衛星導航技術衛星導航導航的發展衛星導航原理及其應用北斗衛星導航系統簡介原理應用全球四大衛星導航系統比較北斗的戰略意義主要內容導航歷史

早在公元前3500年前，人類就有歷史記載用大船裝在貨物進行商業貿易的歷史。這標志了人類導航藝術的誕生。早期的導航家都是在靠近海岸線用肉眼觀察陸地標記或者大地特性來辨別方向的。他們通常白天行駛，晚上找個平靜的港口拋錨。他們沒有航海圖，但他們列出了所需的方向，類似于今天的巡航向導..導航歷史

當他們在看不到大陸的時候，他們通過在白天觀察太陽的位置，晚上觀察北極星的位置來辨別南北方向。四分儀（Quadrant）航海員星盤（Mariner‘sAstrolabe）星盤（Astrolabe

）夜間記時儀器（Nocturnal）古代導航工具指南針-中國古代導航工具漢朝（BC.206－AD.220）

南宋（AD.1127-1279）

北宋（AD.960-1127）

北宋（AD.960-1127）

導航的兩個關鍵因素

確定地球上的位置現在時間是幾點?INS:慣性導航系統

CNS:天文導航系統

TAN:地形輔助導航

RNS:無線電導航系統

GNSS:全球導航衛星系統新導航定位技術脈沖星導航量子導航重力導航磁力導航冷原子導航視覺導航現代導航系統全球導航衛星系統美國GPS歐盟伽利略俄羅斯GLONASS中國北斗競相發展的全球衛星導航系統全球導航衛星系統衛星導航衛星導航定位系統是以衛星為空間基準點，用戶利用接收設備測定至衛星的距離或多普勒頻移等觀測量來確定其位置和速度的系統。衛星導航定位系統主要由三大部分組成：空間衛星、地面監測網和用戶設備。12衛星導航的優點：全球全天候高精度多功能龐復性衛星導航衛星導航衛星定位技術是通過GNSS接收機同時接收4顆以上的GNSS衛星發出的信號來測定接收機在地球上的位置。四顆衛星可以確定一個點坐標。衛星導航用戶的三維坐標(X、Y、Z)和接收機鐘差(t)一共四個未知數，所以需要四個聯立方程才能求解。只有跟蹤到4顆衛星，才能建立四個聯立方程求解。當接收機捕獲到多于4顆星時，接收機會自動從衛星組中選擇幾何分別最合理、信號強度最好的4顆衛星進行定位求解。衛星導航x,y,z,

t衛星導航衛星充當軌道上運動的已知控制點，觀測值為測站至衛星的

偽距(由時延值推算得到)由于接收機時鐘與衛星鐘存在同步誤差，所以要同步觀測4顆衛星，解算四個未知數：經度，緯度，高程，接收機鐘差導航系統的應用導航系統的應用導航系統的應用北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星定位與通信系統（CNSS），是繼美全球定位系統（GPS）和俄GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗發展歷程1、建成試驗系統，實現從無到有2000年10月31日2000年12月21日2003年5月25日北斗發展歷程2、星箭組批生產，啟動組網發射2007年4月14日MEO衛星2009年4月15日GEO衛星2010年1月17日GEO衛星北斗發展歷程2012年10月25日GEO衛星衛星運載火箭北斗發展歷程3、關鍵技術攻關，致力持續發展北斗發展歷程4、發揮系統特色，應用初見成效北斗發展歷程空間段：由5顆GEO衛星和30顆Non-GEO衛星組成Non-GEO衛星GEO衛星星座北斗系統組成地面段：由主控站、上行注入站和監測站組成北斗系統地面段北斗系統組成用戶段：由北斗用戶終端以及與其它GNSS兼容的終端組成北斗系統組成三球交會測量原理雙星系統定位原理圖北斗定位原理北斗導航定位系統工作時，中心站的天線1定時經衛星1向用戶詢問是否需要定位服務。用戶機平時只處于光收聽不發信息的狀態。一旦需要定位服務，用戶機的應答信號將分別經過衛星1、衛星2傳回地面中心站。中心站根據所測得的信號往返時間，可計算出中心站分別到兩顆衛星再到用戶機的距離。由于衛星的位置是已知的，所以可利用這兩個距離測量數據進一步推算用戶的位置。最后，中心站就可將該定位信號經衛星1傳給用戶機1。北斗導航定位系統也可確定用戶的運動速度。1、二維定位的問題

