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【系统概述】北斗卫星导航系统(BDS)

添加时间:2018-05-15 来源:《北斗与GNSS系统概述》 作者:曹 冲
  卫星导航系统能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务,是拓展人类活动、促进社会发展的重要空间基础设施,是信息经济和社会服务发展的重大关键技术支持系统,卫星导航正在使世界政治、经济、军事、科技、文化发生革命性的变化。
 
  20世纪 80 年代初,中国开始积极探索适合国情的卫星导航系统。在2000年,北斗卫星导航试验系统的建成, 标志着中国成为继美、俄之后,行将成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2012年12月正式向亚太地区提供服务,2020年左右将向全球提供服务。
 
  北斗卫星导航系统的建设、运行和应用管理,由多个部门共同参与。国家有关部门联合成立了北斗领导小组,设立中国卫星导航系统管理办公室,归口管理北斗卫星导航系统建设、应用推广与产业化的有关工作。同时,成立了专家委员会和专家工作组,充分发挥专家作用,实施科学化决策与管理。
 
  北斗卫星导航系统的建设与发展将满足国家安全、经济建设、科技发展和社会进步等多方面的需求,也能维护国家权益,增强综合国力,服务全中国和全人类。北斗卫星导航系统将致力于为全球用户提供稳定、可靠、优质的卫星导航服务,并与世界其他卫星导航系统携手,实现GNSS多系统的兼容互操作,共同推动全球卫星导航事业的发展,促进人类文明和社会进步,服务全球,造福人类。
 
  宇宙之大,无奇不有,万物任性,皆仰时空。自古以来,人们日出而作,日落而息,关心着时间空间两件事,而世界真正的科学研究,也是从守望星空开始的,通过观察日月星辰,分辨东西南北,划分春夏秋冬,形成人类的时间空间两大参考体系。宇宙在时间上无始无终,在空间上无边无沿。而现代人类信息社会,信息的极大部分仍与时间和空间有关。而卫星导航系统恰恰提供的是位置、速度和时间信息,且精度极高。可见北斗卫星导航系统何等重要。中国有着悠久的历史和光辉灿烂的文化,是人类文明的重要发源地之一。中国自古就利用北斗七星来辨识方位,并根据磁学指北原理发明了世界上最早的导航装置—司南,促进了人类文明的发展,大大促进了航海、商贸和探险业的发展;现如今,中华民族在中国伟大复兴梦的鼓舞下,拼搏建设的北斗卫星导航系统将成为中国对人类社会的又一贡献。并将引领新时空的伟大穿越。现在正在建设的北斗全球卫星导航系统,深入国计民生方方面面,北斗经天纬地,北斗报时指路,向全球化、精准化、大众化应用与服务迈开强劲的步伐,为服务全中国和全人类吹响了新时代的进军号。
 
  图3.1  北斗系统及其海陆空天服务示意图
 
  北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System—BDS)是我国自行研制的全球卫星导航系统 <http://baike.baidu.com/view/263037.htm>。是继美国全球定位系统(Global Positioning System—GPS)和俄罗斯全球卫星导航系统(GLObalNvigation Satellite System—GLONASS)之后,第三个正式投入运营的卫星导航系统 <http://baike.baidu.com/view/901834.htm>。系统由空间段、运控段和用户段组成。在先区域、后全球战略部署下,实现全天候、全天时为海陆空天各类用户提供高精度,高可靠定位 <http://baike.baidu.com/subview/24492/8549359.htm>、导航 <http://baike.baidu.com/view/425408.htm>、授时 <http://baike.baidu.com/view/3621382.htm>服务,并具短报文通信 <http://baike.baidu.com/view/15007.htm>能力。
 
  2012年12月27日,北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0公布,北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。
 
  2013年12月27日,北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周年新闻发布会,在国务院新闻办公室新闻发布厅召开,正式发布了《北斗系统公开服务性能规范(1.0版)》和《北斗系统空间信号接口控制文件(2.0版)》两个系统文件。
 
  目前,北斗卫星导航系统和美国 <http://baike.baidu.com/view/2398.htm>全球定位系统 <http://baike.baidu.com/view/68567.htm>、俄罗斯 <http://baike.baidu.com/view/2403.htm>格洛纳斯系统及欧盟伽利略导航卫星系统 <http://baike.baidu.com/view/370322.htm>在一起,是联合国 <http://baike.baidu.com/view/3015.htm>全球导航卫星委员会(ICG)组织确认的导航服务供应商。认定的供应商还包括印度的印度区域导航卫星系统(IRNSS)和日本的准天顶卫星系统(QZSS)。
 
