北斗卫星定位导航系统态势与发展简述

[摘要]北斗系统是我国自主研制的卫星导航定位系统,2003年12月正式开通运行,具有可实现动态位置实时监控、首次定位快速、授时精度高、保密性强等特点。2007年,北斗系统与美国GPS、俄罗斯“格罗纳斯”和欧盟“伽利略”系统一起,被联合国确认为全球卫星导航服务“核心供应商”。a近年来,在有关部门的大力促动下,北斗卫星导航定位系统的民用开发与推广进入加速启动阶段,开始规模化进入应用市场。

[关键词]北斗卫星 定位导航 系统态势 发展

一、北斗卫星导航系统态势

1.北斗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。从2000年发射两颗导航试验卫星以来,2003年5月25日第3颗北斗一号卫星发送成功。 2003年12月正式开通运行建成北斗导航试验系统(第一代系统)。中国计划2007年两颗北斗导航卫星,2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,并进行系统组网和试验,逐步扩展为全球卫星导航系统。覆盖范围:北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°,北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。

2. 卫星数量和轨道特性:北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星,轨道赤道倾角55°,轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道,绕地球一周11小时58分。

3. 定位原理:北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算,供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题,一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性,这在军事上相当不利,另一方面由于设备必须包含发射机,因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。

4. 定位精度:北斗导航系统三维定位精度约几十米,授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m,C/A码目前己由25-100m提高到12m,授时精度日前约20ns。

5. 用户容量:北斗导航系统由于是主动双向测距的询问--应答系统,用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号,还要求用户设备向同步卫星发射应答信号,这样,系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此,北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统,用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位,因此GPS的用户设备容量是无限的。

6. 生存能力:和所有导航定位卫星系统一样,“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作,但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多,因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性,GPS正在发展星际横向数据链技术,使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能性,一旦中心控制系统受损,系统就不能继续工作了。

7. 实时性:“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统,中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户,其间要经过地球静止卫星走一个来回,再加上卫星转发,中心控制系统的处理,时间延迟就更长了,因此对于高速运动体,就加大了定位的误差。此外,“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点,其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。

综上所述,北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途,可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。缺点是不能覆盖两极地区,赤道附近定位精度差,只能二维主动式定位,且需提供用户高程数据,不能满足高动态和保密的军事用户要求,用户数量受一定限制。但最重要的是,“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统,它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位,解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。此外,该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反,在此基础上还将建立中国的GPS广域差分系统。可以使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级,可以更好的促进GPS在民间的利用。

二、北斗卫星定位系统的发展趋势

“北斗”系统的定位作业需要中心站直接参加工作,中心站在每次定位过程中都处于核心的位置。这使它具有一些与GPS系统不同的特殊特性。第一,从“北斗”系统的定位过程可以看出,它是一个有源系统,用户机在定位过程中必须发射信号。这是它与GPS系统最大的不同。既然可以发送信号,就可以具备通信能力。因此,“北斗”系统具有低速通信功能,可以在任意两个用户机之间一次发送36个汉字字符的信息,经过授权的用户一次可以发送120个汉字的信息。这个功能是GPS无法具备的。 第二,“北斗”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,然后发送给用户机。这种工作方式使“北斗”系统存在着用户容量限制,凡是未经授权的用户都无法利用“北斗”系统进行定位作业,因而具备极好的保密性和反利用性。 第三,“北斗”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1秒钟,因此它不适合飞机、导弹等高速运动的物体,而更适合舰船、车辆、人员等低速运动目标的定位。根据以上分析,我们可以看出,“北斗”系统与GPS系统的最大不同,就在于它采用了有源定位和集中计算的工作机制。从计算机的角度来看,“北斗”系统实际上是一个主机――终端型的集中式计算机网络系统。相比之下,GPS系统采用24颗卫星组成的星座只提供测距信号,计算由各个用户机自行完成。采用RDSS机制的“北斗”系统与采用军用P码的GPS系统相比,在一些重要性能上存在着一些差距。一代"北斗"是区域卫星导航系统,只能全天候、全天时用于中国及其周边地区;而GPS和GLONASS都是全球导航定位系统,在全球的任何一点,只要卫星信号未被遮蔽或干扰,都能接收到三维坐标。"区域性是我国双星定位的技术特点、水平以及国家需求决定的,

二代‘北斗’可以称为‘中国的GPS’,不过它仍然会比GPS多一个通讯为发展我国二代"北斗"的关键技术提供了准备。定位的“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器,能够参照其他星,把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功,表明这种技术是有效而可靠的。这样,当我们不断发射新的卫星构建二代“北斗”体系时,众多卫星就会找准自己的位置,构成符合标准的网络。此外,“北斗”一号的3颗星寿命都是8年,专家正不断研究,预计下一次发射的卫星寿命就能达到10年左右了;而目前GPS卫星的寿命都是12年左右,GLONASS卫星的寿命则是3到5年。

参考文献:

[1]李天文,GPS原理与应用,科学出版社,2003

[2]张守信,黄学德,GPS技术与应用,国防工业出版社,2004