1、I对北斗系统的初步认识和在航海技术上的应用摘要作为中国正在实施的自主研发并且独立运行的全球卫星导航系统，北斗卫星导航系统与美国 GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球四大卫星导航系统。本文介绍了北斗导航定位系统的发展、组成、工作原理与工作流程。介绍了北斗系统的主要功能及其在航海技术上的应用。北斗系统是一个全天候、区域性的卫星导航定位系统，它的主要功能是利用地球同步卫星为用户提供快速导航定位、简短数字报文通信以及精密授时服务。由于北斗系统不需要其它系统的支持就可以具备通讯与定位的功能，并且融合了卫星增强系统，使其可以更广泛地应用，适合集团大范围地资料获取、监控管理以及用户资料传输，此外
2、北斗系统由我国拥有自主知识产权，因而用起来更加可靠和安全，具有很好的保密性，目前国内的交通运输产业和一些大型企业已经开始逐步装备我国自主研发的北斗卫星导航定位系统。把北斗系统与 GPS 系统进行了对比，分析了北斗系统的优缺点，并指出了北斗系统的发展与改进方向。关键词北斗系统 导航 通信 航海 卫星IIAbstract: as China is in the implementation of the independent research and development and independent operation of the global satellite navigation
3、system, beidou satellite navigation system and the GPS, Russia, the European Union, los kenaz Galileo system and called global four satellite navigation system. This paper introduces the development of beidou navigation positioning system, composition, working principle and the working process. Intr
4、oduces the main functions and beidou system in navigation applications. The big dipper system is a round-the-clock, regional satellite navigation and positioning system, its main function is to use geostationary satellites for the user to provide quick navigation and positioning, short message commu
5、nication and digital precision GPS clock service. Because the big dipper systems do not need the support of other systems can have the communication and positioning of the function, and fusion of satellite enhance the system, make its can be more widely used, suitable for group big range data acquis
6、ition, monitoring management and user data transmission, in addition the big dipper system in our country by with independent intellectual property rights, and more reliable and safe use up, good secrecy, at present domestic transportation industry and some large enterprises have begun to gradually
