北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)定位原理及其應(yīng)用.ppt

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,陳志高 2018年03月,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 原理及應(yīng)用,,古有北斗七星辨明方向 今有北斗衛(wèi)星定位九州,,古有北斗七星辨明方向 今有北斗衛(wèi)星定位九州,,,,古有北斗七星辨明方向 今有北斗衛(wèi)星定位九州,,美國 GPS,歐盟 GALILEO,俄羅斯 GLONASS,中國北斗 BDS,各有特色：,美國GPS最早投入實用，系統(tǒng)精度最高,俄羅斯格洛納斯號稱抗干擾能力最強,歐洲伽利略號稱系統(tǒng)最精密,北斗是唯一可以發(fā)短信聊天的,日本：,基于多功能衛(wèi)星的星基增強系統(tǒng)（MSAS）是由日本氣象局和日本交通部組織實施的基于2顆多功能衛(wèi)星（MTSAT）的GPS星基增強系統(tǒng)，類似于美國的廣域差分增強系統(tǒng)（WASS）。該系統(tǒng)從1996年開始實施，主要目的是為日本飛行區(qū)的飛機提供全程通信和導(dǎo)航服務(wù)。系統(tǒng)覆蓋范圍為日本所有飛行服務(wù)區(qū)，也可為亞太地區(qū)的機動用戶播發(fā)氣象數(shù)據(jù)信息。,印度：,GAGAN系統(tǒng)由印度空間局（ISRO）和印度機場管理局（AAI）聯(lián)合組織開發(fā)。用于廣播導(dǎo)航信息，并可與GPS進行兼容和互操作。空間信號覆蓋整個印度大陸，能為用戶提供GPS信息和差分改正信息，用于改善印度機場和航空應(yīng)用的GPS定位精度和可靠性，也屬于GPS星基增強系統(tǒng)。,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照三步走的總體規(guī)劃：,第一步，1994年啟動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)建設(shè)，2000年形成區(qū)域有源服務(wù)能力（1號）；,第二步，2004年啟動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，2012年形成區(qū)域無源服務(wù)能力（2號）；,第三步，2020年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成全球無源服務(wù)能力（3號）。,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照三步走的總體規(guī)劃： 定位終端需發(fā)射信號的為有源定位，不發(fā)信號僅靠接收信號就能定位的為無源定位。,北斗一號 4星,,,北斗二號 23星,北斗三號 4星,中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星、 地球同步軌道（Geostationay Orbit，GEO）衛(wèi)星 傾斜地球同步軌道（Inclind Geosynchronous Orbit，IGSO）衛(wèi)星 GEO和IGSO衛(wèi)星在亞太地區(qū)可視時間長，能有效增加觀測衛(wèi)星數(shù),北斗一號,上世紀(jì)90年代，美國GPS在海灣戰(zhàn)爭中的成功使用，堅定了我國建設(shè)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的決心。在項目立項階段，考慮到當(dāng)時的國情，我國選擇了“863計劃”倡導(dǎo)者陳芳允院士提出的雙星定位原理系統(tǒng)，也就是我們現(xiàn)在所熟知的“有源定位”，也叫做RDSS（Radio Determination Satellite Service）衛(wèi)星無線電測定服務(wù)，該系統(tǒng)只需兩顆衛(wèi)星和地面高程數(shù)據(jù)庫就能實現(xiàn)我國及周邊地區(qū)定位。,,,,,,北斗衛(wèi)星,,北斗衛(wèi)星,,,,,用戶位置,中心控制系統(tǒng),標(biāo)校站,標(biāo)校站,標(biāo)校站,標(biāo)校站,,,工作原理,北斗一號,北斗一號,空間段：由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星組成，兩顆工作衛(wèi)星定位于東經(jīng)80和140赤道上空，另有一顆位于東經(jīng)110.5的備份衛(wèi)星，可在某工作衛(wèi)星失效時予以接替。 地面段：由中心控制系統(tǒng)和標(biāo)校系統(tǒng)組成。中心控制系統(tǒng)主要用于衛(wèi)星軌道的確定、電離層校正、用戶位置確定、用戶短報文信息交換等。標(biāo)校系統(tǒng)可提供距離觀測量和校正參數(shù)。 用戶段：用戶的終端。