北斗项目基本情况

北斗项目基本情况一、什么是北斗项目？北斗项目是中国的 GPS项目，是中国自主的定位系统和 遥测系统和授时系统。北斗卫星导航 系统BeiDou ( COMPASS Navigation Satellite System 是中国正在实施的自主发展、独立运行 的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开 放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系 统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应 用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社 会各行业的广泛应用。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组 成，空间段包括 5 颗静止轨道卫星和 30 颗非静止轨道卫星， 地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户 段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。二、北斗项目历史据了解，早在上世纪 70 年代，我国就开始研究利用卫 星进行地面定位服务，受制于当时国力不足等多方面原因， 这项名为“灯塔”的研究计划搁浅了。1983 年，陈芳允和一位美国科学家同时提出利用地球同 步卫星进行导航定位的设想。他认为，基于国情，我国可以先发展技术相对简单、成 本较低廉的“双星快速定位通信系统” ，这便是第一代“北 斗”卫星导航系统的雏形。陈芳允的理论是：只要发射 2 颗 地球静止轨道卫星，通过定位电波的电波数即可对地面物体 进行定位。同时，由地面控制台处理各种业务，为陆地和海 上的使用者提供定位、导航和通信服务。然而，陈芳允这一 构想，起初并未被采纳。转机出现在 2 年后。 1985 年，在南京紫金山天文台召开 的全国测量技术研讨会上，执着的陈芳允再次阐述了他的 “北斗”计划，并立下军令状： “给我 2 颗卫星，就能解决 地面定位问题！ ”他充满自信的表态引起了参会部队首长的 关注，解放军总参谋部的测绘制图局对“北斗”计划表现出 极大兴趣。1986 年 3 月 3 日，陈芳允和王大珩、王淦昌、杨嘉墀等4 位科学界泰斗联名致信中共中央， 建议发展中国的高技术， 受到邓小平的高度重视，促成我国发展高技术的“863”计划。此后，国防委工委开始全面参与“北斗”计划，着手研 发应用工作。1989 年 9 月 25 日，第一代“北斗”可行性测试，在北 京一间面积不足 30 平方的实验室内展开。结果显示，模拟 计算数值与物体实际位臵间的误差不超过 20 米，试验取得 巨大成功。 1993 年，“北斗”计划项目启动，中科院院士孙 家栋就任总设计师。 2000 年 10 月 31 日，首颗试验卫星顺利 发射。到目前为止，北斗卫星导航系统已发射了 10 颗卫星， 建成了基本系统。第一步已实现。从 2000 年到 2003 年，我国成功发射了 三颗北斗导航试验卫星，建立起完善的北斗导航试验系统， 成为世界上继美国、俄罗斯之后第三个拥有自主卫星导航系 统的国家。目前，已发射升空的三颗北斗卫星已成功应用于 我国的测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减 灾救灾和国家安全等诸多领域，产生了显著的经济效益和社 会效益。第二步到 2012 年前，北斗卫星导航系统将首先提供覆 盖亚太地区的定位、导航、授时和短报文通信服务能力，目 前已成功发射了第四颗北斗导航卫星，并进入卫星密集发射 组网阶段。第三步到 2020 年左右，建成有 5 颗静止轨道卫星和 30 颗非静止轨道卫星组成的覆盖全球的北斗卫星导航系统。三、发射记录卫星嵐肘日期运戦火箭1第1濮北斗兮拆宓卫里000 L0 3LGEO2诵北斗笄鑽试阴卫军200Q 1221CZ-3AGEOX 3颗匕斗导旅试唸卫*2001525CZ-3AGEO闰4颗北斗马啟试務卫型2007.2 3CZ3AGEO弟I魁斗碍毓卫里2007 4 L4dAMEO第2頼北斗导啟卫里204 15CZ 3CGEO死3毗斗兮航卫里2010 L 17C心3CGEO第却删斗爭航卫建20tJ.c.2CZ-3CGEO巫$刪轉导SLG里3010 3 1CS-3A(GSO北斗导航卫燮2010 11 1CZ-3CGEO蔦刁顆北斗导航卫星20ic n isCS-3AGSO2011.4 wCZ-3AICSO第9新北斗辱駅卫星2011.77CZ-3AIGSO軌10斑北斗耳班卫星201).12 2CZ-3AIGSO定位、授时、短信；北斗与 GPS的确别，总体是差不多？