北斗系統(tǒng)的組成及功能分析目錄TOC\o"1-3"\h\u3130北斗系統(tǒng)的組成及功能分析 1289271.1北斗衛(wèi)星系統(tǒng)組成 149971.2北斗系統(tǒng)定位原理 24211.1.1定位模式 275791.1.2定位中衛(wèi)星和接收機(jī)距離的測(cè)算 382951.3北斗系統(tǒng)時(shí)間與坐標(biāo) 3140631.4北斗系統(tǒng)在測(cè)繪中的應(yīng)用 4280971.4.1北斗系統(tǒng)與GIS平臺(tái)的共同應(yīng)用 452391.5鐵路勘測(cè)對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的需求分析 4203521.5.1用于鐵路測(cè)圖和放樣 578931.5.2用于運(yùn)營(yíng)鐵路特殊結(jié)構(gòu)物形變監(jiān)測(cè) 51.1北斗衛(wèi)星系統(tǒng)組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)組成包括載波、測(cè)距碼和導(dǎo)航電文三部分，相比之下北斗衛(wèi)星所采用的三個(gè)頻率：B1(1561.098MHz)、B2(1207.140MHz）和B3(1268.520MHz)作為載波，其中IW代表寬相關(guān)，IN表示窄相關(guān)，IA代表抗多路徑。衛(wèi)星的核心部分包含了“兩心一點(diǎn)”，兩心分別為衛(wèi)星的質(zhì)心和天線相位的中心，一點(diǎn)說(shuō)的是機(jī)械的原點(diǎn)。圖2-1衛(wèi)星組成圖北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三大部分組成，其中空間段主要包含IGSO、GEO、MEO等衛(wèi)星，這三類衛(wèi)星組成混合的星座。表2-1北斗衛(wèi)星分布情況介紹衛(wèi)星名稱衛(wèi)星特點(diǎn)分布情況GEO高軌道衛(wèi)星,高度在35786km.可覆益整個(gè)半球，形成一個(gè)區(qū)域性通信系統(tǒng)并為其衛(wèi)星覆益范圍內(nèi)的任何地點(diǎn)提供服務(wù)北斗一號(hào):第1、2、3、4顆試驗(yàn)衛(wèi)星;北斗二號(hào):第2、3、4、6、11、16、23、45顆北斗三號(hào):第41、54、55顆MEO中軌道地球衛(wèi)星，距離地球表面10000km左右,可以與地面公眾網(wǎng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人移動(dòng)通信。北斗二號(hào):第1、12、13、14、15顆北斗三號(hào):第18（試驗(yàn))、19（試驗(yàn)）、21（試驗(yàn)）、24、25、26、27、28、29、30、31、33、34、35、36、37、38、39、40、42、43、47、48、50、51、52、53顆;IGSOIGSO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星軌道高度相同,運(yùn)行周期也與地球自轉(zhuǎn)周期相同，所以稱作傾斜同步軌道衛(wèi)星,衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡呈現(xiàn)“8"字形北斗二號(hào):第5、7、8、9、10、22、32顆北斗三號(hào):第17（試驗(yàn)）20（試驗(yàn)）、44、46、49顆用戶段則涉及航空、軍事和個(gè)人等重要領(lǐng)域，地面段中的主控站向柱入站發(fā)送收集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)，用于確定衛(wèi)星的星歷和鐘差解算出時(shí)間和位置的關(guān)系，最終注入站將獲取的信息以電文導(dǎo)航的形式將時(shí)間信息和空間信息發(fā)送至衛(wèi)星中，用戶的接收機(jī)用于接收到衛(wèi)星的信號(hào)和衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。以此來(lái)測(cè)算出兩者之間的距離和位置關(guān)系，通過(guò)以上的距離和位置以及鐘差信息可獲取用戶的位置信息，以此來(lái)完成定位導(dǎo)航的任務(wù)。北斗系統(tǒng)的發(fā)展可以大致分為三個(gè)階段，第一階段為試驗(yàn)階段，第二階段為區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航，第三階段為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1.2北斗系統(tǒng)定位原理BDS的定位原理實(shí)質(zhì)上是根據(jù)由四個(gè)衛(wèi)星組成的方程式組來(lái)解算出未知數(shù)，軌道運(yùn)行高度均大于20000km，以固定周期繞地球運(yùn)行可時(shí)刻保證在上方有超過(guò)四顆的衛(wèi)星工作。由其中三顆衛(wèi)星得到三個(gè)未知方程求出X、Y、Z大小，但不可忽視時(shí)差和鐘差造成的影響需要再引入鐘差作為第四個(gè)參數(shù)，與X、Y、Z坐標(biāo)組成四個(gè)方程組得到觀測(cè)位置的高程大小，根據(jù)距離公式求解出衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離。