,系統(tǒng)組成,,,,,,北斗衛(wèi)星,,北斗衛(wèi)星,,,,,用戶位置,中心控制系統(tǒng),標(biāo)校站,標(biāo)校站,標(biāo)校站,標(biāo)校站,,,工作原理,北斗一號,工作原理,北斗一號,第一步，由地面中心站向位于同步軌道的兩顆衛(wèi)星發(fā)射測距信號，衛(wèi)星分別接到信號后進行放大，然后向服務(wù)區(qū)轉(zhuǎn)播； 第二步，位于服務(wù)區(qū)的用戶機在接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的測距信號后，立即發(fā)出應(yīng)答信號，經(jīng)過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，傳送到中心站； 第三步，中心站在接收到經(jīng)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的應(yīng)答信號后，根據(jù)信號的時間延遲，計算出測距信號經(jīng)過中心站——衛(wèi)星——用戶機——衛(wèi)星——中心站的傳遞時間，并由此得出中心站——衛(wèi)星——用戶機的距離，由于中心站——衛(wèi)星的距離已知，由此可得用戶機與衛(wèi)星的距離； 第四步，根據(jù)用上述方法得到的用戶機與兩顆衛(wèi)星的距離數(shù)據(jù)，在中心站儲存的數(shù)字地圖上進行搜索，尋找符合距離條件的點，該點坐標(biāo)即是所求的坐標(biāo)； 第五步，中心站將計算出來的坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星發(fā)送往用戶機，用戶機再經(jīng)過衛(wèi)星向中心站發(fā)送一個回執(zhí)，結(jié)束一次定位作業(yè)。,北斗一號,定位原理,“雙星定位”：以2顆在軌衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，各以測定的衛(wèi)星至用戶終端的距離為半徑，形成2個球面，用戶終端將位于這2個球面交線的圓弧上。,地面中心站配有電子高程地圖，提供一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。用數(shù)學(xué)方法求解圓弧與地球表面的交點即可獲得用戶的位置。,北斗一號,覆蓋范圍,2007年4月14日，我國發(fā)射了第一顆北斗二號衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星采用與GPS相似的體制，即“無源定位”服務(wù)，也叫RNSS（Radio Navigation Satellite Service）衛(wèi)星無線電導(dǎo)航服務(wù)，理論上，采用該種體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，用戶數(shù)量是無限制的。 從2007年開始，到2012年為止，我國在5年內(nèi)共發(fā)射了16顆北斗二號衛(wèi)星，實現(xiàn)了對亞太區(qū)域的覆蓋，并在2012年底正式對外提供服務(wù)，完成了北斗三步走戰(zhàn)略的第二步。同時，鑒于北斗一號短報文和位置報告功能的實用性，該項功能在北斗二號中得到了保留。,北斗二號,北斗二號,定位原理,北斗二號：系統(tǒng)組成,星座,GEO 衛(wèi)星,MEO 衛(wèi)星,空間段,5顆GEO衛(wèi)星和30顆Non-GEO衛(wèi)星,24,北斗二號：系統(tǒng)組成,中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星、 地球同步軌道（Geostationay Orbit，GEO）衛(wèi)星 傾斜地球同步軌道（Inclind Geosynchronous Orbit，IGSO）衛(wèi)星 GEO和IGSO衛(wèi)星在亞太地區(qū)可視時間長，能有效增加觀測衛(wèi)星數(shù),25,地面段由主控站、上行注入站和監(jiān)測站組成。,北斗二號：系統(tǒng)組成,地面段,26,主控站用于系統(tǒng)運行管理與控制等。主控站從監(jiān)測站接收數(shù)據(jù)并進行處理，生成衛(wèi)星導(dǎo)航電文和差分完好性信息，而后交由注入站執(zhí)行信息的發(fā)送。 注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號，對衛(wèi)星進行控制管理，在接受主控站的調(diào)度后，將衛(wèi)星導(dǎo)航電文和差分完好性信息向衛(wèi)星發(fā)送。 監(jiān)測站用于接收衛(wèi)星的信號，并發(fā)送給主控站，可實現(xiàn)對衛(wèi)星的監(jiān)測，以確定衛(wèi)星軌道，并為時間同步提供觀測資料。,北斗二號：系統(tǒng)組成,27,用戶段由北斗用戶終端以及與其他GNSS兼容的終端組成。,北斗系統(tǒng)的用戶終端,用戶段,28,北斗二號：系統(tǒng)組成,用戶段,29,用戶終端研制進展順利，相關(guān)的政策和標(biāo)準(zhǔn)也在研究和制定當(dāng)中。 北斗系統(tǒng)民用信號ICD文件（1.0版本）的技術(shù)準(zhǔn)備已完成，北斗系統(tǒng)民用信號ICD文件及其更新將逐步在北斗系統(tǒng)政府網(wǎng)站上發(fā)布。