1、專業(yè)綜合實訓報告 學 院信息電子技術專 業(yè)通信工程班 級14級二班學 籍 名金哪梅指導教師蔣野2017年12月23日綜合實訓北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)綜述作者：金哪梅1. 引言我們知道我國已成功發(fā)射23顆北斗導航衛(wèi)星。目前，“北斗”系統(tǒng)已經向整個亞太地區(qū)提供服務。按照規(guī)劃指向，將實現35顆北斗衛(wèi)星全球組網到2020年?？紤]到不斷更新和增長的需求，“十三五”期間可能會迎來“北斗”發(fā)射高峰。 BDS（BeiDou Navigation Satellite System）中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是中國獨立研發(fā)制作的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航

2、系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個較為完善并且得到認可的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。航天器導航定位、船舶進港引水、智慧城市交通管理、野外生存探險定位、飛機航線引導等諸多功能都能夠利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)完成和實現。在自然災害救援和重要活動的安全保駕護航的過程中，北斗系統(tǒng)同樣占據了不可忽視的地位。文章對我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)各功能進行了分析研究，如，導航、定位、授時、短報文通訊功能。還介紹了該系統(tǒng)技術應用領域和前景，從而更加深入的了解衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2. 系統(tǒng)原理，技術及其應用2.1北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由用戶段、地面段和空間段三部分組成。其空間段采用了一種三種軌道衛(wèi)星構成混合星座的模式，其特點是高軌衛(wèi)星更多

3、，抗遮擋能力更強，低緯度地區(qū)性能能更好的表現出來。北斗系統(tǒng)還提供了能提高服務的精度的具有多個頻點的導航信號，可以通過組合多頻信號使用等方式來達到既定目的。該系統(tǒng)將導航與通信能力融合，使其具有實時導航、快速定位、精確授時和短報文通信服務四大功能?？蛇_到定位精度10m，測速精度0.2m/s，授時精度是10ns。2.2 衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航能力介紹 衛(wèi)星導航最原始的功能是向各類用戶實時提供精確、連續(xù)的位置、速度和時間的信息。下圖一所示為北斗導航模塊的主要功能框圖。主要包含了以下幾個部分：應用處理模塊，包括基于GPS的導航、對基層設備的控制管理、通信等功能；導航信息處理模塊，包括轉換/解密電文格式的處理、

4、解算處理、定位和速度的解算處理、解算處理等；基帶信號處理模塊，包括直捕快捕、環(huán)路控制、中頻采樣、電文提取等；電源模塊，整體的供電，包括電池組、電源切換電路、電池充電電路、DC-DC電路等。 雙模射頻芯片雙?；鶐酒琓XCOSAWLNARTC晶體RF-INAADET-N有源天線VCCV-BCKPGPS DATABD2 DATARXD1TXD1(NMEA)RDX2TXD21PPSGPIO1GPIO2 圖一 北斗導航功能模塊圖2.3北斗導航技術的應用衛(wèi)星導航大面積的應用于海、陸和空各方面交通運輸的導航，促使了世界交通運輸業(yè)的改頭換面。衛(wèi)星導航滲透于工業(yè)、土地深松、起壟播種、秸稈還田、作物收割等精細農

5、業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)、資源監(jiān)管、森林防火、病蟲害防治等林地情況、漁業(yè)、陸地測繪與作業(yè)、海事管理中通航監(jiān)管、船舶避碰等、氣象預報、自然災害預測、電信、娛樂、交通運輸與車輛監(jiān)管、電動車北斗防盜系統(tǒng)、公交車出租車北斗報警裝置、醫(yī)療、救援以及電離層測量等各方各面，顯示出了具大的應用前景。2.4衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位能力介紹民用的定位精度一般情況下只有數十米量級。衛(wèi)星運行的軌道存在的偏差、衛(wèi)星時鐘存在的誤差以及電離層和大氣對流層對信號產生的影響都使其定位精度不高，因此，為了提高定位的精確度，技術上采用了差分定位技術。北斗（GPS）接收機在基準站進行觀測得到基準站的坐標，更具收到的信息通過計算得出基準站到衛(wèi)星的距離