7、equipment independent research and development of our country dipper of the satellite navigation and positioning system. The beidou system compared with GPS system, analyzes the advantages and disadvantages of beidou system, and points out the development and improvement of beidou system direction.
8、Keywords: beidou system navigationc ommunication navigation satelliteIII目录目录 III引言 .1第一章 北斗系统简介 .21.1 北斗系统的概述 21.2 北斗系统的组成 41.3 北斗系统与 GPS 系统的比较 .4第二章 北斗系统的主要功能及在航海技术上的应用 .62.1 北斗系统的主要功能 .62.2 北斗系统的工作原理 .72.3 北斗系统的工作流程 .82.4 北斗系统的主要技术指标: .82.5 北斗系统在航海技术上的应用 .92.6 北斗系统在航航技术上的渗透 .11第三章 北斗终端数据处理和应用 .123
9、.1 外设与北斗终端的数据交换与处理 123.2 在航标系统中的应用 .13第四章 北斗系统的优缺点及发展建议 .144.1 北斗系统的优缺点 .144.2 北斗系统的发展建议 .15结束语 .16致谢语 .18参考文献 .191引言作为中国正在实施的自主研发并且独立运行的全球卫星导航系统，北斗卫星导航系统与美国 GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。其中空间端由 30 颗非静止轨道卫星以及 5 颗静止轨道卫星组成；地面端主要由主控站、注入站以及监测站等地面站组成；用户端由北斗用户终端以及与美国 GPS、俄罗斯格洛
10、纳斯、欧盟伽利略等其它卫星导航系统兼容的终端组成。中国此前已经成功发射四颗北斗导航试验卫星和十颗北斗导航卫星，并将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统以建成独立自主、开放兼容、稳定可靠、技术先进、可覆盖全球的导航系统为最终建设目标。北斗卫星导航系统促进了我国卫星导航产业链的行程，完善了国家的卫星导航应用产业支撑、推广与保障体系，推动了卫星导航在国民经济社会各行各业的广泛应用。北斗卫星导航系统可以在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、授时与导航服务，并且同时提供短报文的通信服务。中国以后生产定位服务设备的生产商，都将会提供对 GPS 和北
11、斗系统的支持，这将会进一步提高定位的精度。目前，北斗卫星导航系统已经开始向中国及周边地区提供连续的导航地位与授时服务。 12第一章 北斗系统简介1.1 北斗系统的概述北斗卫星系统是一种以卫星为导航台的无线电导航系统，除了能够提供众人熟知的高精度位置信息外，还能够为用户提供高精度速度信息和好精度时间信息。由于众多突出优点，卫星导航已成为实现高精度、全天时、全天候、陆军空天一体、导航定位与授时的最佳手段，广泛应用于经济社会和国防安全的各个领域。在经济领域，卫星导航为电信、电力、金融等国家纤济基础行业提供低成本，高精度的时间同步，为交通运输、商业物流，建筑工程、渔业生产、矿藏开发、资源普查、灾害监测
12、、公共安全、生命救助、个人移动电话定位、竟技体育等各行各业提供高精度定位、测速服务。卫星导航己成为继移动通信和互联网之后信息产业第三个重要的经济增长点。可以说，“比斗二号”部署完毕，在中国沿海以及亚洲地区，中国的卫星导航商用市场将彻底改观。北斗卫星导航系统提供开放服务和授权服务两种服务方式，开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，为民用用户免费提供10米精度的定位服务、0. 2米/秒的测速服务、误左不超过10纳秒的时间服务，并且将为付费用户提供更高精度等级的服务。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，收费授权提供更好的服务。北斗导航系统将主要用于经济建设，为中国的交通运输、气象