,北斗二號：系統(tǒng)組成,,北斗二號：信號特征,頻段 B1: 1559.052~1591.788MHz B2: 1166.22~1217.37MHz B3: 1250.618~1286.423MHz,30,北斗系統(tǒng)第二階段信號,31,北斗二號：信號特征,32,北斗系統(tǒng)第三階段信號,北斗二號：信號特征,時間系統(tǒng),33,北斗時（BDT）溯源到協(xié)調(diào)世界時UTC（NTSC），與UTC的時間偏差小于100納秒。BDT的起算歷元時間是2006年1月1日零時零分零秒（UTC）。 BDT與GPS時（1980年1月6日UTC0）時和Galileo時的互操作在北斗設(shè)計時間系統(tǒng)時已經(jīng)考慮，BDT 與GPS時和Galileo時的時差將會被監(jiān)測和發(fā)播。,北斗系統(tǒng)采用中國2000大地坐標(biāo)系統(tǒng)（CGS2000）。 CGS2000與國際地球參考框架ITRF的一致性約為5個厘米，對于大多數(shù)應(yīng)用來說，可以不考慮CGS2000 和 ITRF 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。,坐標(biāo)系統(tǒng),34,服務(wù)和性能,兩種全球服務(wù) 開放服務(wù)：免費、開放 定位精度: 10 m 授時精度: 20 ns 測速精度: 0.2 m/s 授權(quán)服務(wù): 確保高可靠應(yīng)用（甚至是在復(fù)雜條件下）。,35,服務(wù)和性能,兩種區(qū)域服務(wù) 廣域差分服務(wù) 定位精度: 1 m 短報文通信服務(wù),36,北斗二號,覆蓋范圍,北斗三號,2017年11月5日，北斗三號第一、二顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功，開啟了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)的新時代。相比北斗二號系統(tǒng)，北斗三號系統(tǒng)技術(shù)更先進、建設(shè)規(guī)模更大、系統(tǒng)性更強 北斗二號民用頻點B1選擇在1561.098MHz，而GPS的L1在1575.42MHz。根據(jù)2017年9月最新公布的北斗三號接口控制文件，北斗民用信號B1C和B2a現(xiàn)在已經(jīng)完全實現(xiàn)和GPS等系統(tǒng)的兼容，這將有利于北斗全球化應(yīng)用。 北斗三代使用了抗干擾技術(shù)，保護信號不被敵方干擾，避免戰(zhàn)時抓瞎。這方面的工作由國防科大王飛雪老師團隊完成，已經(jīng)是世界領(lǐng)先水平，北斗三代的抗干擾性高于GPS。,北斗三號,北斗三號衛(wèi)星具有怎么特色呢？根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計師楊元喜院士的說法，主要體現(xiàn)在：從區(qū)域到全球、激光通信、氫原子鐘、衛(wèi)星搜救、全球位置報告。,北斗三號,覆蓋范圍,美國的實力讓他在全球可以布設(shè)GPS的地面站，但我國想要實現(xiàn)全球布設(shè)北斗地面站還是有所不及。因此，在不布設(shè)全球地面站的情況下對北斗衛(wèi)星實現(xiàn)控制、參數(shù)注入等工作就尤為重要。,北斗三號,北斗三號,通過衛(wèi)星間的位置相互定位，假如某一些衛(wèi)星的位置定的比較準(zhǔn)確了，就把它們的位置也作為觀測點，聯(lián)合其他地面觀測點去定位其他的衛(wèi)星。這樣一來，衛(wèi)星的位置精度就能夠得到大幅提高。,北斗導(dǎo)航衛(wèi)星 應(yīng)用系統(tǒng),當(dāng)你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的手機或車載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置找到你要走的路線。你可以向當(dāng)?shù)胤?wù)提供商發(fā)送文字信息告知你的要求，如查詢最近的停車位、餐廳、旅館或其他你想去的任何地方，服務(wù)商會立即根據(jù)你所在的位置，幫你找到需要的信息。然后，將一張地圖發(fā)送到你的手機上，甚至還會為你提供酒店房間、餐廳或停車位預(yù)定等增值服務(wù)。,個人位置服務(wù),衛(wèi)星導(dǎo)航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車輛上安裝衛(wèi)星導(dǎo)航接收機和數(shù)據(jù)發(fā)射機，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內(nèi)自動轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。這些位置信息可用于道路交通管理。例如，指示車輛走暢通的道路，限制進入擁擠的道路，或通告司機前方擁堵的情況，建議走車輛較少的路線。如果車輛超速行駛而發(fā)生交通事故，則撞車時的速度、位置和時間信息均會被記錄在上，作為判斷是否違章的依據(jù)；如果車輛被盜或被搶，衛(wèi)星導(dǎo)航會很快發(fā)現(xiàn)并跟蹤其位置，使盜賊無處藏身。