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  • 北斗导航卫星

    北斗卫星导航系统(英文简称“COMPASS”,中文音译名称“BD”或“Beidou”)是中国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。北斗导航卫星是北斗卫星导航系统的组成部分,包括35颗导航卫星,截止2012年9月,已发射15颗,构成了可辐射亚太地区的基本系统,提供开放服务和授权服务两种服务模式,军民共用。2016年3月30日4时11分,在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭,成功发射了第二十二颗北斗导航卫星。

    编辑摘要
    科学 +
    北斗导航卫星

    2012年年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;计划在2020年前后,建成北斗全球系统,向全球提供服务。[详细]

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 北斗导航卫星 英文名: BeiDou Navigation Satellite System
    别称: COMPASS 所属组织: 中国
    发射方式: 火箭发射
    • 尼摩船长技术的先进并不代表一切,独立、可靠才是关键。

    目录

    简介/北斗导航卫星 编辑

    北斗导航卫星北斗导航卫星
    卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设,一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。
    2000年,首先建成北斗导航试验系统,使中国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域,产生显著的经济效益和社会效益。2008年北京奥运会汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为了更好地服务于国家建设与发展,满足全球应用需求,中国启动实施了北斗卫星导航系统建设。
    北斗导航卫星是构成中国北斗卫星导航系统(CNSS)空间段的主要部分。北斗导航系统空间段计划部署35颗卫星,截止2012年9月19日,已发射15颗北斗卫星,建成了基本系统,具备覆盖亚太地区定位导航和授时以及短报文通信服务能力。
    预计到2020年,卫星组网计划基本完成,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。其主要功能是提升系统的服务能力,扩大覆盖区域。[1]

    定位原理/北斗导航卫星 编辑

    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。

    导航原理/北斗导航卫星 编辑

    北斗导航卫星北斗导航卫星
    跟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。

    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。中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。”

    系统功能/北斗导航卫星 编辑

    四大功能

    短报文通信:北斗系统用户终端具有双向报文通信功能,用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。

    可以达到一次传送达120个汉字的信息。在远洋航行中有重要的应用价值。

    精密授时:北斗系统具有精密授时功能,可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。

    定位精度:水平精度100米(1σ),设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率:2491.75MHz。

    系统容纳的最大用户数:540000户/小时。

    军用功能

    “北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似,如:运动目标的定位导航;为缩短反应时间的武器载具发射位置的快速定位;人员搜救、水上排雷的定位需求等。

    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”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。

    民用功能

    个人位置服务

    当某人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其要走的路线。

    气象应用

    北斗导航卫星气象应用的开展,可以促进中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,提升中国气象防灾减灾的能力。
    除此之外,北斗导航卫星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。

    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。

    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。

    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。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,北斗卫星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。

    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。通过将北斗卫星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。

    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。北斗卫星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。

    指导放牧

    2014年10月,北斗系统开始在青海省牧区试点建设北斗卫星放牧信息化指导系统,主要依靠牧区放牧智能指导系统管理平台、牧民专用北斗智能终端和牧场数据采集自动站,实现数据信息传输,并通过北斗地面站及北斗星群中转、中继处理,实现草场牧草、牛羊的动态监控。2015年夏季,试点牧区的牧民就能使用专用北斗智能终端设备来指导放牧。

    组成/北斗导航卫星 编辑

    北斗卫星导航系统空间段包括五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星。

    地球静止轨道卫星

    共五颗,分别位于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。

    非静止轨道卫星

    由27颗中高度圆轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星组成。

    全球定位卫星系统的空间卫星一般运行在距离地面20000千米左右的太空,24-30颗卫星组成星座,依据其结构设计分布在3个或6个轨道平面上,相邻轨道间的夹角相同。为保证系统的连续运行,一般在每个轨道上还部署一颗备份卫星,一旦有卫星发生故障,则可以立即替代。[2]

    服务方式/北斗导航卫星 编辑

    北斗导航卫星提供两种服务方式,即开放服务和授权服务(属于第二代系统)。

    开放服务

    是在服务区免费提供定位、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。   

    工作过程/北斗导航卫星 编辑

    北斗一号

    2010年11月1日1日零时26分长征三号丙运载火箭成功将第六颗北斗导航卫星送入太空2010年11月1日1日零时26分长征三号丙运载火箭成功将第六颗北斗导航卫星送入太空
    首先由中心控制系统向卫星Ⅰ和卫星Ⅱ同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播。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。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。