应用系统总工程师：吴光辉四、四大系统简介迄今，比较完善的卫星导航系统已经有美国GPS俄罗斯GLONAS系统以及中国的北斗卫星导航系统，欧洲计划推 出自己的卫星导航系统 Galileo。此为卫星导航“四大系统” 1中国北斗“北斗一号”是双向的，既有定位又有通信的系统，但 是有容量限制。由 5颗静止轨道卫星和 30颗非静止轨道卫 星组成，军民两用。计划 2012年覆盖我国及周边地区区域， 2020年完成全球的部署。2美国GPS系统美国的全球定位系统（GPS是世界上第一个全球卫星导航系统，也是目前使用最多的全球卫星导航定位系统。它 是一个接收型的定位系统，只转播信号，用户接收就可以做 定位了，不受容量的限制。3欧洲GALILEO系统欧洲“伽利略”系统与GPSffi比，有较大的不同。GALILEO 系统是欧空局与欧盟在 1999 年合作启动的，该系统民用信 号精度最高可达1m,比美国GPS高10倍。计划中的GALILEO 系统由 30 颗卫星组成。 “伽利略”更多用于民用，不少专家 形象地比喻说，如果说GPS只能找到街道，“伽利略”则可找到车库门。4俄罗斯GLONAS系统GLONAS是前苏联国防部于 20世纪80年代初开始建设 的全球卫星导航系统，从某种意义上来说是冷战的产物。美 制GPS从卫星回馈到地面的 GPS信号很弱，如果对方采取多 种干扰，都会使地面 GPS接收机无法正常工作。而“格洛纳 斯”系统的卫星具有更强的抗干扰能力。五、卫星自主导航我们把为轨道控制或制导所进行的航天器轨道的确定称 为航天器导航；完全利用航天器上的测量设备和计算装臵， 而不依赖于地面设备支持的导航称为航天器自主导航。要实 施航天器自主导航，要求航天器本身具有导航信息获取并实 施在轨导航解算的能力。自1978年至今，GPS卫星已进行过多次换代和更新，从BlockI,BlockH,BlockDA,BlockURBlockDR-M和Block IF。在Block-IIR 之前的所有型号卫星都没有自主导航功能，卫星广播的导航信息需由地面控制段的上行注入站 每天注入一次。导航信息中包含的星钟与星历参数都是基于 控制段的当时估算进行预报的，而 Block-IIR 卫星的重大改 进就是能够在星上自动预估星钟与星历参数，并生成导航信 息。这种能力称为自主导航或自动导航（AutoNav）。美国开发自主导航能力的主要动机有如下四方面：一是提高GPS系统的生存能力。美国认为地面控制段是GPS系统中的薄弱环节，一旦遭到攻击可能造成整个系统瘫 痪。自主导航能保障GPS卫星在失去地面支持的条件下，自主运行 180 天，且能满足导航精度要求；这种能力还可以保 证在一些地面监控站失效的情况下不影响提供正常的导航 信息。二是减少上行注入要求。上行注入站上只需发送很少数 据。三是完好性。 星间链路测距功能提供了一种能与其星钟和 星历参数比对的独立参考基准四是精度。 由于自主导航功能能够每小时 4 次更新星历与 星钟参数，与现有的每天更新一次相比，将有助于改进导航 精度。六、GPS工作原理GPS实施的是到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗 GPS卫星的精确位臵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。GPS卫星在空中连续发送带有时间和位臵信息的无线电信 号，供GPS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。图中显示了 GPS系统的时延原理。小用门说羞鶴枚绘 (U童卫址的估号. 規的辺垃兀忡讨糅代号 列込时间GPS|ftaMU 的 RAil ffPW* 利用4 卫K的处时计却用尸的 潭屮标厠轴碑讯阿5叫利用疋投狀常号 性肅时GPS系统的时间到达差原理每颗GPS卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了 解其轨道位臵和系统时间，而全球监测站网保持连续跟踪卫 星的轨道位臵和系统时间。