,道路交通,管理,衛(wèi)星導(dǎo)航將促進傳統(tǒng)運輸方式實現(xiàn)升級與轉(zhuǎn)型。例如，在鐵路運輸領(lǐng)域，通過安裝衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，可極大縮短列車行駛間隔時間，降低運輸成本，有效提高運輸效率。未來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將提供高可靠、高精度的定位、測速、授時服務(wù)，促進鐵路交通的現(xiàn)代化，實現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度向智能交通管理的轉(zhuǎn)型。,鐵路智能交通,海運和水運是全世界最廣泛的運輸方式之一，也是衛(wèi)星導(dǎo)航最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，使海上和水路運輸更為高效和安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導(dǎo)航定位和安全保障。同時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報文通信功能將支持各種新型服務(wù)的開發(fā)。,海運和水運,當(dāng)飛機在機場跑道著陸時，最基本的要求是確保飛機相互間的安全距離。利用衛(wèi)星導(dǎo)航精確定位與測速的優(yōu)勢，可實時確定飛機的瞬時位置，有效減小飛機之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實現(xiàn)自動盲降，極大提高飛行安全和機場運營效率。通過將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的有效結(jié)合，將為航空運輸提供更多的安全保障。,航空運輸,通過衛(wèi)星導(dǎo)航，可實現(xiàn)對貴重貨物或危險品運輸?shù)倪h(yuǎn)程跟蹤與監(jiān)管，是現(xiàn)代物流業(yè)的新應(yīng)用。為確保特殊貨物在交通運輸各個環(huán)節(jié)中的安全，客戶希望了解貨物在運輸途中的有關(guān)情況。安裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的車輛，支持實時查詢貨物位置或到達(dá)信息，通過與相關(guān)設(shè)備的配合，在車輛偏離預(yù)定路徑、發(fā)生盜搶、交通事故等意外情況下，可支持車輛位置及有關(guān)情況的報告，實現(xiàn)有效的全過程運輸監(jiān)管。,特殊貨物,運輸監(jiān)管,衛(wèi)星導(dǎo)航廣泛用于沙漠、山區(qū)、海洋等人煙稀少地區(qū)的搜索救援。在發(fā)生地震、洪災(zāi)等重大災(zāi)害時，救援成功的關(guān)鍵在于及時了解災(zāi)情并迅速到達(dá)救援地點。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除導(dǎo)航定位外，還具備短報文通信功能，通過衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可及時報告所處位置和受災(zāi)情況，有效縮短救援搜尋時間，提高搶險救災(zāi)時效，減少人民生命財產(chǎn)損失。,應(yīng)急救援,精確的時間同步對于涉及國家經(jīng)濟社會安全的諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)的有效運行都依賴于高精度時間同步。在移動通信中需要精密授時以確?；镜耐竭\行，電力網(wǎng)為有效傳輸和分配電力，對時間和頻率提出了嚴(yán)格的要求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時服務(wù)可有效應(yīng)用于通信、電力和金融系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。,精密授時,隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式由傳統(tǒng)粗放式耕作轉(zhuǎn)為精細(xì)管理成為可能，通過將衛(wèi)星導(dǎo)航和地理信息相結(jié)合并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可有效提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、降低成本、保護環(huán)境。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位服務(wù)，可有效支持現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，充分利用農(nóng)業(yè)資源，保護生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。,精細(xì)農(nóng)業(yè),部分資料來自北斗官網(wǎng)和知乎大神，特此感謝！,