    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。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。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。[3]

    北斗二号

    空间段卫星接收地面运控系统上行注入的导航电文及参数,并且连续向地面用户发播卫星导航信号,用户接收到至少4颗卫星信号后,进行伪距测量和定位解算,最后得到定位结果。同时为了保持地面运控系统各站之间时间同步,以及地面站与卫星之间时间同步,通过站间和星地时间比对观测与处理完成地面站间和卫星与地面站间时间同步。分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行监测,采集各类观测数据后将其发送至主控站,由主控站完成卫星轨道精密确定及其它导航参数的确定、广域差分信息和完好性信息处理,形成上行注入的导航电文及参数。[4]

     

    发射记录/北斗导航卫星 编辑

    北斗卫星发射列表 
    发射时间火箭卫星编号卫星类型发射地点
    2000年10月31日
    北斗-1A
    北斗1号
    西昌
    2000年12月21日
    北斗-1B
    2003年5月25日
    北斗-1C
    2007年2月3日
    北斗-1D
    2007年4月14日04时11分
    长征三号甲
    第一颗北斗导航卫星(M1)
    北斗2号
    2009年4月15日
    长征三号丙
    第二颗北斗导航卫星(G2)
    2010年1月17日
    第三颗北斗导航卫星(G1)
    2010年6月2日
    第四颗北斗导航卫星(G3)
    2010年8月1日05时30分
    长征三号甲
    第五颗北斗导航卫星(I1)
    2010年11月1日00时26分
    长征三号丙
    第六颗北斗导航卫星(G4)
    2010年12月18日04时20分
    长征三号甲
    第七颗北斗导航卫星(I2)
    2011年4月10日04时47分
    第八颗北斗导航卫星(I3)
    2011年7月27日05时44分
    第九颗北斗导航卫星(I4)
    2011年12月2日05时07分
    第十颗北斗导航卫星(I5)
    2012年2月25日0时12分
    长征三号丙
    第十一颗北斗导航卫星
    2012年4月30日4时50分
    长征三号乙
    第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星(“一箭双星”)
    2012年9月19日3时10分
    长征三号乙
    第十四、十五颗北斗导航系统组网卫星“一箭双星”)
    2012年10月25日23时33分
    长征三号丙
    第十六颗北斗导航卫星
    2016年2月1日15时29分长征三号丙第五颗新一代北斗导航卫星

    2016年3月30日4时11分  长征三号甲 第二十二颗北斗导航卫星  

    卫星组成/北斗导航卫星 编辑

    发射日期
    发射火箭
    卫星
    轨道类别
    运行状况
    备注
    2000.10.31
    CZ-3A Y5
    北斗-1A
    废弃卫星轨道
    停止工作
    北斗一号
    2000.12.21
    CZ-3A Y6
    北斗-1B
    废弃卫星轨道
    停止工作
    2003.5.25
    CZ-3A Y7
    北斗-1C
    地球静止轨道 85.3°E
    正常
    2007.2.3
    CZ-3A Y12
    北斗-1D
    废弃卫星轨道
    失效
    2007.4.14
    CZ-3A Y13
    北斗-M1
    中地球轨道~21500km
    正常,测试星
    北斗二号
    2009.4.15
    CZ-3C Y3
    北斗-G2
    35594 x 36036 km 漂移
    失效
    2010.1.17
    CZ-3C Y2
    北斗-G1
    地球静止轨道 140°E
    正常
    2010.6.2
    CZ-3C Y4
    北斗-G3
    地球静止轨道 84°E
    正常
    2010.8.1
    CZ-3A Y16
    北斗-I1
    倾斜地球同步轨道倾角55°
    正常
    2010.11.1
    CZ-3C Y5
    北斗-G4
    地球静止轨道 160°E
    正常
    2010.12.18
    CZ-3A Y18
    北斗-I2
    倾斜地球同步轨道 倾角55°
    正常
    2011.4.10
    CZ-3A Y19
    北斗-I3
    倾斜地球同步轨道 倾角55°
    正常
    2011.7.27
    CZ-3A Y17
    北斗-I4
    倾斜地球同步轨道 倾角55°
    正常
    2011.12.2
    CZ-3A Y23
    北斗-I5
    倾斜地球同步轨道 倾角55°
    正常
    2012.2.25
    CZ-3C Y6
    北斗-G5
    地球静止轨道 58.5°E
    正常
    2012.4.30
    CZ-3B Y14
    北斗-M3
    中地球轨道~21500km
    正常
    2012.4.30
    CZ-3B Y14
    北斗-M4
    中地球轨道~21332km
    正常
    2012.9.19
    CZ-3B Y15
    北斗-M5
    中地球轨道~21332km
    正常
    2012.9.19
    CZ-3B Y15
    北斗-M6
    中地球轨道~21332km
    正常
    2012.10.25
    CZ-3C Y
    北斗-G6
    地球静止轨道 110.5°E