1.1.1定位模式衛(wèi)星的定位模式主要分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位兩種方式，依據(jù)不同的衛(wèi)星定位模型進(jìn)行分類，絕對(duì)定位原理根據(jù)的函數(shù)模型而相對(duì)定位根據(jù)隨機(jī)的模型原理。其中絕對(duì)定位相當(dāng)于單點(diǎn)的定位，完成定位的過(guò)程僅需要一臺(tái)接收機(jī)，接收機(jī)獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)算法來(lái)計(jì)算出三維位置信息。這樣的方式操作起來(lái)簡(jiǎn)單，但是運(yùn)行過(guò)程中可以對(duì)數(shù)據(jù)造成誤差的因素有很多因此需要的改正模型要求就更高。與之區(qū)別開(kāi)來(lái)的相對(duì)定位，這種相對(duì)定位的方式包含多臺(tái)的接收機(jī)，同步觀測(cè)的方式使得短基線解算中來(lái)自接收機(jī)的誤差都大致相同，觀測(cè)的數(shù)據(jù)更豐富并且可以通過(guò)觀測(cè)方程差分來(lái)削弱誤差。實(shí)際工作中會(huì)找到四顆固定的衛(wèi)星，對(duì)剩余衛(wèi)星根據(jù)星座的分布情況繼續(xù)分組，將其分成若干個(gè)由四顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星組并選出誤差最小的一組用于定位工作。1.1.2定位中衛(wèi)星和接收機(jī)距離的測(cè)算接收機(jī)接收到衛(wèi)星的信息通過(guò)無(wú)線電信號(hào)的方式，這些無(wú)線電信號(hào)帶有時(shí)間信息和位置信息，但傳輸過(guò)程中由于位置過(guò)遠(yuǎn)等因素會(huì)使得信號(hào)的發(fā)出時(shí)間和接收時(shí)間存在一定的延遲，我們稱之為時(shí)延。根據(jù)距離等于時(shí)間乘上速度，可以根據(jù)信號(hào)的延遲時(shí)間算出衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，當(dāng)衛(wèi)星和接收機(jī)擁有相同的偽隨機(jī)碼且時(shí)間上可以達(dá)到同步的情況下，即可根據(jù)測(cè)定的延時(shí)算出距離。1.3北斗系統(tǒng)時(shí)間與坐標(biāo)北斗系統(tǒng)的計(jì)數(shù)采用的是周及周內(nèi)秒的計(jì)數(shù)方式，以BDT作為時(shí)間的基準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)是連續(xù)的，將2006年的1月1日0時(shí)0秒作為零時(shí)刻，一周內(nèi)的時(shí)間為604800，達(dá)到1024周后開(kāi)啟新一輪的計(jì)時(shí)；北斗系統(tǒng)采用同CGCS2000（中國(guó)大地坐標(biāo)系統(tǒng)）具有相同定義的坐標(biāo)系統(tǒng)，兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)采用的是相同的參考橢球系數(shù)，其定義符合IERS所定義的規(guī)范。表2-2坐標(biāo)系統(tǒng)的參數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)自轉(zhuǎn)角速度（rad/s）長(zhǎng)半軸（m）扁率地球引力常數(shù)（m3/s2）PZ-90地球質(zhì)心7.292115×10-563781361/298.257839303398600.44×109WGS-84地球質(zhì)心7.292115×10-563781371/298.257223563398600.5×109CGCS2000地球質(zhì)心7.292115×10-563781371/298.257222101398600.441×109表2-3坐標(biāo)系坐標(biāo)軸定義坐標(biāo)軸定義Z軸指向國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織定義的參考極（IRP）方向；X軸為國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織定義的參考子午面(IRM）與通過(guò)原點(diǎn)且同Z軸正交的赤道面的交線；Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系；備注：長(zhǎng)度單位是國(guó)際單位制米。1.4北斗系統(tǒng)在測(cè)繪中的應(yīng)用北斗系統(tǒng)作為全地形的導(dǎo)航定位系統(tǒng)擁有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)組網(wǎng)和測(cè)量網(wǎng)，這得益于可以實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的衛(wèi)星數(shù)量，在處理復(fù)雜地區(qū)地形時(shí)擁有更高的精度，據(jù)公開(kāi)資料顯示，目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星以及超過(guò)了四十顆，不僅實(shí)現(xiàn)了多全球的覆蓋還擁有廣泛的地理地形覆蓋范圍，由于地形覆蓋率較地理覆蓋率而言更難以提升，這一優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于GPS且實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在全域范圍內(nèi)開(kāi)展地理信息測(cè)繪工作的可能，相較于傳統(tǒng)的GPS測(cè)量更宜支持全地形測(cè)繪的開(kāi)展。