位于科罗拉多州施里弗(Schriever )空军基地内的主控站与其运控段一起，至少 每天一次对每颗GPS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臵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。GPS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。GPS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米用铷频标。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 用户的三维位臵和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收 来自4颗卫星的信号。卫星导航原理如图所示。卫星导航原理北斗应用1、个人位臵服务当你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你要走的路线。你可以向当地服务提供商发送文字信息告 知你的要求，如查询最近的停车位、餐厅、旅馆或其他你想去的任何地方， 服务 商会立即根据你所在的位置，帮你找到需要的信息。然后，将一张地图发送到你 的手机上，甚至还会为你提供酒店房间、餐厅或停车位预定等增值服务。2、气象应用气象领域是最早应用我国北斗系统的重要应用领域之一。 在边远台站和海岛， 气象实测数据最先通过北斗导航系统试验卫星传到中心预报服务部门。 早在北斗 导航卫星系统建设之初， 在中国北斗第二代导航卫星系统专项管理办公室的领导 下，中国气象局就开展了基于北斗 ME强验卫星的北京上空大气水汽探测试验， 参与了奥运气象保障，取得了很好的效果。北斗导航卫星的广泛应用推进着我国气象科学技术的发展，特别对我国气象 的基础观测业务具有极其重要的影响， 从定性走向定量， 从陆地走向海洋， 从二 维探测走向三维立体探测。北斗导航卫星在气象领域的应用有两个方面：1. 直接应用：卫星定位测速功能可以直接用在北斗探空系统的高精度测风定 位上；移动应急和特殊环境气象数据收集更是对北斗快速通讯功能的直接应用。2. 定量遥感等深层次应用： 利用导航定位系统可定量遥感水汽和电离层电子 浓度，海洋气象参数定量探测等领域是对导航卫星信号遥感的更深度应用。 可以 提高暴雨暴雪的预报能力和增强近海大风大雾的预报和服务能力。目前利用卫星导航定位技术测风已成为高空气象探测的发展主流。全国有几 百个GPS基准站，实时联网进行导航卫星探测大气水汽和电离层电子浓度业务探 测。利用导航卫星反射信号探测海风海浪的技术也成为海洋气象探测的重要手 段。发展卫星掩星廓线探测已成为未来气象关注的重要领域， 在长期地面试验基 础上，很快会在我国风云三号气象卫星第三颗星上实现。基于北斗导航卫星的大气、海洋和空间监测预警应用，将通过对台风结构的 探测提高台风路径的预报能力， 探测水汽输送， 通过岸基探测海风海浪， 增强近 海天气预报的精度。 通过卫星探测手段的提升， 提高对关键气象灾害的预报能力。在北斗导航卫星的技术支持下，近年来我国在气象灾害预报和防灾减灾能力 有了较大的提高， 在奥运国庆等重大气象保障中发挥了重要作用。 我国是世界上 自然灾害最严重的国家之一，气象灾害就占 70%以上，增强防灾减灾，构筑全方 位、全时空、 快速反应的气象服务体系， 对于保持经济社会持续快速健康发展具 有重要意义。气象部门的行业化应用，也是对我国北斗产业化的一个重要支撑。我国高空 探测系统全面实现用自主的北斗探空系统升级换代后， 每年需要消耗北斗探空芯 片近20万片，全国GNSS水汽电离层探测站网也需要用我国北斗接收机逐步更换 进口设备， 这些在支撑北斗产业化的同时， 反过来还将推进我国对北斗高精度接 收机的研发， 提高我国高精度接收机的研制技术。 此外， 发展北斗电离层监测系 统还可以改善北斗单频接收机的定位效果， 促进北斗接收机的性能改善， 推进北 斗应用产业的更大发展。3、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。 例如，指示车辆走畅通的道路， 限制进 入拥挤的道路， 或通告司机前方拥堵的情况， 建议走车辆较少的路线。 如果车辆 超速行驶而发生交通事故，则撞车时的速度、位置和时间信息均会被记录在上， 作为判断是否违章的依据； 如果车辆被盗或被抢， 卫星导航会很快发现并跟踪其 位置，使盗贼无处藏身。