6、改正數，并對其定位結果進行改正，并由基準站實時將這一數據進行發(fā)布。 2.4.1“北斗一號”衛(wèi)星定位原理“北斗一號”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)由三個部分組成，定位原理如圖二所示。(1) 空間衛(wèi)星:一顆在軌備份衛(wèi)星和兩顆地球靜止衛(wèi)星。衛(wèi)星無線電定位業(yè)務頻段是衛(wèi)星遙測遙控分系統(tǒng)在國際電信聯盟登記的頻段。(2) 地面控制與標校系統(tǒng): 一個地面中心定位控制站配有電子高程圖和幾十個參考標校站分布于全國。(3) 用戶設備: 包括北斗系統(tǒng)的用戶終端以及其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容終端。定位原理: 地面中心站定時向兩顆工作衛(wèi)星發(fā)送帶有詢問信號的載波,詢問信號經過衛(wèi)星的變頻放大轉發(fā)到用戶機。用戶機接收此信號后,立即向兩顆工作衛(wèi)星

7、響應并應答。兩顆工作衛(wèi)星將收到應答信號變頻放大后傳到地面中心站。地面中心站將收到的信息處理,將其全部發(fā)送到地面網管中心。地面網管中心在用戶需求的基礎上處理相應數據。由信號經中心控制系統(tǒng)衛(wèi)星用戶之間的往返時間綜合用戶機發(fā)出的自身高程信息以及用戶高程電子地圖可算出用戶所在點坐標。 集團用戶監(jiān)控管理中心北斗信息服務系統(tǒng)北斗運營服務中心系統(tǒng)用戶終端北斗一號中心服務系統(tǒng)北斗地面控制中心北斗導航定位衛(wèi)星圖二 “北斗一號”系統(tǒng)組成圖2.4.2“北斗二號”衛(wèi)星定位原理“北斗二號”導航定位系統(tǒng)定位原理：是被動式偽碼單向測距三維導航。具體方式表現在地面中心站控制著系統(tǒng)的解算，提供數據用以用戶三維坐標定位。由用戶設

8、備解算自位，通過測量衛(wèi)星至用戶的信號傳播延遲時間，再利用測距的原理完成導航定位。衛(wèi)星到用戶間的衛(wèi)星信號的發(fā)射時間與到達接收機的時間之差也叫偽距。為了簡捷的計算用戶的三維位置和接收機時鐘偏差，偽距測量值的獲得需要接收最少來自4顆衛(wèi)星的信號。定位原理如圖三所示衛(wèi)星1（X1，Y1，Z1）衛(wèi)星2（X2，Y2，Z2）衛(wèi)星3（X3，Y3，Z3）衛(wèi)星4（X4，Y4，Z4）YXZ圖三 “北斗二號”定位原理通過3 顆衛(wèi)星測距，得到用戶至衛(wèi)星的距離，可以肯定兩維位置; 然后再通過增加第4顆衛(wèi)星就可以算出其三維位置和時間。2.5北斗衛(wèi)星定位技術的應用就現狀來看衛(wèi)星導航定位技術已經大致上代替了天文和傳統(tǒng)大地測量以及無

9、線電導航技術，并且，促進了導航定位技術不斷往新的方面的延伸，成為人類文化社會活動中大面積使用的導航定位技術。 眾所周知，“北斗一號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經向全民開放，各種各樣應用的系統(tǒng)建設，北斗運營服務費，北斗終端用戶機的銷售等都是該系統(tǒng)的盈利方向。具體表現在公路交通、鐵路運輸、船舶運輸、漁業(yè)生產、水文測報、森林防火、環(huán)境監(jiān)測等各行各業(yè)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有的定位功能，還適合于邊遠艱苦與人口分布稀少地區(qū)、荒原、山林、沙漠等特定地區(qū)和特殊行業(yè)的應用，一般無線網絡無法覆蓋的地區(qū)或跨區(qū)域也都可以應用。2.6衛(wèi)星導航系統(tǒng)授時能力介紹 “北斗一號”為用戶機提供了兩種不同的授時方式：單向授時和雙向授時。單向授時的精

