佘樂(lè)

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現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的研究進(jìn)展

佘樂(lè)

中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國(guó)家正在建設(shè)的重要空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，可廣泛用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。從2004年4月正式運(yùn)營(yíng)、全面對(duì)民用用戶開放至今，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作狀態(tài)良好，已在諸多領(lǐng)域開始逐步發(fā)揮重要作用。目前，北斗系統(tǒng)的應(yīng)用水平與國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，還明顯處于劣勢(shì)，這與該系統(tǒng)作為世界上第三個(gè)投入實(shí)際應(yīng)用服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地位不相稱，必須采取有力措施，推進(jìn)北斗系統(tǒng)應(yīng)用，使其更好地為我國(guó)的國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

北斗衛(wèi)星；導(dǎo)航；系統(tǒng)研究

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS），國(guó)際注冊(cè)名稱COMPASS，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立發(fā)展、自主運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國(guó)家和軍隊(duì)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)制信息權(quán)的重要手段。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是繼美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略之后，全球第四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，具有導(dǎo)航和通信相結(jié)合的服務(wù)特色[1]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是：建成獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用[2]。

北斗系統(tǒng)按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，遵循“先區(qū)域、后全球”的總體思路，建成了北斗一號(hào)、二號(hào)系統(tǒng)，正在開展北斗全球系統(tǒng)建設(shè)[3]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將于2012年前具備亞太地區(qū)區(qū)域服務(wù)能力，2020年左右建成由20余顆衛(wèi)星、地面段和各類用戶終端構(gòu)成的、覆蓋全球的大型航天系統(tǒng)。截至目前，我國(guó)已成功發(fā)射22顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為全球用戶提供開放、穩(wěn)定、可靠的定位定向、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、精密測(cè)速、精確授時(shí)、位置報(bào)告、短信服務(wù)六大功能，定位精度10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度20納秒。

1 星座構(gòu)成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點(diǎn)位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運(yùn)行在3個(gè)軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。至2012年底北斗亞太區(qū)域?qū)Ш秸介_通時(shí)，已為正式系統(tǒng)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)，分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（均在傾角55°的軌道面上），4顆中地球軌道衛(wèi)星（均在傾角55°的軌道面上）。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航原理

衛(wèi)星導(dǎo)航原理：衛(wèi)星至用戶間的距離測(cè)量是基于衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射時(shí)間與到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間之差，稱為偽距。為了計(jì)算用戶的三維位置和接收機(jī)時(shí)鐘偏差，偽距測(cè)量要求至少接收來(lái)自4顆衛(wèi)星的信號(hào)。

3 系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分構(gòu)成：（1）空間段：北斗導(dǎo)航衛(wèi)星持續(xù)發(fā)射載有導(dǎo)航電文的無(wú)線電波，提供給地球上的各種接收機(jī)來(lái)應(yīng)用。（2）地面段：為追蹤及控制北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)，在地面設(shè)置了主控站、注入站和監(jiān)控站，主要工作是收集數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)航信息，監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星，修正與維護(hù)每顆衛(wèi)星的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)等。（3）用戶段：包括北斗系統(tǒng)用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端?？梢宰粉櫛倍穼?dǎo)航衛(wèi)星，并實(shí)時(shí)地計(jì)算出接收機(jī)所在位置的坐標(biāo)、移動(dòng)速度及時(shí)間。接收機(jī)可分為袖珍式、背負(fù)式、車載、船載、機(jī)載等等。

4 定位終端工作原理

4.1 定位終端工作原理

定位終端工作原理見圖1。

圖1 定位終端工作原理

定位終端的工作原理及組成部分：

接收機(jī)天線：天線由接收機(jī)天線和前置放大器兩部分組成。

變頻和中頻放大：信號(hào)通道：它是接收機(jī)的核心部分，其作用是搜索、牽引并跟蹤衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)實(shí)行解擴(kuò)，解調(diào)出導(dǎo)航電文，進(jìn)行偽距測(cè)量，載波相位測(cè)量及多普勒頻移測(cè)量。

儲(chǔ)存器：它主要儲(chǔ)存衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、偽距觀測(cè)值、載波相位觀測(cè)值及多普勒頻移。

微處理器：它是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的靈魂，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的控制部分。其作用是：對(duì)接收機(jī)自測(cè)、測(cè)定、搜譜衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行有關(guān)計(jì)算（如觀測(cè)站三維坐標(biāo)、導(dǎo)航參數(shù)等），接收用戶輸入的信息（如測(cè)站點(diǎn)、測(cè)站號(hào)、觀測(cè)員姓名、天線高、氣象參數(shù)等），以及進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊等。

顯示器（可通過(guò)藍(lán)牙連接，把顯示及操作部分集成于手持PDA端）電源。

4.5 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位終端現(xiàn)狀

隨著我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)并投入使用，在接收機(jī)相關(guān)技術(shù)、芯片技術(shù)等領(lǐng)域已經(jīng)取得很大的進(jìn)步和成就。

[1]朱新慧.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)距精度評(píng)價(jià)方法研究[J].全球定位系統(tǒng)，2007（5）：165-166.

[2]中國(guó)人民解放軍總裝備部.全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機(jī)檢定規(guī)程：GJB6564-2008[S].

[3]楊元喜，李金龍，王愛兵，等.北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評(píng)估中國(guó)科學(xué)[J].地球科學(xué)，2014（44）：72-81.

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