由于“北斗”衛星導航定位系統是雙星系統，因此，其用戶接收機只能測得二維(平面)的定位數據。用戶若位于海平面上，因高度為零，可以直接求得三維(平面和高度)的定位數據；但用戶若位于陸地或空中，就需要利用地面控制中心的數字地圖或用戶自備的測高儀才能求得用戶的高度，并進一步確定用戶的三維坐標。若控制中心的數字地圖數據庫數據不夠準確，尤其是要拿到非本國的地理精確數據并不容易，定位出的位置數據就會有問題。北斗定位原理2、定位時間的問題

用戶的定位申請要送回地面控制中心，經由中心控制系統解算出用戶的三維位置資料之后再發回用戶。無線電信號從地面發出，經衛星返回地面的上下行時間約為0.24-0.28秒，從用戶接收器應答測距信號到接收定位結果，信號經過兩次上下行鏈路的傳送，時間約需0.56秒，加上中心控制系統的計算時間，整個定位時間約需1秒鐘，即用戶接收機約可在1秒鐘完成定位。這1秒的定位時間對飛機、導彈這種高速運動用戶嫌時間長，會加大定位的誤差，因此若要進行精確定位，以車輛、船舶等慢速運動的用戶較適合。北斗定位原理3、有源應答的問題(1)

由于“北斗”衛星導航定位系統的客戶端要請求定位服務時，必須發出應答信號，即“有源應答”，如果使用者是軍方單位就會使自身失去隱蔽性，且這個定位服務要求的信號也可被敵方定位，而招致攻擊。另外，客戶端除了要和衛星一樣接收來自地面控制中心的詢問信號，也要發出應答信號，因此，整個系統的同一時間內服務用戶的數量便受用戶可使用的通信頻率數量、詢問信號速率和用戶的響應速率等條件的限制。北斗定位原理3、有源應答的問題(2)

“北斗”衛星導航定位系統的用戶設備容量是有限的，雖然每個客戶端都有專用識別碼，不過一旦被破解，很容易使整個系統被敵人或有心人士以偽冒信號加以飽和，使系統癱瘓或者是傳送假信息，迷惑友軍。由于“北斗”衛星導航定位系統中地面控制中心扮演著系統關鍵角色，如：承轉衛星信息、解算用戶位置等，因此，一旦地面控制中心被毀，整個系統就不能運作了，這也是“北斗”系統的致命傷。北斗定位原理4、用戶機的問題

系統使用的衛星是同步軌道衛星，這意味著落地信號功率很小，因此用戶機需要有較大天線(直徑達20厘米)才能接收信號，而且因"有源應答"運作方式，所以，用戶機還要包含發射機，因此在體積(普通型用戶機長20厘米、寬17.5厘米、高5.2厘米)、重量、耗電量，甚至價格都遠比GPS接收機來得大、重、耗電與貴，而且這么大且重的用戶機，不要說是裝在導彈上，就是單兵使用都是一大負擔。北斗定位原理5、抗干擾的問題

系統“有源應答”的運作模式，使得數據更新速度較慢，原本就不利于速度較快的飛機和導彈做精確定位。所以一旦配備“北斗”的飛機或導彈，被敵方干擾，其誤差值要比使用GPS制導被干擾要來得大。北斗定位原理服務和性能：全球服務開放服務：定位精度:10m測速精度:0.2m/s授時精度:20ns授權服務區域服務廣域差分服務定位精度:1m短報文通信服務北斗系統服務和性能

2003年北斗衛星導航試驗系統正式提供服務以來，在交通、漁業、水文、氣象、林業、通信、電力、救援等諸多領域得到廣泛應用，產生了顯著的社會效益和經濟效益。北斗系統的應用交通運輸

基于北斗系統的“新疆公眾交通衛星監控系統”、“公路基礎設施安全監控系統”、“港口高精度實時定位調度監控系統”等應用推廣工作，取得了良好的示范效果。北斗系統的應用海洋漁業基于北斗系統的海洋漁業綜合信息服務平臺，實現了向漁業管理部門提供船位監控、緊急救援、信息發布、漁船出入港管理等服務。基于北斗系統的海洋漁業綜合信息服務網絡海洋漁業應用分布

北斗系統的應用水利

基于北斗系統的水文監測系統，實現了多山地域水文測報信息的實時傳輸，大大提高了災情預報的準確性，為制定防洪抗旱調度方案提供重要的保障。北斗系統的應用氣象

研制成功了一系列氣象測報型北斗終端設備，提出了實用可行的系統應用解決方案，解決了國家氣象局和各地氣象中心氣象站的數字報文自動傳輸和可視化問題。基于北斗的高原地區氣象監測站基于北斗的珠峰氣象監測站北斗系統的應用林業

