北斗卫星导航定位系统(BDS)是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统,是继美国的GPS、俄罗斯的 GLONASS之后第三个成熟的卫星导航定位系统。北斗卫星导航定位系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则。 北斗卫星导航定位系统的组成北斗卫星导航定位系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,如图6-5所示。
空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星;地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站;用户段由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧洲的 GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。
北斗卫星导航定位系统与GPS具有以下差别。
①北斗卫星导航定位系统是一个有源系统,用户在定位过程中必须发射信号,具备通信能力,这是它与GPS最大的不同。北斗系统具有低速通信功能,可
以在中心站与任意一个用户机之间或任意两个用户机之间一次发送包含36个汉字字符的信息,经过授权的用户一次可以发送包含120个汉字字符的信息,这个功能是GPS无法具备的。
②北斗卫星导航定位系统每次定位作业都是由用户机发出请求,经过中心站解算出坐标,然后发给用户机。这种工作方式使得BDS存在用户容量限制,凡是未经授权的用户都无法利用北斗卫星导航定位系统进行定位作业,因而具备极好的保密性。
③北斗卫星导航定位系统一次定位需要测距信号经中心站-卫星-用户机往返两次,因此费时比较长,从用户机发出定位请求到收到定位数据大约需要1s,因此它不适合飞机、导弹等高速运动的物体,而更适合船舰、车辆、人员等低速运动目标的定位。
2.北斗卫星定位原理北斗卫星导航定位系统的定位原理与GPS的定位原理基本相同。
斗卫星导航定位系统在进行定位时,所采用的原理是通过对卫星信号站点之间的传播时间进行推算,进而确立相应的卫星站点距离,这样就能够对接收机进行较为准确的定位。一般采用载波相位测量法进行定位,其原理大致如下:首先用a来表示卫星所发射的载波信号相位数值,用b来表示地面基站所接收的载波信号相位数值,卫星站点之间的距离X=n(a+b),其中n指的是载波信号的波长在实际操作中a值是无法进行测算的,往往是采用接收机所产生的基准信号来代替,由于该基准信号的频率与卫星所发射的载波信号相位是一致的,所以并不会影响到后续定位的精准程度。
通过载波相位测量法进行定位,在整个定位过程中,会受到多种误差因素的影响,进而降低定位精度。由于在相同时间点,不同观测站在观测同一卫星时,在进行信号接收时所受到的误差影响具有较强的关联性,通过不同方式对同步观测量进行差值计算,就能够最大化地减少误差。
3.北斗卫星导航定位系统的特点北斗卫星导航定位系统具有以下特点。
①空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比,高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其在低纬度地区性能优势更为明显。
②提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。
③创新融合了导航与通信功能,具备定位导航授时、星基增强、地基增强精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力。
4.北斗卫星导航定位系统的服务功能(1)服务类型 北斗系统具备导航定位和通信数传两大功能,提供以下7种服务。
①定位导航授时。定位是导航的基础,导航是定位的应用;定位是“告诉你在哪”,导航是“告诉你如何从现在所处的位置,去你想要去的地方”。授时就是给出准确的时间,对一些仪器设备来说就是进行时间的校准,北斗的授时精度可达到10纳秒级。
②全球短报文通信。短报文功能是指卫星定位终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递,GPS只能单向传递(终端接收从卫星传来的位置信号)。
③国际搜救。北斗三号系统的6颗MEO卫星上,装有搜救载荷,可以与其他全球卫星搜救系统一起,为全球用户提供搜救服务。这项服务是按国际卫星标准,与其他国际卫星搜救系统联合开展的一项免费公益性服务,主要用于水上、陆地、空中遇险目标的定位和救援④星基增强。北斗星基增强系统也叫广域差分增强系统,通过地球静止轨道(GEO)卫星搭载卫星导航增强信号转发器,可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进。
北斗星基增强系统由大量基准站对导航卫星进行监测,获得原始定位数据,并送至中央处理设施,计算得到各个卫星的各项误差改正信息,发给地球同步轨道GEO卫星,卫星将改正信息播发给用户终端,终端解算得到高精度定位结果。
⑤地基增强。北斗地基增强系统是一套可以使北斗定位精度达到厘米级的系统,它具备为用户提供广域实时米级、分米级、厘米级和后处理毫米级定位精度的能力。
⑥精密单点定位。精密单点定位是利用单台双频地球导航卫星系统GNSs接收机、基于载波相位观测值和国际GNSS服务组织lGS提供的卫星轨道和钟差产品进行单点定位的技术。
⑦区域短报文通信。北斗短报文可以看作是现在人们平时用的“短信息”北斗短报文可以发布140个字的信息,既能够定位,又能显示发布者的位置。北斗的双向通信功能就是指用户与用户、用户与中心控制系统间可实现双向简短数字报文通信,GPS只有单向,所以说这是北斗的优势。另外,在海洋、沙漠和野外这些没有通信和网络的地方,安装北斗系统终端的用户,可以定位自己的位置,并能够向外界发布文字信息。
其中①~③是面向全球范围,④~⑦是面向中国及周边地区。
(2)性能指标
①定位导航授时服务性能指标。北斗系统利用3颗高轨道(GEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、24颗中轨道(MEO)卫星,向位于地表及其以上1000km空间的全球用户提供定位导航授时免费服务。主要性能见表6-1。
②全球短报文通信服务性能指标。北斗系统利用MEO卫星,向位于地表及其以上1000m空间的特许用户提供全球短报文通信服务。主要性能见表6-2。
③国际搜救服务性能指标。北斗系统利用MEO卫星,按照国际搜救卫星组织标准,与其他搜救卫星系统联合向全球航海、航空和陆地用户提供免费遇险报警服务,并具备反向链路确认服务能力。主要性能见表6-3。
④星基增强服务性能指标。北斗系统利用GEO卫星,向中国及周边地区用户提供符合国际民航组织标准的单频增强和双频多星座增强免费服务,旨在实现类垂直引导进近指标和一类精密进近指标。
⑤地基增强服务性能指标。北斗系统利用移动通信网络或互联网络,向北斗基准站网覆盖区内的用户提供米级、分米级、厘米级、毫米级高精度定位服务
主要性能详见表6-4。
⑥精密单点定位服务性能指标。北斗系统利用GEO卫星,向中国及周边地区用户提供高精度定位免费服务。主要性能见表6-5。
⑦区域短报文通信服务性能指标。北斗系统利用GEO卫星,向中国及周边地区用户提供区域短报文通信服务。主要性能见表6-6。
