word文档第10章 北斗卫星导航系统

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第10章北斗卫星导航系统253第10章北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统由我国自主建立,以“先区域,后全球”的建设思想分为北斗一代(BeidouI)和北斗二代(COMPASS或BeidouII)两个阶段。BeidouI卫星导航系统是具备通信功能的、区域性有源定位双星导航系统,能实现中国和东南亚地区的导航、通信、授时服务。BeidouI于2003年正式投入使用以来,工作状态稳定可靠,并逐步向COMPASS全球卫星导航系统过渡。101BeidouI系统构成BeidouI卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,如图101-1所示,与全球卫星导航系统不同的是,BeidouI只有两颗工作卫星,属于区域卫星导航系统。用户段主控站标校站测轨站测高站地面段空间段卫星1卫星2北斗运营服务中心用户监控管理中心图101-1BeidouI卫星导航系统组成1011空间段BeidouI卫星导航系统采用双星定位技术,空间卫星指的是地球同步轨道上距离地面36000km的两颗工作卫星,分别位于赤经80°E和140°E,升交点赤经相差60°,能够覆盖地球约70°~140°E、5°~55°N的区域。BeidouI系统建成后又发射了两颗备用卫星,分别位卫星导航原理及应用254于赤经1105°E和86°E。BeidouI卫星的发射情况见表101-1(表中包括两颗COMPASS实验卫星)。表101-1卫星发射时间表日期火箭卫星轨道2000年10月31日长征三号甲北斗-1A140°E2000年12月21日长征三号甲北斗-1B80°E2003年05月25日长征三号甲北斗-1C1105°E2007年02月03日长征三号甲北斗-1D86°E2007年04月14日长征三号甲北斗-2A中地球轨道2009年04月15日长征三号丙北斗-2B地球同步轨道BeidouI导航卫星选用东方红三号卫星平台,总重约2300kg,卫星设计使用寿命8年。采用三轴稳定方式,由转发器、天线、电源、测控、姿态和轨道控制等分系统组成。卫星形状为2000mm×1720mm×2200mm的立方体箱形结构,分为服务舱、推进舱和载荷舱。卫星上的遥测系统能够接收地面主控站发出的命令,根据主控站的指令进行工作状态调整。BeidouI导航卫星的主要任务是转发主控站和接收机间的信号。卫星与主控站使用C波段实现通信,从主控站发出的信号采用63GHz线极化波,进入主控站的信号采用51GHz线极化波。卫星与接收机的通信则采用L波段和S波段,接收机向卫星发射的信号为16GHz右旋圆极化波,而卫星向接收机发射的信号为25GHz左旋圆极化波。1012地面段BeidouI地面段由主控站、测轨站、测高站和标校站等组成,是导航系统的控制、计算、处理和管理中心。测轨站、测高站、标校站均为无人职守的自动数据测量与收集中心,在主控站的监测与控制下工作[98]。主控站。主控站除监控整个系统工作外,还负责用户的注册和运营、监控卫星工作、实现与卫星之间的通信、监控地面上其它子系统的工作、对BeidouI接收机发送的业务请求进行应答处理以及将处理结果通过卫星发送给接收机。与其它卫星导航系统采用被动定位不同的是,BeidouI接收机的定位解算过程由主控站执行:主控站利用电波在主控站、卫星、用户间往返的传播时间以及气压高度数据、误差校正数据和卫星星历数据,结合存贮在主控站的系统覆盖区数字高程地图对用户进行定位。测轨站。在卫星导航定位中,卫星在轨位置对于定位解算至关重要,卫星轨道坐标的测量误差将直接引起定位误差。为精确解算接收机的坐标,在BeidouI卫星导航系统中建立了多个坐标已知的测轨站,各测轨站将卫星轨道的测量结果发送至主控站,主控站根据收到的观测信息精确计算卫星在轨位置。测高站。在BeidouI卫星导航系统覆盖区内设立了若干测高站,用气压高度计测量测高站所在地区的海拔高度,通常一个测站测得的数据粗略地代表了其周围100~200km地区的第10章北斗卫星导航系统255海拔高度。海拔高度和该地区大地水准面高度之和就是该地区实际地形离基准椭球面的高度,测高站将测量结果发送给主控站,以便主控站解算接收机坐标时调用。标校站。由于信号传播、接收机高程等信息受各种误差影响较大,为提高定位精度,在系统覆盖区域内设立了若干坐标已知的标校站,实施差分测量。接收机距离标校站越近、覆盖区域中标校站数量越多,则定位误差越小。1013用户段用户段主要是指BeidouI接收机,该接收机同时具备定位、通信和授时功能。北斗卫星导航系统运营服务商和系统集成商根据用户的需求为用户构建适合的应用系统并配置北斗用户机,北斗运营服务中心将授权用户一个与手持机号码类似的ID识别号,用户按照ID号注册登记后,北斗运营服务中心为用户开通服务,用户机正式投入使用。