4、铁路智能应用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。5、海运或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。目前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。5、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。6、特俗物品运输监管通过卫星导航，可实现对贵重货物或危险品运输的远程跟踪与监管，是现代 物流业的新应用。 为确保特殊货物在交通运输各个环节中的安全， 客户希望了解 货物在运输途中的有关情况。 安装北斗卫星导航终端设备的车辆， 支持实时查询 货物位置或到达信息， 通过与相关设备的配合， 在车辆偏离预定路径、 发生盗抢、 交通事故等意外情况下， 可支持车辆位置及有关情况的报告， 实现有效的全过程 运输监管。7、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。8、精密授时北斗/GPS光纤拉远系统是基于第三代移动通信系统 TD-SCDM时间同步的GPS 替代方案。TD系统主要采用单一 GPS授时，目前具有主流性的替代方案是有线 网络时钟的 1588v2 以及我国自主研发的北斗卫星授时系统。但两种替代方案直 接应用于TD网络存在一些不成熟的因素，还未大规模应用。北斗 /GPS光纤拉远 方案正是针对传统GPS存在的问题，提出的目前切实可行的 GPS优化解决方案， 同时也给其他使用卫星授时系统行业发展起到了借鉴和示范作用。北斗/GPS光纤拉远系统综合采用授时系统光纤拉远、强抗干扰滤波设计以及 北斗/GPS双系统联合解算技术，不仅从根本上彻底解决了传统授时系统的问题， 满足现网所有卫星授时的场景需求，而且可以显著提升授时系统的性能，大大推 进了北斗替代GPS的进程。授时系统光纤拉远技术采用北斗/GPS天线与接收机一体化设计，通过光电混 合缆可以至少拉远1公里，在就近取电的方式下，至少可以拉远 10公里，完全 满足现网北斗/GPS长距离拉远的所有需求。图1北斗/GPS光纤拉远系统北斗/GPS光纤拉远方案从根本上解决了传统 GPS1星授时系统拉远受限以及 增加放大器造成的工程实施问题，给基站布放以及卫星天线选址提供了极大的灵 活性；该系统还采用了强抗干扰滤波设计，提高了卫星接收系统的抗干扰能力， 增加了共址建设的可操作性。同时消除了其他无线系统对北斗一代绝大部分干 扰，大大加快了移动通信领域中北斗替代 GPS的速度。北斗/GPS光纤拉远系统不仅使用北斗/GPS双模设计，保证了授时安全性，而 且采用了双系统联合解算技术。传统双模系统采用两个独立系统平台方案，只能 单独工作在GPS或者北斗模式下，而双系统联合解算技术，是在授时信息提取中 不再区分授时卫星的差别，将北斗和GPS的信息同时处理。这样可以使得授时系 统捕获卫星信号更快速，授时更可靠，同时采用统一系统平台也降低了硬件成本， 降低了系统功耗，提高了整机的可靠性。相比于其它同步拉远解决方案，北斗/GPS 光纤拉远方案可以做到自动时延补偿，授时精度得到了极大保证。除此之外，特殊的抗高温、防水密封和防雷设计，保证了室外拉远时钟系统 的可靠性和稳定性，现网20个站点规模测试稳定运行达9个多月时间。图2北斗/GPS一体化天线双层壳体设计目前，北斗/GPS光纤拉远方案已完成了现网规模测试验证。 2010年1月12 日至1月14日，全网基站因美国GPS系统升级出现频繁告警问题，而20个北斗 /GPS光纤拉远系统切换到北斗模式运行完全稳定。从现网测试及外场验证来看，北斗/GPS光纤拉远系统具备较好的可靠性和稳 定性,相比传统GPS天线有明显的优势，是目前可以有效解决GPS授时问题切实 可行的方案。在移动通信领域的3G三大标准中，CDMA200和TD-SCDM均为基站同步系统， 基站工作的切换、漫游等均需要精确的时间控制，否则将会带来严重的系统干扰。 该技术方案可以广泛应用于基站授时，特别适用于高层建筑、地铁隧道和大型场 馆卫星天线与基站距离较远场景。9、农业随着卫星导航技术的发展，使得农业生产方式由传统粗放式耕作转为精细管 理成为可能，通过将卫星导航和地理信息相结合并应用于农业生产，可有效提高 农业产量、降低成本、保护环境。北斗卫星导航系统的定位服务， 可有效支持现 代精细农业生产方式，充分利用农业资源，保护生态环境，产生显著的经济效益 和环境效益。