13、、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。在国防防领域，卫星导航己成为建设信害、化军队、打赢信息化战争的必要基础和保证，在联合作战指挥、战场态势感知、军事载体及人员引导与定位、精确打击、情报侦察、战场目标属性识别等方面发挥着重要作用。卫星导航己成为军事战斗力的有机组成部分和作战效能倍增器。“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如:飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载只发射位置的快速定位，以缩短反应时间;人员搜救、水上排雷定位等。不过，因运作方式不同，“北斗”卫星导航定位系统有一些GPS没有
14、的军事功能，其中最重要的就是部队的指挥管制。由于“北斗”卫星导航定位系统的简短通信功能可进行“群呼，如集团用户中心发出的各种指令经“北斗”指挥型用户机上传至“北斗”卫星接着转给地面控制中心，再经出站链路传至“北斗”卫星向目标用户转发，使得集团用户中心可对其下属用户进行指挥调度。“北斗三号”部署完毕，3在国防领域小言而喻将大幅度提高解放军的精准打击能力。卫星导航系统可以说是最重要的空间信息基础设施，因此我国一直以来都很重视卫星导航系统的建设，并不停地努力探索与发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。根据国外发展卫星导航系统的经验教训并结合我国的实际情况，我国分三个阶段循序渐进地实施自己的卫星导航系统
15、建设目标。（1）第一个阶段主要是完成试验任务，也就是用少量的相对地球轨道静止的卫星来建设一个区域性的有源卫星导航系统。通过第一个阶段的试验与建设，为北斗卫星导航系统培养专业人才、积累技术经验、开发卫星导航应用市场、研制相应地面基础设施设备等。北斗卫星导航试验系统的建设启动于 1994 年，并且在 2000 年形成了区域有源服务能力，在 2000 年 10 月 31 日开始相继发射了几颗“北斗”导航试验卫星，使我国成为继美国和俄罗斯之后的世界是第三个拥有自主卫星导航系统的国家，一举确立了我国在卫星导航领域的国际地位，结束了我国长期单一依赖国外卫星导航的历史。（2）第二个阶段主要是完成一个区域性无
16、源卫星导航系统的建设，并且计划通过发射 12 克北斗卫星来完成第二个阶段的建设。2004 年 9 月，我国正式启动了“北斗”导航卫星系统的建设，并在 2007 年 4 月 14 日发射了第一颗运行在中圆轨道的北斗卫星，2009 年 4 月 15 日发射了第二颗运行在地球静止轨道的北斗卫星，2010 年 1 月 17日发射了第三颗运行在地球静止轨道的卫星，2010 年 6 月 2 日发射了第四颗运行在地球静止轨道的北斗卫星，2010 年 8 月 1 日发射了第五颗运行在倾斜地球同步轨道的北斗卫星，2010 年 11 月 1 日发射了第六颗运行在地球静止轨道的北斗卫星，2010 年 12月 18
17、日发射了第七颗运行在倾斜地球同步轨道的北斗卫星，2011 年 4 月 10 日发射了第八颗运行在地球同步轨道上的北斗卫星，2011 年 7 月 27 日发射了第九颗运行在倾斜地球同步轨道上的北斗卫星，2011 年 12 月 2 日发射了第十颗运行在倾斜地球同步轨道上的北斗卫星。我国计划在 2012 年下半年建设成具有覆盖中国及其周边国家和地区能力的区域性无源卫星导航系统，完成第二阶段的建设。（3）第三个阶段的建设目标是建设一个全球性的无源卫星导航系统，这需要在第二阶段的基础上完成。目前我国计划通过发射三十五颗“北斗”导航卫星来完成第三阶段的任务，并计划于 2020 年之前完成这一建设目标。在第
18、三个阶段，我国计划建成独立自主、技术先进、稳定可靠、开放兼容的可以覆盖全球的“北斗”卫星导航系统，促进我国卫星导航产业链的形成，完善我国卫星导航应用产业支撑、保障与推广体系，促进卫星导航在国家社会经济等各行各业的广泛应用。第三阶段的建设目标，以应用推广和产业发展为根本，强调安全、效益、应用和质量，不仅仅是要建成“北斗”卫星导航系统，更重要的是要利用好“北斗”卫星导航系统。我国的“北斗”卫星导航系统主要按照以下几个原则来建设和发展：第一，可以独立自主地为全球用户提供服务，不需要依赖其它国家或单位；第二，为全世界用户4提供免费的高质量服务，与世界各国开展积极广泛且深入的合作与交流，促进各个卫星导航
