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北斗系统中的奥秘

作者:admin 日期:2020-08-04 12:18:55 点击数:

道家鼻祖老子,骑牛有云,道生一,一生二,二生三,三生万物。北斗系统的发展中也蕴含了很多与有关的奥秘,包括北斗系统发展战略、系统架构、星座配置、工作原理、信号体制、服务规划、未来愿景等等诸多方面。具体是什么呢?下面就和大家一起了解北斗系统里与有关的奥秘。 

    

北斗系统的三步走战略

  中国北斗卫星导航系统实施三步走战略。 


北斗系统三步走战略

  第一步:北斗一号,解决有无 

  1994年,启动北斗一号系统建设;2000年发射2颗地球静止轨道(GEO)卫星,建成系统并投入使用,采用有源定位体制,为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务;2003年,发射第3颗地球静止轨道卫星,进一步增强系统性能。 

  北斗一号,中国卫星导航系统实现从无到有,使中国成为继美、俄之后第三个拥有卫星导航系统的国家。北斗一号是探索性的第一步,初步满足中国及周边区域的定位导航授时需求。北斗一号巧妙设计了双向短报文通信功能,这种通导一体化的设计,是北斗的独创。 

  第二步:北斗二号,区域无源 

  2004年,启动北斗二号系统建设;2012年,完成14颗卫星、即5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球轨道卫星(IGSO)4颗中圆地球轨道卫星(MEO)的发射组网。北斗二号在兼容北斗一号技术体制基础上,增加无源定位体制,为亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信服务。 

  北斗二号创新性构建了的5GEO+5IGSO+4MEO的中高轨混合星座架构,为全世界卫星导航系统发展提出了新的中国方案。 

  第三步:北斗三号,全球服务 

  2009年,启动北斗三号系统建设;2020年,全面建成北斗三号系统。北斗三号系统是由3GEO+3IGSO+24MEO构成的混合导航星座,系统继承有源服务和无源服务两种技术体制,为全球用户提供基本导航(定位、测速、授时)、全球短报文通信和国际搜救服务,同时可为中国及周边地区用户提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务。 

  北斗三步走发展战略,是在结合我国国情和不同阶段技术经济发展实际提出的发展路线,北斗系统的成功实践,走出了在区域快速形成服务能力、不断扩展为全球服务,具有中国特色的卫星导航发展道路,丰富了世界卫星导航的发展模式和发展路径。 

    

北斗系统的三个组成部分

  北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。 


北斗系统构成

  空间段。北斗三号系统空间段由3GEO卫星、3IGSO24MEO卫星等组成。 

  地面段。北斗三号系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站,以及星间链路运行管理设施。 

  用户段。北斗系统用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端设备、应用系统与应用服务等。 

    

北斗独创的三种轨道混合星座

  北斗系统是由GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星三种轨道卫星组成的混合导航星座。 

  GEO卫星相对地球静止,轨道高度35786km,轨道倾角为0度,单星覆盖区域较大,3颗卫星可覆盖亚太大部分地区。 

  IGSO卫星轨道高度与GEO卫星相同,轨道倾角为55度,星下点轨迹为“8”字。 

  北斗MEO卫星轨道高度约21500km,轨道倾角为55度,绕地球旋转运行,通过多颗卫星组网可实现全球覆盖,北斗MEO星座回归特性为713圈。 


北斗三号系统导航星座示意图

  北斗独创的混合星座设计,既能实现全球覆盖、全球服务,又可为亚太大部分地区用户提供更高性能的定位导航授时服务。亚太大部分地区,每时可见约1216颗卫星,全球其他地区每时可见46颗卫星,卫星可见性和几何构型较好。 

   

卫星导航的三球交汇原理

  导航卫星发射测距信号和导航电文,导航电文中含有卫星的位置信息。用户接收机在某一时刻同时接收三颗以上卫星信号,测量出用户接收机至三颗卫星的距离,通过星历解算出的卫星的空间坐标,利用距离交会法就解算出用户接收机的位置。目前,国际上四大全球卫星导航系统,美国GPS、我国北斗系统、俄罗斯GLONASS和欧洲Galileo的定位原理是相同的,均是采用这种三球交汇的几何原理实现定位。 


北斗卫星定位原理示意图

  简单来说: 

  1)地球上的北斗用户接收机同时测量自身到至少三颗卫星的距离; 

  2)各卫星的位置通过导航电文播发给用户; 