根据北斗用户机的应用环境和功能的不同,可分为以下五种类型[99]:普通型。该型用户机只能进行定位和点对点的通信,适合于一般车辆、船舶及便携用户的定位导航应用,可接收和发送定位及通信信息,与主控站及其它用户终端双向通信。通信型。适合于野外作业、水文测报、环境监测等各类数据采集和数据传输用户,可接收和发送短报文信息,与主控站和其它用户终端进行双向或单向通信。授时型。适合于授时、校时、时间同步等用户,可提供数十纳秒级的时间同步精度。指挥型。指挥型用户机供拥有一定用户数量的上级集团管理部门所使用,除具有普通型用户机所有功能外,还能够播发通信信息和接收主控站发给所属用户的定位通信信息。指挥型用户机适合于指挥中心指挥调度、监控管理等应用,具有鉴别、指挥下属其它北斗用户机的功能,同时还可与下属北斗用户机及中心站进行通信,接收下属用户的报文,并向下属用户发播指令。多模型。此种用户机既能接收北斗卫星定位和通信信息,又可利用GPS系统或GPS增强系统进行导航定位,适合于对位置信息要求比较高的用户。102BeidouI卫星信号BeidouI卫星导航系统主控站通过卫星向用户转发的信号包含同向(I)和正交(Q)两个通道,两个通道分别对信息进行卷积编码和扩频,然后采用QPSK方式调制到高频载波上,其中,I通道采用Kasimi码进行扩频,调制定位、通信、授时或其它服务信息;Q通道采用Gold码进行扩频,调制定位和通信信息。BeidouI信号编码、扩频、调制过程如图102-1所示,图中cf表示载波频率。卫星导航原理及应用256I支路信息Q支路信息卷积编码卷积编码Goldcos(2)cftsin(2)cftKasami图102-1BeidouI导航系统主控站信号调制方式BeidouI的导航信息在时间上采用帧结构方式,每秒传送32帧,每一帧包含250bit,传送时间为3125ms[100],信息格式如表102-1。表102-1BeidouI导航信息类别授时信息空帧重播其它出站帧号1~5帧6~7帧8~12帧13帧14~34帧35~46帧47~53帧54~117帧118~128帧129~245帧246~1920帧bit时刻20bit闰秒8bit时差4bit卫星号4bit卫星位置卫星速度时延电磁波传播修正模型参数A0„A15暂无重播1~117内容待定XYZXYZA0A1„A1528bit28bit28bit16bit16Bit16Bit28bit16bit16bit16bit16bit表中各参数说明如下:时刻——第一帧开始时对应的时刻,单位为min。闰秒——BeidouI系统时间与协调世界时之间相差的整秒数,单位为s。时差——BeidouI系统时间与协调世界时之间的时间差,单位为ns。卫星号——转发本次出站的授时数据对应的卫星号。卫星位置——卫星在北京坐标系P54中的位置,单位为m。卫星速度——卫星在北京坐标系P54中的速度,单位为m/s。大气延时——从主控站到卫星的对流层/电离层延时,单位为ns。电磁波传播修正模型参数——用于对电磁波传播延时进行模型修正,与系统选用的模型有关。第10章北斗卫星导航系统257103BeidouI工作原理卫星1卫星2主控站用户n用户1主控站询问信号用户端响应信号图103-1BeidouI信号转发示意图如图103-1所示,BeidouI系统工作时首先由主控站向卫星l和卫星2同时发送询问信号,经卫星上的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,同时向第二颗卫星发送响应信号(用户的申请服务内容包含在内),经卫星转发器向主控站转发,主控站接收解调用户发送的信号,测量出用户所在点至两卫星的距离和,然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。在用户端,BeidouI接收机除具备信号接收通道外,还包括发射通道,用于发送用户请求信号。当用户接收机需要进行定位、通信或授时服务时,基带信号处理模块完成相应请求信号的编码、扩频、调制,形成发射信号,并通过卫星向主控站转发,主控站处理完成后再通过卫星将处理结果发送给接收机[101],完成用户所需的定位、通信或授时服务。由于在定位时接收机需要向卫星发送信号,根据信号传播的时间计算接收机坐标,所以,BeidouI卫星导航系统是一种有源定位系统[102]。由于采用主动式定位,在某一时刻,主控站需要响应所有用户的定位请求,因而系统容量有一定的限制,BeidouI的平均用户容量约为30万个。1031通信原理在BeidouI导航系统中,接收机与接收机之间、接收机与主控站之间均可实现双工通信。每个接收机采用不同的加密码,所有的通信内容和指令均通过主控站进行转发。主控站可以和系统中任何接收机利用时分多址方式进行通信,即主控站分不同时段向不同接收机发送信号,实现和不同接收机的通信。每次通信可传送210个字节,即105个汉字。当接收机需要和主控站通信时,通信内容存储在询问信号和回答信号的信息段中,由

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