19、系统之间的兼容性与互操作，促进卫星导航技术及其相关产业的发展；第三，争取在国际电信联盟框架与全球卫星导航系统国际委员会框架下，实现与全球各个卫星导航系统的彼此兼容与互操作，使卫星导航发展的成果能够被尽可能多的用户分享；第四，稳妥积极地推进“北斗”卫星导航系统的发展和建设，实现各个阶段发展的无缝连接，并不断完善服务质量。总之，我国北斗卫星导航系统的建设分三个阶段完成，从区域性有源服务能力到区域性无源服务能力，再进而发展到全球性的无源服务能力，这是一个循序渐进地发展过程。按照我国的北斗系统发展规划， “北斗”卫星导航系统的建设主要包括关键技术试验与攻关、工程建设、应用推广以及产业化等三大任务。到
20、2020 年， “北斗”卫星导航系统将成为与美国 GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧洲的 Galileo 并列的四大卫星导航系统，在全球性无源卫星导航系统中占有举足轻重的地位。1.2 北斗系统的组成北斗卫星导航定位系统由空间部分、地面控制部分以及用户接收部分三部分组成。2, 3其中空间系统部分由两颗同步地球卫星、一颗在轨备份卫星组成，分别位于赤道面 800E、1400E、110.5E 位置，前两颗卫星经度相差六十度。地面控制系统部分用于对卫星的定位、测轨、调整卫星姿态、调整卫星运行轨道、控制卫星的工作、测量和收集校正导航定位参量，以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。地面控制系统部分由
21、一个配有电子高成图的地面中心定位控制站、计算中心、测高站、测轨站以及几十个分布于全国的参考标校站组成。用户接收部分用于接收中心站通过卫星转发来的信号以及通过卫星向中心站发出定位请求，北斗卫星导航系统的用户设备不含有定位解算处理设备，这是与 GPS 接收机不同的。北斗卫星导航系统的用户设备主要有定位通信型、通信型、指挥型、授时型等几种，其中定位通信型比较常用，故又称为基本型。1.3 北斗系统与 GPS 系统的比较（1）覆盖范围。GPS 是覆盖全球的全天候导航系统，可以保证在地球上的任何地点、时刻都可以同时观测到至少 6 颗以上的卫星，而我过得北斗导航定位系统是覆盖我国本土的区域导航系统，覆盖范围
22、为东经 70-140，北纬 5-55。 1, 2（2）实时性。GPS 的实时性要强于北斗系统，这是因为目前北斗一号用户的定位申请需要送回中心控制系统，由中心控制系统计算出用户的三维位置数据之后再发送给用户，在这个过程中要经过地球静止轨道卫星走一个往返，再加上中心控制系统的5处理时间以及卫星转发的时间，有较大的时间延迟，所以对于告诉运动的物体来说，有相对比较大的定位误差。（3）用户容量。GPS 是单向测距系统，因此用户设备要进行测距定位只需要接收导航卫星发出的导航电文就可以，因此，GPS 可以接受无限的用户设备容量。而北斗导航系统采用的是主动式双向测距的询问-应答模式，用户设备不仅需要通过地球同
23、步卫星接收地面中心控制系统的问询信号，还需要通过地球同步卫星发射应答信号，因此，北斗导航定位系统的容量就收到用户允许的信道阻塞率、用户的响应频率以及询问信号速率等的限制，只能接受有限的用户设备容量。（4）定位原理。GPS 定位采用的额远离是被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备自己独立计算自己的三维位置数据信息。而北斗导航系统采用主动式的双向测距二维导航模式，由地面控制中心计算用户的三维位置信息，并通过加密后提供给用户。这样，北斗导航系统的用户在定位的同时也失去了自己的无线电隐蔽性，同时，由于用户设备必须包含发射机，因此在体积、价格、功率等方面也不如 GPS 有优势。（5）生存能力。GPS 努
24、力采用横向星际数据链技术，这样当中心控制站被毁以后，GPS 卫星仍然可以独立运行；而北斗卫星系统是基于中心控制系统的支持而工作，所有的计算工作都是用中心控制系统来完成的，因此北斗系统中的卫星对中心控制系统的依赖性比较强，如果中心控制系统受损，则整个北斗系统都不能继续工作。（6）卫星数量与轨道特性。GPS 系统是由分布在 6 个轨道平面上的 24 颗卫星组成，轨道面赤道角距为 60，轨道赤道倾角为 55，导航卫星绕地球一周为 11 小时 58 分，运行在准同步轨道上。而北斗导航系统是在地球赤道平面上设置 2 颗同步地球卫星来工作，两颗卫星的赤道角距为 60。（7）定位精度。GPS 系统的定位精度