  北斗卫星导航系统的快速发展,得益于中国综合国力的提升和经济的持续发展。中国将一如既往地推动卫星导航系统建设和产业发展,鼓励运用卫星导航新技术,不断拓展应用领域,满足人们日益增长的多样化时空信息服务需求;积极推动国际交流与合作,实现北斗卫星导航系统与世界其他卫星导航系统的兼容与互操作,为全球用户提供 高性能高可靠的定位、导航与授时服务。
 
  (1)系统组成
 
  北斗卫星导航系统(BDS),是我国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容互操作的全球卫星导航系统。北斗(全球)卫星导航系统由空间星座段、地面运控段和用户系统段三大部分组成。
 
  空间星座段由 5 颗地球静止轨道(GEO)卫星、3颗倾斜同步轨道(IGSO)卫星,和27颗中园轨道(MEO)卫星组成。GEO 卫星分别定点于东经: 58.750E、800E、110.50E、1400E和 1600E。Non-GEO 卫星由 27 颗中圆地球轨道(MEO) 卫星和 3 颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。其中, MEO 卫星轨道高度 21500 千米,轨道倾角 550 ,均匀分布在 3 个轨道面上;IGSO 卫星轨道高度 36000 千米, 均匀分布在 3 个倾斜同步轨道面上,轨道倾角 550,3 颗 IGSO 卫星星下点轨迹重合,交叉点经度为东经 1180,相位差 1200。
 
  地面运控段由若干主控站、时间同步/注入站和系列监测站等30余个地面站组成。主控站的主要任务包括收集各时间同步/注入站、监测站的观测数据,进行数据处理,生成卫星导航电文,向卫星注入导航电文参数,监测卫星有效载荷,完成任务规划与调度,实现系统运行控制与管理等事项;时间同步/注入站主要负责在主控站的统一调度下,完成卫 星导航电文参数注入、与主控站的数据交换、时间同步测量等任务;监测站对导航卫星进行连续跟踪监测,接收导航信号,发送给主控站,为导航电文生成提供原始观测数据。
 
  用户系统段是指各类北斗用户终端,包括与其他卫星导航系统兼容的接收机终端,如作为系统测试应用的测试型终端,和高精度定位终端、普通型导航终端,以及授时型定时终端等,以满足不同领域和行业的应用需求。
 
  (2)时空基准
 
  北斗卫星导航系统的坐标框架采用中国 2000 大地坐标系统 (CGCS2000)。北斗卫星导航系统的时间基准为北斗时(BDT)。
 
  ◆ 坐标系统
 
  北斗系统采用 2000 中国大地坐标系(CGCS2000)。CGCS2000 大地坐 标系的定义如下:
 
  原点位于地球质心;Z 轴指向国际地球自转服务组织(IERS)定义的参考极(IRP)方向;X 轴为 IERS 定义的参考子午面(IRM)与通过原点且同 Z 轴正交的赤道面的交线;Y 轴与 Z、X 轴构成右手直角坐标系。?CGCS2000 原点也用作 CGCS2000 椭球的几何中心,Z 轴用作该旋转椭球的旋转轴。CGCS2000 参考椭球定义的基本常数为:?
 
  长半轴:  a = 6378137.0 m
 
  地球(包含大气层)引力常数:  μ = 3.986004418x1014m3/s2
 
  扁率:  f = 1/298.257222101
 
  地球自转角速度:     = 7.2921150?10-5rad
 
  ◆ 时间系统
 
  BDT 采用国际单位制(SI)秒为基本单位连续累计,不闰秒,起始历元为 2006 年 1 月 1 日协调世界时 (UTC)00 时 00 分 00 秒,采用周和周内秒计数。BDT 通过 UTC(NTSC) 与国际 UTC 建立联系,BDT 与 UTC 的偏差保持在 100 纳秒以内(模 1 秒)。 BDT 与 UTC 之间的闰秒信息在导航电文中播报。
 
  (3)服务功能与性能
 
  北斗卫星导航系统建成后,将为全球用户提供卫星定位、测速和授时服务,并为我国及周边地区用户提供定位精度优于 1 米的广域差分服务和 120 个汉字/次的短报文通信服务。其主要功能和性能指标如下:
 
  —服务功能:定位、测速、单双向授时、短报文通信;
 
  —服务区域: 目前服务亚太区域;2020年前后服务全球。
 
  —定位精度:优于 10 米;
 
  —测速精度:优于 0.2 米/秒;
 
  —授时精度:20 纳秒。
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