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北斗一号卫星导航定位系统

“北斗一号”卫星定位系统是中国自主研发,利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星定位系统。它能快速确定目标或者用户所处地理位置,向用户及主管部门提供导航信息。

“北斗一号”卫星定位系统是我国自主研发,利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星定位系统,其主要功能是:

快速确定目标或者用户所处地理位置,向用户及主管部门提供导航信息。

用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。

中心控制系统定时播发授时信息(“授时”即每天在一定时间用无线电信号报告最精确的时间),同时为用户提供时延修正值(“时延”指从说话人开始说话到受话人听到内容的时间)。

“北斗一号”卫星导航定位系统,不受通讯信号和空间距离的影响,一台主指挥机进行卫星定位后,可连接多部类似手机的“北斗一号”终端机,终端机每次可编写40多字的短信发送到指定手机上,非常有利于震区的救援信息传递。

“北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星(800e和1400e)、一颗在轨备份卫星(110.50e)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。系统的工作过程是: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,又可知道用户出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。 “北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°,东经70°一140°之间的心脏地区,上大下小,最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度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。系统能容纳的用户数为每小时540000户。

2003年5月25日,我国成功将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空。第三颗与前两颗“北斗一号”工作星,组成了完整的卫星导航定位系统,可以确保全天候、全天时提供卫星导航信息。第三颗北斗卫星的发射升空,标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联(俄罗斯)的全球导航卫星系统(GLONASS)后,在世界上第三个建立了完善卫星导航系统的国家。

“北斗一号”卫星导航系统在2008年的汶川地震抗震救灾中发挥了重要作用,救灾部队携带的“北斗一号”终端机不断从前线发回各类灾情报告,为指挥部指挥抗震救灾提供了重要的信 息支援。 中国卫星导航应用管理中心负责人介绍说,地震发生后,中心为救援部队紧急配备了1000多台“北斗一号”终端机,实现了各点位之间、点位与北京之间的直线联络。在灾区通信没有完全修复,信息传送不畅的情况下,各救援部队利用“北斗一号”及时准确地将各种信息发回。

2008年5月17日报道,成都军区某部通过“北斗一号”发回信息:北川县茶坪余震不断,海子(湖泊在当地的称呼)水位迅速上升,随时可能发生重大洪灾。灾民已弃家转移高处,46名重伤员急需救助。新华社2008年5月16日也曾报道,救援部队携带的“北斗一号”终端机,15日继续传回汶川地震灾区的最新灾情和救援情况,大部分救援部队已经到达指定位置,在灾区各乡镇展开全面搜救。从这两则报道可以看出,在当地通信设施严重受损的情况下,我国自主研制的“北斗一号”系统能发挥重要作用,救灾指挥部可以通过“北斗一号”系统,精确判定各路救灾部队的位置,以便根据灾情及时下达新的救援任务。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

“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。

“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。当然,我们也需要认识到,随着我军高技术武器的不断发展,对导航定位的信息支持要求越来越高。北斗导航系统仅是我国近期满足四化建设需要的自主简易导航系统,因此,我们必须在发展“北斗一号”的基础上,借鉴国外GPS、GLONASS的成功经验,开发我国二代卫星导航系统,我们有理由相信,在不久的将来,具备先进性、适用性、军民两用、抗干扰性、抗继毁性等特征的,适合我国的国情的“北斗二号”将会展现在大家面前,更加完善的我国卫星导航系统也必将建立。

新突破

2008年2月21日上海市经济委员会宣布,我国“北斗”卫星导航系统的核心芯片“领航一号”已于日前在上海研制成功。作为由中国独立建造的卫星定位系统,“北斗”计划一直受到国外媒体的广泛关注,国产导航芯片的诞生,更被视为其相关技术的又一重大突破。

国产导航芯片成北斗核心

“领航一号”是我国自主开发的完全国产化的首个卫星导航基带处理芯片,并将替代“北斗”系统内的国外芯片。“领航一号”由上海复控华龙微系统技术有限公司负责研发。这种芯片不仅完全实现了国产化,而且性能和造价明显优于国外产品。复控华龙公司市场总监杨泓表示,“北斗”导航系统原来模块的造价要两万元,现在则可以降到1000元以内。“北斗”导航系统是我国具有自主知识产权的卫星定位系统,与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”、欧盟“伽利略”,并称全球四大卫星导航系统。它的研制成功,打破了国外卫星定位系统的垄断局面。

第二代北斗叫板美国GPS

卫星定位技术的实用化始于上世纪70年代初。美国GPS引领了卫星导航时代的潮流。特别是在近20年来,卫星定位不仅成为美军在多次局部战争中赢得先机的“法宝”,在民用市场上也收获了可观利润。而于1994年立项的“北斗”计划,是中国在21世纪初最重要的航天工程之一。

英国《今日中国防务》、美国《全球安全》等军事媒体指出,中国的“北斗”基于“东方红-3”型平台设计,太阳能帆板宽18.1米,总重量约2200公斤。从2000年10月到2007年2月,已先后有4颗同型号卫星成功发射至东经58度至140度的地球同步轨道上。但和国外同类产品相比,第一代“北斗”系统在覆盖范围与可靠性方面仍有不足。

经过几年的技术验证,中国航天部门于2006年年底公布了“北斗”系统的未来蓝图。据信,预计在“十一五”期间全面启动的第二期工程,整个系统的主要技术参数将有全面提高。尤其是在战时生存能力方面,由于新系统将采用和美国GPS近似的信号频率,这势必使得潜在对手在实施干扰时“投鼠忌器”,从而起到保护自身的作用。

解放军将成主要受益者

就技术角度而言,影响卫星定位系统效能的因素,首先是星上原子钟的准确度,其次就要数导航芯片本身的质量。虽然国产芯片的具体细节仍未公布,但考虑到“北斗”与GPS系统在工作原理和功能定位上的相似性,一些外国媒体推断其水平至少不逊于国外同类产品。据了解,卫星导航设备的市场份额目前被SiRF(瑟孚)、Garmin(高明)、摩托罗拉、索尼、富士通等大型企业分割。

对此,国外一些军事专家分析认为,随着“北斗”系统及其配套设施的逐渐成熟,解放军必将成为最主要的受益者。如果说中国军方特别是“二炮”部队此前还依赖国外卫星信号,那么国产接收机一旦投入批量生产并与现有装备相结合,则能在较短的时间内生产出大量同美制JDAM“联合直接攻击弹药”相仿的低成本制导武器;这也意味着,大规模的海空精确打击将不再是少数富裕西方国家的专利。此外,“北斗”系统所特有的短信息通讯功能,也会给解放军三军的信息化作战能力带来提高。

英国《今日中国防务》、美国《全球安全》分析说,虽然中国同样是欧洲“伽利略”计划的合作伙伴,但中国实际上并未放慢“北斗”系统的建设步骤。2007年4月14日,第二代导航卫星的首位成员已从西昌发射基地顺利升空,而据美国航天局去年年底透露的信息,中国在2008年内还将使用“长征-3A”火箭把至少两颗导航卫星送入轨道。按照设想,“北斗”计划预计在2020年之前建成包括5颗地球同步卫星及30颗中高轨道卫星在内的庞大太空网络,其规模超过俄罗斯和欧洲同行,直追美国的下一代GPS系统。届时,全世界卫星定位领域必将呈现“四分天下”的格局。


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