25、可以达到 6m，授时精度可以达到 20 纳秒。而北斗导航系统的三维定位精度约为几十米，授时精度只能达到 100 纳秒，与 GPS 系统相比仍有一定差距。6第二章 北斗系统的主要功能及在航海技术上的应用2.1 北斗系统的主要功能作为我国自主研发的卫星定位系统，北斗系统是一个全天候、区域性的卫星导航定位系统，它的主要功能是利用地球同步卫星为用户提供快速导航定位、简短数字报文通信以及授时服务。北斗系统的主要功能体现在以下三个方面：（1）快速定位。北斗定位系统采用的是主动定位方式。具体说来就是，先由用户终端主动向地面控制中心发出定位请求，也就是入站；然后地面控制中心根据接受到的用户请求信号，测量或者计
26、算出用户与两颗卫星的距离。最后中心控制系统计算出用户的精确位置，并进行加密之后通过卫星广播出去，由用户终端进行接收，也就是出站。这样就完成了与 GPS 精度相当的快速实时定位,定位精度为为 20-100m。北斗定位系统可以为用户提供高精度、全天候的快速实时定位服务，为服务区域内的所有用户确定地理位置，同时也可以为用户及相关部门提供导航服务 。 6, 7（2）简短报文通信。 “北斗”卫星导航定位系统具有用户与地面控制中心、用户与用户之间的双向数字简短通信能力。用户一次可以传送 40 至 60 个汉字的简短报文信息，一般用户可以单次或者多次传输文本信息。其中注册用户可以利用连续传送的方式最多传送
27、120 个汉字的信息。（3）精密授时。 “北斗”卫星导航系统同时具有双向和单向两种授时功能，根据不同的精度要求，北斗卫星导航系统定时传送最新的授时信息给客户端，完成北斗导航定位系统与用户见的时间和频率同步，供客户修正与“北斗”卫星导航定位系统间时间误差。北斗系统的授时误差在 20 纳秒与 100 纳秒之间，其中单向授时精度为100 纳秒，双向授时精度可以高达 20 纳秒。 定位导航功能为北斗系统的主要功能，其在军事和民用上都有广阔的应用前景。（1）在炮兵中的应用：现代战争是诸军兵种的联合作战，炮兵在协同作战中具有十分重要的地位和极其重要的作用。如果每门火炮配备一台小型双星系统的用户收发机，可快
28、速确定各炮的坐标和相对位置，求定射击诸元，这使火炮的反应速度和命中率大大提高。同时，双星定位系统还可与各种光、声、电侦测系统（如激光测距仪、7战场侦察雷达、无人驾驶飞机等）以及计算机火力控制系统相配合，及时确定目标的方位、斜距离、高度、速度等，以便进行快速准确的射击。此外，双星定位系统的导航定位速度快，并兼容通信，可引用导炮兵部队沿指定路线迅速到达指定地点，及时做好战斗准备，实施不受地形、天候限制的实时指挥调度，还可与指挥部和友邻部队及时取得联系，适应了高技术战争的要求。（2）在海军中的应用：如果把双星定位系统接收机装在舰船上，并将航海信息数据和海图存贮在地面中心站的数据库中，就可使航船绕开暗
29、礁，正确行进，巧省动力，避免碰撞和搁浅。海军基地指挥部的用户管理站，可根据下属舰船的实时位置对舰船实施调度，以执行海上进攻、支援、勤务保障以及紧急营救等任务。在战斗中，可提高舰炮的射击效果，增强潜射导弹的威慑力量。另外，装有双星定位系统收发机的舰船，不但能顺利进出海港，加速完成航道布雷和扫雷任务，而且能在准确地点完成海上巡逻和搜索任务。（3）在军事训练中的应用：定位系统接收机特别便于小分队实施侦察与穿插。当沿预定路线行进时，先在地形图上依次量出起点、中间点（如据点等）和终点的三维坐标并标记在图上；在起点进行首次定位，并与已标注的三维坐标进行核对，若差值在误差限值之内，即开始行进。行进中不断更新
30、定位数据，检查坐标的变化是否渐趋于计划中下一点的坐标，当达到预定点坐标 100 米附近时，利用地形图作进一步的准确定位，依此可至终点。此外利用双星定位系统接收机判定方位也很方便，即连续更新定位值，使横坐标值不变，而使纵坐标值增加的方向为坐标北来确定方位。越野行进时，还可根据计划中的起点、中间点和终点坐标计算出坐标方位角。依纵、横坐标的增量变化率方向行进，能迅速到达终点。这一功能可极大地提高部队的快速反应能力和部队的战斗力。（4）与电子地图结合在定位导航中的应用：目前，研制一种把定位系统和电子地图相结合，组成一个既有定位导航功能，又有地形分析显示功能的综合系统，己成为军事部门关注的焦点之一。这种