基于北斗的森林防火系統已成功用于實戰，目前已經配備700多臺套。北斗系統的應用通信

成功開展了北斗/GPS雙模授時應用示范，突破了光纖拉遠、抗干擾螺旋天線等關鍵技術，研發了一體化衛星授時系統。TD-SCDMA抗干擾螺旋天線北斗/GPS光纖拉遠授時示意圖北斗系統的應用電力

成功開展了基于北斗系統的電力時間同步應用示范，為電力事故分析、電力預警系統、保護系統等高精度時間應用創造了條件。北斗/GPS高精度電力授時服務器北斗系統的應用救援

基于北斗系統的導航定位、短報文通信以及位置報告功能，提供全國范圍的實時救災指揮調度、應急通信、災情信息快速上報與共享等服務，極大地提高了災害應急救援的快速反應能力和決策能力。減災中心工作人員在玉樹現場利用北斗用戶機報告災情汶川地震救災現場北斗系統的應用美國GPS歐盟伽利略俄羅斯GLONASS中國北斗北斗與其他衛星導航系統的比較覆蓋范圍定位原理通訊功能用戶容量生存能力自主性性能價格比北斗vsGPS覆蓋范圍北斗系統覆蓋了中國及周邊國家和地區，不僅可為中國、也可為周邊國家服務，沒有通訊盲區。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統，能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到4—11顆衛星。由于衛星信號和周圍環境對GPS的使用影響較大，在某些地區，特別是市區內高樓密集地區，GPS信號接收很差，有些根本沒有信號。北斗vsGPS定位原理北斗導航系統是主動式雙向測距二維導航,地面中心控制系統解算，供用戶三維定位數據。GPS是被動式偽碼單向測距三維導航,由用戶設備獨立解算自己三維定位數據。北斗vsGPS通訊功能

北斗系統同時具備定位與雙向通信能力，可以獨立完成移動目標的定位與調度功能，不需要其他通訊系統支持。GPS只能定位。北斗vsGPS用戶容量北斗系統由于是主動雙向測距的詢問一應答系統，用戶設備與地球同步衛星之間不僅要接收地面中心控制系統的詢問信號，還要求用戶設備向同步衛星發射應答信號，這樣，系統的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應頻率。因此，北斗導航系統的用戶設備容量是有限的。GPS是單向測距系統，用戶設備只要接收導航衛星發出的導航電文即可進行測距定位，因此GPS的用戶設備容量是無限的。北斗vsGPS生存能力和所有導航定位衛星系統一樣，北斗系統對中心控制系統的依賴性明顯要大，因為定位解算在地面控制中心，而不是由用戶設備完成的。GPS正在發展星際橫向數據鏈技術，使萬一主控站被毀后GPS衛星可以獨立運行。而北斗系統從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統受損，系統就不能繼續工作了。北斗vsGPS數據的共享性由于北斗系統是雙星系統，因此，用戶接收器只能測得二維(平面)的定位數據。地面中心控制系統根據地圖數據庫提供的高度數據解算，供用戶三維(平面和高度)定位數據。若控制中心的數值地圖數據庫數據不夠準確，定位出的位置數據就會有問題。而GPS采用的是地心坐標系，數據的共享程度比較高。北斗vsGPS自主性北斗導航系統由中國自主控制，安全、可靠、穩定，保密性強，適合關鍵部門應用GPS系統則由美國軍方控制北斗vsGPS性格價格比

北斗系統使用的衛星是同步軌道衛星，其落地信號功率很小，因此，用戶機需要有較大天線(直徑達20cm)才能接收信號，而且因“有源應答”運作方式，所以，用戶機還要包含發射機，因此在體積、重量、耗電量，甚至價格都遠比GPS接收機大。北斗vsGPS北斗北斗GPS格洛納斯伽利略歷史淵源上世紀八十年代中期開始，2003年開始提供服務。20世紀70年代1978年，美國成功發射了第一顆用于GPS系統的衛星，經過20多年的建設，1994年建設完畢。幾乎和GPS同時開始同時建成。99年提出計劃，05年末頭一顆衛星升空，預計2008年投入初步使用。覆蓋范圍覆蓋我國本土及周邊國家全球全天候全球全球（未建成）衛星數量35顆24顆24顆27顆運行衛星和3顆預備衛星（未建成）定位精度三維定位精度約幾十米定位精度10米定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m定位誤差不超過1米可容納用戶數量用戶數量有限可容納無限多用戶無限多無限多（未建成）用戶范圍軍民兩用，民用為主軍民兩用，軍用為主軍民兩用，軍用為主軍民