10、度有100ns，雙向授時的精度為20ns。但是，兩種授時方式各有其不同的特點和優(yōu)勢。單向授時模式下，用戶機不需要與地面中心站進行信息的交換，接收北斗廣播電文信號后自主解得北斗標準時間與本地時間的差值，最后實現時間同步；在雙向授時模式下，需要用戶機與中心站進行信息的交換，用戶機向中心站發(fā)射授時申請的信號由中心站解算用戶機的時差，最后通過出站信號后再經衛(wèi)星轉發(fā)給用戶，用戶按此時間完成時間信號同步。其原理框圖分別如下圖四圖五所示。北斗授時的特點有：北斗授時精度優(yōu)于20100ns，精確程度較高；授時系統(tǒng)和設備工作都極其穩(wěn)定且可靠，極少的不必要的干擾；具有多種輸出方式；便攜耗能低。RS483北斗授時信號

11、處理主板LNAA廣嘉北斗RDSS射頻模塊RS232天線授時通道串口RS232IPPSIPPM電源圖四 單向授時機原理框圖守時模塊射頻模塊PRM模塊基帶信號處理模塊電源模塊導航信息處理模塊解密IC卡應用處理模塊天線外接天線射頻10M10MRTC中頻P碼偽距偽距率修正定位結果圖五 雙向授時機原理框圖2.7北斗衛(wèi)星授時技術的應用北斗衛(wèi)星授時技術慢慢走向成熟后不斷走進人類日常生產、生活的各方各面。北斗衛(wèi)星授時設備產品特有的優(yōu)點使它能夠實現工控時間同步、精準的時鐘授時和同步數據采集控制，可以預見，在這些方面該技術具有非常廣闊的發(fā)展空間。利用導航衛(wèi)星的高精度特點，還完全可以達到傳統(tǒng)測量手段所不能企及的精準

12、程度，在航海、陸上交通、航空、地理測量、氣象預報、設備巡檢、科學考察、極地探險等方面的應用更加能讓該技術物盡其能的發(fā)揮它最大的用處。2.8短報文通訊功能介紹北斗衛(wèi)星短報文通信可以進行用戶機與地面控制中心、用戶機與用戶機間兩種方式的雙向數字通信報文的功能，通過串口與服務器連接，指揮端收到用戶機發(fā)來的短報文后以JAVA 或其它語言編寫的語言解析該數據，再經過短信網關轉發(fā)給普通手機，通過通信服務還可以實現普通手機往用戶機發(fā)送短報文功能。北斗通信申請的短報文有兩種數據類型可供選擇，一種是通常漢字通信采用的ASCII 碼的方式，另一種為BCD 碼方式。普通的用戶機最多一次可以傳輸72個字節(jié)，也就是36個

13、漢字。申請過后并通過審核標準的可以達到最多一次傳送240個字節(jié)。短報文不僅能夠進行點對點的雙向通信，而且可以進行一點對多點的廣播傳輸，這些特點為各種平臺應用提供了巨大的便捷。2.9短報文通信特點天氣和數據傳輸的誤碼率等因素影響了北斗短報文通信的效益。同樣，所發(fā)送的短報文內容是多少以及發(fā)送頻率使其在民用的簡捷性上受到了限制。因為北斗短報文提供了沒有時間限制的緊急通道，它可以按照設定的時間間隔,無間斷的發(fā)出求救信息。這一特點讓它能夠很好在緊急救援上應用已彌補了其他部分的不足，可是它還有一個缺點，求救信息會消耗普通短報文的時間。舉個例子，我們不妨設正常的一條短報文直接的時間間隔有1分鐘。如果連續(xù)發(fā)送

14、5 條緊急求救信息，那么會消耗用戶機5 分鐘的時間，然而，這個5 分鐘內用戶機將無法發(fā)出任何短報文。這一短處在目前尚未得到最好的解決方法，限制了該技術更好的應用。因此，一般緊急救援的短報文發(fā)送都會以最簡單方便并且快捷的方式提供給用戶設備按鈕或者軟件按鈕，以便用戶緊急情況下更快更準確的使用。3. 結論綜上所述，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用前景可謂是非常廣闊。比如，當你不能避免的進入并不熟悉的地方時我們就可以使用安裝有北斗衛(wèi)星導航的手機或車載衛(wèi)星導航查詢需要走的路線。在快遞如此泛濫的時代，我們還可以利用它監(jiān)控物流車輛行駛狀況，例如，車輛的行駛速度的快慢、停車和駕車時間的長短等都可以通過此系統(tǒng)實現。這樣，就再也不用無望的等待包裹的到來。處于運動中的目標的定位導航、為了縮短武器載具反應的時間的發(fā)射位置的快速定位、水上排雷的定位需求等都可以通