31、系统的接收机不断地把测得的空间位置传输给屏幕上的电子地图，并以光点闪烁方式连续显示出来，以达到定位导航的目的。若飞机上安装双星定位系统接收机设备，可实时确定敌防空系统的设置情况，并通过软件分析，直接在电子地图标出敌雷达盲区和为飞行员选标出通过敌防空系统的相对安全航线，以保障实施低空戴超低空飞行的安全。（5）在民用领域应用：双星定位系统能起到提高效率、节约经费、减少事故等作用。例如，对铁路系统来说，双星定位系统的准确定位导航功能以及移动列车与调度室之间借助卫星通信进行双向信息传递，大大地提高了行车安全和扩大运输能力。在公路交通运输方面，调度指挥可以更加适时合理，每年可减少 24 亿多元的经济损失
32、。在客货运输业务方面，可减少空驶量及沉船事故，保证航道畅通，及时紧急营救。在邮电通信事业上，双星定位系统增加了用户的通信距离，节约了时间，提高了办事效率。8在地震灾害预测和预报方面，双星系统的通信网络不受地面灾害的影响，定位精度高，为灾害的监测预报提供了强有力的手段和方便的条件。此外，在公安保卫、巡逻搜索、资源勘察、海上和空中交通管制、个人旅游、安全呼救等各个方面，双星定位系统的定位导航应用都具有显著的优越性。.2.2 北斗系统的工作原理2.2.1 系统定位原理第一代“北斗”卫星网由 3 颗位于地球同步轨道卫星组成，2 颗卫星分别定点在80E 和 140E 上空，另 1 颗在轨备份卫星定点在
33、110.5E 上空。系统可全天候提供卫星导航定位信息，服务范围以我国大陆地区为主的部分区域。其定位原理是:赤道上空 2 颗地球同步卫星的位置是精确已知的: ( 、 、 )和 ( 、 、 )，1SX1YZ2SX2YZ地面中心处理站的位置也被精确测定( 、 、 )，设用户位置为( 、 、 )。00 uu首先由地面中心处理站向卫星 发送非编址通用询问无线电信号(此询问信号面向全部1S用户)，卫星 接收并对此信号进行简单的频率变换后再转发给用户。用户的收发机接2S收此信号后，用脉冲二进制序列码信号回答。用户收发机的天线是全向波束，卫星和 接收到用户回答信号后进行频率变换再转发给地面中心处理站。中心处理
34、站、12卫星和用户之间的询问和应答电波传播流程如图 2-1 所示。中心站询问信号用户回答信号中心站( 、 、 )0XY0Z( 、 、 )1SX1YZ ( 、 、 )2SX2YZ02r01r1r 2r用户( 、 、 )uXYuZ图 2-1地面中心处理站在两个不同时刻得到由用户回答信号的同一个二进制脉冲序列，站中大容量高速计算机同时进行识别处理，测量出从发出询间讯号至接收到用户应答9信号的时间间隔。经判别有效后，中心站自动送出一个确认信号给用户，表明用户发送的最新信号已正确接收，用户停止重复发送。用户收发机自动停止一段时间，并暂时拒收其他后续询间信号。停止时间的长短视不同用户的要求确定。地面中心处
35、理站计算机根据测定的用户收发机（即用户终端）应答的时间间隔、站内储存的数字地形图和用户提供的数字测高仪数据，处理出用户位置的地理纬度、经度和海拔高度（或大地直角坐标 、 、 ） ，并从存储器中取出该用户前次的位置数据，与最近的位0XY0Z置数据比较，计算出用户 3 个坐标轴上的速度。由中心站解调出用户应答信号中的电子信息，再由中心站播发给用户管理机构。收发机对卫星 S 发播的信号自动接收、识别后，在液晶显示器上以字母、数字、地图和文字等形式给出用户需要的定位、导航信息和电文，同时用户收发机自动发出“信号已成功接收”的应答信号。从地面中心处理站发出询问信号到用户获得定位和导航信息，数据流程时间约
36、为 0.6s。2.2.2 系统定位计算由上述的系统定位原理，在图 2-1 中对于任一用户每应答一次地面中心处理站发出的询问信号，地面中心处理站可测得以下两个距离： 式（2-1R02r11） 式（2-201r02r2） 由式（2-1） 、 （2-2）可得出： 式（2-1rR201r3） 式（2-2r102r4）式中： 是地面中心站信号经卫星 转发给用户，用户再经卫星 转发回给地面1R1S1S中心站的距离， 是用户信号经卫星 和 转发回地面中心站的距离。2 2由于地球同步卫星 ( 、 、 )、 ( 、 、 )和地面中心站1SX1YZX2YZ( 、 、 )的位置精确已知，故可得到 和 的值，如以下两