    星座构成/北斗导航卫星 编辑

    北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成,包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°,中地球轨道卫星运行在3个轨道面上,轨道面之间为相隔120°均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时,已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星,其中14颗组网并提供服务,分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星(均在倾角55°的轨道面上),4颗中地球轨道卫星(均在倾角55°的轨道面上)。
    序号
    卫星
    发射日期
    火箭
    运行轨道
    使用状况
    状态
    1
    北斗-M1
    2007年04月14日
    长征三号甲
    中地球轨道,高度21559公里,倾角56.8°
    试验星未使用
    M1
    2
    北斗-G2
    2009年04月15日
    长征三号丙
    有误差的地球静止轨道,高度36027公里,倾角2.2°
    失控未使用
    G2
    3
    北斗-G1
    2010年01月17日
    长征三号丙
    地球静止轨道140.0°E,高度35807公里,倾角1.6°
    使用中
    G1
    4
    北斗-G3
    2010年06月02日
    长征三号丙
    地球静止轨道110.6°E,高度35809公里,倾角1.3°
    使用中
    G3
    5
    北斗-IGSO1
    2010年08月01日
    长征三号甲
    倾斜地球同步轨道,高度35916公里,倾角54.6°
    使用中
    IGSO1
    6
    北斗-G4
    2010年11月01日
    长征三号丙
    地球静止轨道160.0°E,高度35815公里,倾角0.6°
    使用中
    G4
    7
    北斗-IGSO2
    2010年12月18日
    长征三号甲
    倾斜地球同步轨道,高度35883公里, 倾角54.8°
    使用中
    IGSO2
    8
    北斗-IGSO3
    2011年04月10日
    长征三号甲
    倾斜地球同步轨道,高度35911公里, 倾角55.9°
    使用中
    IGSO3
    9
    北斗-IGSO4
    2011年07月27日
    长征三号甲
    倾斜地球同步轨道,高度35879公里, 倾角54.9°
    使用中
    IGSO4
    10
    北斗-IGSO5
    2011年12月02日
    长征三号甲
    倾斜地球同步轨道,高度35880公里, 倾角54.9°
    使用中
    IGSO5
    11
    北斗-G5
    2012年02月25日
    长征三号丙
    地球静止轨道58.7°E,高度35801公里,倾角1.4°
    使用中
    G5
    12
    北斗-M3
    2012年04月30日
    长征三号乙
    中地球轨道,高度21607公里,倾角55.3°
    使用中
    M3
    13
    北斗-M4
    2012年04月30日
    长征三号乙
    中地球轨道,高度21617公里,倾角55.2°
    使用中
    M4
    14
    北斗-M5
    2012年09月19日
    长征三号乙
    中地球轨道 ,高度21597公里,倾角55.0°
    使用中
    M5
    15
    北斗-M6
    2012年09月19日
    长征三号乙
    中地球轨道,高度21576公里,倾角55.1°
    使用中
    M6
    16
    北斗-G6
    2012年10月25日
    长征三号丙
    地球静止轨道80.2°E,高度35803公里,倾角1.7°
    使用中
    G6

    相关文献

    参考资料
    [1]^引用日期:2011-12-29
    [2]^引用日期:2011-12-29
    [3]^引用日期:2011-12-03
    [4]^引用日期:2011-12-03
    扩展阅读
    1新华网
    2我国卫星导航系统建设和发展日臻成熟
    3媒体曝北斗卫星曾受强干扰导致信号传输中断

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