表2-4“三化技術(shù)”說(shuō)明“三化”技術(shù)我國(guó)的北斗系統(tǒng)采用CGCS2000坐標(biāo)系，因此在工作過(guò)程中可以減少因坐標(biāo)轉(zhuǎn)換造成的時(shí)間浪費(fèi)，很大程度上提高了工作效率，北斗導(dǎo)航提供高精度的導(dǎo)航位置服務(wù)，更加準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理加工，其重要程度非常大。1.4.1北斗系統(tǒng)與GIS平臺(tái)的共同應(yīng)用應(yīng)用層屬于一個(gè)更加精細(xì)化的領(lǐng)域，他根據(jù)各個(gè)行業(yè)的特點(diǎn)對(duì)軟件細(xì)分進(jìn)行開(kāi)發(fā)，定位的服務(wù)功能不僅可和地圖的數(shù)據(jù)結(jié)合滿足監(jiān)控和調(diào)度等應(yīng)用，更需要與各行業(yè)的業(yè)務(wù)要求相結(jié)合。為實(shí)現(xiàn)某種工作流程的自動(dòng)化需結(jié)合GIS軟件進(jìn)行第二次的開(kāi)發(fā)，例如某種管道的線路鋪設(shè)不僅要與專業(yè)的設(shè)備相連接，還需在定位終端和后臺(tái)GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的識(shí)別和分析來(lái)開(kāi)發(fā)終端軟件。精度級(jí)別可達(dá)米級(jí)、亞米級(jí)、厘米級(jí)三個(gè)級(jí)別。1.5鐵路勘測(cè)對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的需求分析隨著不斷的研發(fā)和進(jìn)步，目前的北斗導(dǎo)航可以提供的服務(wù)和定位的精確程度已經(jīng)不亞于GPS系統(tǒng)，這一有利條件為北斗系統(tǒng)在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)做好堅(jiān)實(shí)的保障。如何將北斗系統(tǒng)投入到運(yùn)營(yíng)之中是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，當(dāng)前技術(shù)還不夠成熟且許多難點(diǎn)未被解決，研究如何將相對(duì)定位系統(tǒng)應(yīng)用到鐵路勘測(cè)之中是非常有必要的，北斗系統(tǒng)的投入使用必將解決依賴進(jìn)口衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)的局面，降低使用維護(hù)成本，有助于更廣泛的建立控制測(cè)量網(wǎng)。1.5.1用于鐵路測(cè)圖和放樣以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的定位技術(shù)首要考慮的就是定位的可靠性和精度情況，系統(tǒng)是否可靠與衛(wèi)星的數(shù)量及分布的情況有直接的關(guān)系，定位結(jié)果的可靠性取決于各項(xiàng)PDOP值，受衛(wèi)星的分布情況影響較大，在定位的初期需要幾顆固定的衛(wèi)星進(jìn)行初始化的定位，并且衛(wèi)星的分布情況要均勻，觀測(cè)角度合適，但實(shí)際情況中會(huì)受到環(huán)境的影響，例如在偏低地區(qū)或山區(qū)衛(wèi)星的分布不均勻且GPS的數(shù)量較少，此時(shí)采用多星系的系統(tǒng)融合可以提高可靠性和可用性，對(duì)GPS、BDS、GLONASS進(jìn)行組合應(yīng)用。此外還可以依靠城市中的CORS站，CORS站的存在幫助了工程坐標(biāo)系和國(guó)家坐標(biāo)系的統(tǒng)一，使測(cè)繪放樣工作更簡(jiǎn)單僅需一個(gè)流動(dòng)站即可。這樣的站點(diǎn)不需要假設(shè)參考站，觀測(cè)的半徑較之前相比也更大，很大程度上可以減少工作人員的數(shù)量，提高效率降低使用的成本。同時(shí)不同衛(wèi)星的組合使用也提高了衛(wèi)星的利用率，實(shí)現(xiàn)了資源的最大化利用，很好的改善了定位可靠性和精度，這種應(yīng)用有著更加廣泛的應(yīng)用前景。1.5.2用于運(yùn)營(yíng)鐵路特殊結(jié)構(gòu)物形變監(jiān)測(cè)現(xiàn)階段對(duì)鐵路軌道的檢測(cè)方式主要依靠全站儀來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種方式已經(jīng)很成熟并在短期的效果也較佳，但存在人員人力消耗過(guò)大的缺陷，需要大量的設(shè)備資源。對(duì)高速鐵路的檢測(cè)需要的標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，對(duì)特殊的橋梁路段的監(jiān)測(cè)要求不同，為保障高鐵的安全運(yùn)行，需高頻率、多次數(shù)的進(jìn)行觀測(cè)，并且對(duì)線上的工作精度和要求要遠(yuǎn)高于普速路段。在對(duì)鐵路線路的檢測(cè)過(guò)程中會(huì)受到觀測(cè)時(shí)間的限制，線上可供工作的天窗工作時(shí)間較短，因