37、式所示：0XY0Z01r 式（2-1r2221 05） 式（2-02r222000XYZ106）由以上两式可分别代人式(2-3)、(2-4)求得 和 的值，而 和 与用户的位置又有以1r21r2下关系： 式（2-1r2221u1u1uXYZ7） 式（2-2r222uuu8）由式（2-7） 、 （2-8）可以看出， 和 方程是一个分别以卫星 和 为球心，以 和几1r2 1S21r为半径的球面方程，两式联立可得到一个圆的曲线方程，而且该圆的圆心在两星的2r连线上，圆面垂直于连线。显然，地球参考椭球面与该圆相交，在赤道南、北有两个交点。这两个交点，一个是用户位置，一个是用户镜像位置。我国在地球的北半
38、球，处理时只需作简单的判断就可确定用户的位置。当然以上的计算而得出的用户位置并没有考虑地球表面凹凸不平的实际地形，而描述地球表面形状，不能用一个简单的数字表达式来表示。因此，对双星二维定位的“北斗”卫星导航系统，还需借助地面中心处理站储存的数字化地形图和用户提供的高程数据，才能用三维球面定位法解算出用户的精确位置。同时还需将求解出来的直角坐标转化为用户地理经度。2.3 北斗系统的工作流程北斗系统的基本工作过程是，首先中心控制系统通过卫星 S1 与卫星 S2 分别同时发射询问信号，并经过卫星转发器向服务区内的所有用户广播。用户对其中一颗卫星的询问信号进行相应，并且同时发射响应信号给两颗卫星，进而
39、转发回中心控制系统。中心控制系统接收用户发回来的信号，并进行解调，然后根据不同用户不同的申请服务内容进行相应的数据处理。对于定位申请，中心控制系统可以测量出两个延迟时间，一个是从中心控制系统发出问询信号，经过某一颗卫星转发至用户，用户发出定位响应的时间，经同一颗卫星转发回中心控制系统的时间延迟；另一个是从中心控制系统发出问询信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的时间延迟。按照北斗导航定位系统的工作原理，通过上述两个延迟量就可以计算出用户所在位置的二维坐标，此外，中心控制系统从数字化地形图可以查询出用户的高程值，这样，中心控制系统就获得了用户所在点的三维坐标，并把这个坐标值发送给用户。当然，在发
40、送坐标值之前，中心控制系统一般还需要进行相应的加密过程。112.4 北斗系统的主要技术指标:主要技术指标包括：1）服务区域：70145E，555N。东至日本以东，西至阿富汗的喀布尔，南至南沙群岛、北至俄罗斯的贝加尔湖，涵盖了中国全境、西太平洋海域、日本、菲律宾、印度、蒙古、东南亚等周边国家和地区。2）定位精度：平面位置精度一般为100m(1),设标校站之后为20m，高程控制精度10m。3）授时精度：单向传递100ns，双向传递20ns。4）工作频率：中心站至卫星：C波段，上行6GHz，下行4GHz，用户机至卫星：上行为L波段，16101626.5MHz，下行为S波段2483.52500MHz。
41、5）传输速率：上行16.625kb/s，下行31.25kb/s。6）双向数据通信能力：一般72byte/次（即36个汉字/次），经核准的用户利用连续传送方式最多240byte/次（即120个汉字/次）。7）用户机对卫星的可工作仰角范围：用户机对卫星的工作仰角范围为1075。8）定位响应时间：一类用户机5s，二类用户机s S，三类用户机1s。在无遮挡条件下，一次性定位成功率不低于95。9）时间系统和坐标系统：时间系统采用UTC（世界协调时），精度1s。坐标系采用1954年北京坐标系和1985年中国国家高程系统。2.5 北斗系统在航海技术上的应用“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供
42、快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。较之于陆基导航定位系统，它有更优越的性能:(l)覆盖范围广，其覆盖范围是在北纬 50 一 550，东经7001400 之间的一个心脏形区域，上大下小，基本上覆盖了我国海区:(2)定位精度高，静止水平误差士 20 米，运动水平误差士 100 米，经过校标(即相当于差分)可达到士 20米，同时还具有数字报文通信以及授时功能。因此，我们应积极探索“北斗一号”卫星定位系统在航海上的应用。2.5.1 定位导航12根据系统的工作原理，中心控制系统响应用户的定位申请，通过测出两个时间延迟，求出船舶位置，然后通过查询数字化地图确定用户所在
