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回忆录（59）为“北斗”导航鼓与呼: kd652 2018-7-22 18:25; 2004年，在深圳国人公司工作的原海大毕业生来大连出差顺便看望我，原因是我曾经指导他做本科毕业设计，他带来了公司的新产品，北斗1号导航接收机，我跟他商量，给学校里的同学做个讲座，我负责讲解，他负责操作演示，当时散发给与会者的提纲是这样子的：讲座时，海事大学前校长，我读研究生时的导师陈祖慰教授(前排老者)应邀出席：演示设备时，前海事大学电子系主任（也是我读研时的导师）袁安存教授亲临指导：需要说明的是，当时演示的是“北斗导航1号”接收样机，天空中仅3颗北斗导航卫星，用其中的两颗就能够确定出接收机的位置，另一颗是备份。服务范围仅仅略大于中国国土范围，现在看来“北斗导航1号”是一个试验系统。现在天空中运转的是实用的成熟的“北斗导航2号”系统，服务于全球. 目前，北斗3号导航系统正在组建中，根据计划，年底前将建成由18颗北斗三号卫星组成的基本系统，为“一带一路”沿线国家提供服务。从此次发射开始，北斗卫星组网发射进入前所未有的高密度期。我国第一代导航卫星北斗一号与第二代导航卫星北斗二号以及第三代导航卫星北斗三号在工作原理上有明显不同之处。北斗一号卫星导航系统是通过采用卫星无线电测定业务方式来确定用户的位置。在平时，地面中心站经2颗北斗一号地球静止轨道卫星不断向用户询问是否需要定位的信号，而用户终端一般只处于光收听不发信息的状态。当需要定位时，用户终端分别经2颗北斗一号地球静止轨道卫星向中心站发送需要定位的申请信号。这时，地面中心站通过测量信号的往返时间来算出用户终端分别到每颗卫星的距离。由于卫星的位置是已知的，所以可以用这2个距离测量数据进一步推算出用户位置。最后，地面中心站将该定位信号经1颗卫星传给用户终端。采用这种方式的优点所需卫星少，只要2颗卫星就行；具有导航定位、发短报文和精密授时等多种功能。但其定位精度不高，系统用户容量有限。北斗二号和北斗三号卫星导航系统在国际首次实现了采用卫星无线电测定业务和卫星无线电导航业务相结合的集成体制方式来为用户导航定位。所谓卫星无线电导航业务，就是用户被动测量来自至少4颗在卫星时钟控制下的导航卫星连续发送的无线电导航信号，并根据这些卫星信号的不同传输时间，来测定用户到这些卫星的不同距离，然后通过用户终端的数学运算得到用户的三维坐标与速度。北斗三号卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区中免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。 2017年11月5日19时45分，西昌卫星发射中心再次用长征三号乙运载火箭，成功发射两颗北斗三号全球组网卫星。据中国卫星导航系统管理办公室公布的计划，以此次任务为起点，我国将迎来北斗三号卫星高密度发射。到2018年年底，将有18颗北斗卫星发射升空，服务区域覆盖“一带一路”沿线国家及周边国家；到2020年，将完成35颗北斗三号卫星的组网，向全球提供相关服务。中文名北斗三号卫星外文名 BD3、Beidou-3 原理：北斗卫星导航系统北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°~140°，北纬5°~55°。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。定位原理 35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。卫星定位实施的是“到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，通常称之为时延，因此，也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速，便能得到距离。每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间，而全球监测站网保持连续跟踪。卫星导航原理踪卫星的轨道位置和系统时间。位于地面的主控站与其运控段一起，至少每天一次对每颗卫星注入校正数据。注入数据包括：星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的，可在几个星期内保持有效。卫星导航系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时（ UTC ）的几纳秒以内，UTC是由美国海军观象台的“主钟”保持的，每台主钟的稳定性为若干个10^-13秒。卫星早期采用两部铯频标和两部铷频标，后来逐步改变为更多地采用铷频标。通常，在任一指定时间内，每颗卫星上只有一台频标在工作。卫星导航原理：卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差，称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用的定位精度只有数十米量级。为提高定位精度，普遍采用差分定位技术（如DGPS、DGNSS），建立地面基准站 (差分台)进行卫星观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分定位技术，定位精度可提高到米级。定位精度中国北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略之后的全球第四大卫星导航系统。定位效果分析是导航系统性能评估的重要内容。此前，由于受地域限制，对北斗全球大范围的定位效果分析只能通过仿真手段。由武汉大学测绘学院和中国南极测绘研究中心杜玉军、王泽民等科研人员进行的这项研究，在2011—2012年中国第28次南极科学考察期间，沿途大范围采集了北斗和GPS连续实测数据，跨度北至中国天津，南至南极内陆昆仑站。同时还采集了中国南极中山站的静态观测数据。为对比分析不同区域静态定位效果，在武汉也进行了静态观测。科研人员利用严谨的分析研究方法，从信噪比、多路径、可见卫星数、精度因子、定位精度等多个方面，对比分析了北斗和GPS在航线上不同区域、尤其是在远洋及南极地区不同运动状态下的定位效果。结果表明，北斗系统信号质量总体上与GPS相当。在45度以内的中低纬地区，北斗动态定位精度与GPS相当，水平和高程方向分别可达10米和20米左右；北斗静态定位水平方向精度为米级，也与GPS相当，高程方向10米左右，较GPS略差；在中高纬度地区，由于北斗可见卫星数较少、卫星分布较差，定位精度较差或无法定位。 “现阶段的北斗已经实现区域定位，但还不具备全球定位能力，北斗与GPS在定位效果上的差异，主要是由卫星数量和分布造成的。”武汉大学中国南极测绘研究中心副主任王泽民教授说，“截至文中研究数据采集结束时，北斗系统在轨卫星数为11颗。上个月，我国成功发射了新一代北斗导航卫星，北斗系统在轨卫星数达到了17颗。随着北斗系统全球组网拉开帷幕，相信今后的实测数据一定会更加精彩。” 附：当时讲座投影稿：北斗一号讲座1.doc; 个人分类: 回忆录|2917 次阅读|0 个评论

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