  3)以卫星为球心,距离为半径画球面; 

  4)三个球面相交得两个点,根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。 

    

北斗的三频服务信号体制

  北斗系统是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统,GPS使用的是双频信号,这是北斗的后发优势。使用双频信号可以减弱电离层延迟的影响,而使用三频信号可以构建更复杂模型消除电离层延迟的高阶误差。同时,使用三频信号可提高载波相位模糊度的解算效率,理论上还可以提高载波收敛速度。正因如此,GPS系统也在扩展成三频信号系统。 

  北斗二号在B1B2B3三个频段提供B1IB2IB3I三个公开服务信号。其中,B1频段的中心频率为1561.098MHzB21207.14MHzB31268.52MHz 

  北斗三号在B1B2B3三个频段提供B1IB1CB2aB2bB3I五个公开服务信号。其中B1频段的中心频率为1575.42MHzB21176.45MHzB31268.52MHz 

 

北斗定位测速授时服务的“PVT三要素

  位置信息(Position)、速度信息(Velocity)和时间信息(Time)是构成北斗信息服务的三要素 

  位置信息:北斗系统可向全球提供优于10米的定位服务,亚太地区定位精度达到5米。北斗系统提供的位置信息服务,输出结果为经度、纬度、高程或者“xyz”,不管哪种输出形式,恰好都是三个参量,一个不多,一个不少。同时,通过精密单点定位、星基增强、地基增强等方式,可将定位精度提高到米级、分米级乃至厘米级。 

  速度信息:北斗系统提供的测速精度能力优于0.2/秒。 

  时间信息:北斗系统可为用户提供优于20ns的授时服务,在此基础上利用差分授时、双向比对等技术手段,可进一步提升授时精度。 

    

高可靠的东三B”卫星平台

  东三B”导航平台为高可靠长寿命平台,是我国自主研制的新一代高轨导航卫星平台,采用了综合电子、高效能源和热控、锂离子蓄电池、FDIR等先进技术,为有效载荷提供了更大的空间。东三B” 平台导航卫星重量为5400公斤,设计寿命12年,配置了多种载荷,提供包括RNSS、区域短报文通信、星基增强、精密单点定位等多种服务,功能强大、集成度高。 

    

北斗专列:长征三号系列运载火箭

  长征三号系列火箭因其入轨精度高、轨道选择多、适应能力强,成为发射北斗导航卫星的专属列车12年间,长征三号系列火箭用38次成功发射的优异表现,将53颗北斗导航卫星送入预定轨道。 

    

北斗系统的三大特色

  一是空间段采用三种轨道卫星组成混合星座,与其它卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其在低纬度地区性能优势更为明显。 

  二是提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。 

  三是创新融合了导航与通信功能,具备基本导航、短报文通信、国际搜救、星基增强和精密单点定位等多种服务能力,系统功能高度集成,实现了集约高效。 

    

  秉承中国的北斗,世界的北斗,一流的北斗发展理念,坚持自主、开放、兼容、渐进的原则,我国稳步推进北斗系统建设发展。北斗系统为经济社会发展提供世界一流水平的时空信息保障,同时也是中国贡献给世界的全球公共服务产品。中国愿与世界各国共享北斗系统建设发展成果,促进全球卫星导航事业蓬勃发展,为服务全球、造福人类贡献中国智慧和力量。 

  三个更加指引北斗未来发展 

  2018年底,联合国全球卫星导航系统国际委员会第十三届大会在我国举行,习近平主席向大会致贺信:中国高度重视卫星导航系统建设发展,积极开展国际合作。北斗系统已成为中国实施改革开放40年来取得的重要成就之一,2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。中国愿同各国共享北斗系统建设发展成果,共促全球卫星导航事业蓬勃发展。希望与会代表深化交流、集思广益,为全球卫星导航系统更好服务全球、造福人类贡献智慧和力量。 

  北斗系统一路走来,从北斗一号、北斗二号到北斗三号,未来,我们还将建设完善的北斗综合时空体系,这里面北斗的奥秘还等待我们进一步去挖掘、去探索、去创造! 

  三生万物,万物互联。在北斗系统的作用下,互联互通会更加紧密、更加智能,万物互联时代将全面开启。我们将以习主席提出的三个更加为指引,在星辰大海的征途上接续奋斗、砥砺前行,让中国梦、北斗梦焕发更加绚烂的时代光彩和更多奥秘的光芒!



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