兵种低动态及静态导航定位的用户。服务区域：东经70~145度，北纬5~55度范围（我国处于东经72~136度）定位精度：平面±20米，高程±10米。
2.3 北斗导航定位系统的功能
北斗导航定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。
定位：快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。通讯：用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。
授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。2.4 北斗导航定位系统的工作过程
1、首先由中心控制系统向两颗卫星同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。
2、用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。
3、中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。
4、对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。
5、由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。
6、另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。2.5 北斗导航定位系统的应用 2.5.1军事应用
北斗导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。这项功能用在军事上，意味着可主动进行各级部队的定位，也就是说大陆各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统，除了可供自身定位导航外，高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执行有相当大的助益。换言之，大陆可利用北斗导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。2.5.2民事应用
1、个人位置服务
当你进入不熟悉的地方时，你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。
2、气象应用
北斗导航系统气象应用的开展，可以促进我国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测，也可以提高空间天气预警业务水平，提升我国气象防灾减灾的能力。除此之外，北斗导航系统的气象应用对推动北斗导航卫星创新应用和产业拓展也具有重要的影响。
3、道路交通管理
卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用于道路交通管理。
4、铁路智能交通
卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。例如，在铁路运输领域，通过安装卫星导航终端设备，可极大缩短列车行驶间隔时间，降低运输成本，有效提高运输效率。未来，北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精度的定位、测速、授时服务，促进铁路交通的现代化，实现传统调度向智能交通管理的转型。
5、海运和水运
海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一，也是卫星导航最早应用的领域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备，使海上和水路运输更为高效和安全。北 5 斗卫星导航系统将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。同时，北斗导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。
6、航空运输
当飞机在机场跑道着陆时，最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。利用卫星导航精确定位与测速的优势，可实时确定飞机的瞬时位置，有效减小飞机之间的安全距离，甚至在大雾天气情况下，可以实现自动盲降，极大提高飞行安全和机场运营效率。通过将北斗导航系统与其他系统的有效结合，将为航空运输提供更多的安全保障。
7、应急救援
卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。在发生地震、洪灾等重大灾害时，救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。北斗导航系统除导航定位外，还具备短报文通信功能，通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况，有效缩短救援搜寻时间，提高抢险救灾时效，大大减少人民生命财产损失。结束语
定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术，是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，也是武器精确制导的核心技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。
目前，我国正在实施北斗卫星导航系统建设。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
参考文献：
[1] 徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民.GPS测量原理及应用 [M].武汉：武汉大学出版社，2008.[2] 边少峰，李文魁.卫星导航系统概论 [M].北京：电子工业出版社，2005.