43、点的经纬度，经过加密后由出站信号发送给用户，最终显示在用户接收机上。按照系统设定的定位响应时间，最低级别的用户小于 5 秒，其实时性完全能够满足船舶海上航行。因此，可以通过系统提供高精度船位，保障船舶航行安全。l)利用各种导航信息，准确执行计划航线在运用船舶用户接收设备监测船舶航行的过程中，通过“北斗一号”卫星定位系统提供的实时高精度船位，结合接收机的航迹显示、防撞报警、航迹偏差告警等功能，正确引导船舶按计划航线航行。一旦船舶偏离计划航线，及时修正航向返回计划航线，以保证船舶的航行安全。2)利用锚泊告警功能，防止发生拖锚事故通过设定锚位点及告警半径，并对锚位实施全时监测，以便及时发现船舶拖锚，
44、从而有效防止发生拖锚事故。3)保障船舶在复杂条件下的航行安全复杂条件下的航行泛指在沿岸、狭水道、能见度不良、冰区和极区等复杂的地理条件及复杂的气象条件下的航行。为了确保船舶在复杂条件下航行的安全，可以充分利用“北斗一号”卫星定位系统地面控制中心掌握用户位置等有关导航信息的特点，再结合地面控制中心的数字化地海图，由地面控制中心将船舶位置与船舶航行海区附近碍航物的方位距离，及时通过通信信道传输给用户，以便用户随时掌握船舶与碍航物之间的方位距离，及时采取避让措施，绕开暗礁、险滩等危险区，从而正确引导船舶在复杂条件下的航行。随着沿海地区经济的飞速发展，沿岸海域的航运事业也得到了巨大的发展，航行密度和进
45、出港频率的增大，这对船舶的准确定位提出了更高的要求。 “北斗一号”卫星定位系统的建成，将有效的保障我国船舶的安全航行。2.5.2 监控指挥基于双星定位系统原理，只要用户响应地面控制中心发出的询问信号，地面控制中心就能解算出用户的位置。所以，对于所有使用“北斗一号”系统的用户，地面控制中心都能知道它们的位置，这是任何其他定位导航系统所不具备的，同时，它还具有简短的双向数字报文通信功能以及授时，这对我们监控指挥在海上航行的船舶是非常有利的。1)交通管制在现有的交通管制系统中，加入“北斗一号”定位导航系统，将有效的提高各大港口的交通管制能力，提高船舶的通行量，减少事故。2)防台抗台对各大船舶公司而言
46、，随时掌握在外船舶的态势是很重要的，而重中之重的就是防台抗台。较之于单船而言，岸上指挥所所掌握的台风信息及相对态势要清楚和准确13的多，通过在地面控制中心和指挥所之间建立链接，结合防台系统， 不但各船和台风的态势可实现动态显示，并且还可模拟未来各船和台风之间的发展趋势，无疑，这为领导层防台抗台科学决策提供了更为先进的手段。3)搜索救援“北斗一号”用于搜索救援时，将能大大地缩小搜索范围，提高救援成功率。只要用户响应地面控制中心发出的询问信号，地面控制中心就可以掌握用户位置。因此，船舶在航行过程中失事时，只要通过“北斗一号”船舶接收机发出定位请求信号，地面控制中心就可以知道船舶失事的准确时间和地点
47、，从而为搜救成功赢得宝贵的时间。2.5.3 船舶避碰沿海及狭水道多险滩暗礁，且船舶通航密度大，极易出事故，这就给在这一带航行的船舶避碰提出了更高的要求。为此，可以考虑在“北斗一号”卫星定位导航系统提供的高精度定位基础上，结合 ARPA 雷达、电子海图、自动导航系统、自动避险系统和车、舵控制系统，组成一个全自动避碰系统(ACAS)，辅之以地面控制中心的监控调节，将有效的提高船舶的避碰效果，减少船舶碰撞事故。2.6 北斗系统在航航技术上的渗透由于北斗系统不需要其它系统的支持就可以具备通讯与定位的功能，并且融合了卫星增强系统，使其可以更广泛地应用，适合集团大范围地资料获取、监控管理以及用户资料传输，
48、此外北斗系统由我国拥有自主知识产权，因而用起来更加可靠和安全，具有很好的保密性，因此，目前国内的交通运输产业和一些大型企业已经开始逐步装备我国自主研发的北斗卫星导航定位系统。 6-8第一，从航海工业以及远洋船舶本身的安全性来说，北斗导航定位系统是我国拥有自主独立产权的，因此在安全性方面具有得天独厚的优势与保障；第二，对于航海科学考察系统的可靠性来说，北斗导航定位系统可以增加新的扩展功能，进而提高远洋船舶完成科学考察等任务的能力。因此，随着北斗导航定位系统的不断完善与发展，它在航海技术上已经可以实现定位导航、简短报文通信以及精密授时等功能。（1）在航海技术上一个非常重要的方面就是船舶的定位功能。
49、在运用传播用户接收设备监测船舶航行的时候，通过北斗导航定位系统可以实时地提供高精度的船舶三维信息，再结合接收机显示的航迹、航迹偏差警报以及防撞警报等功能，北斗系统可以帮助船舶准确地按照计划航线前进。并且在船舶偏离目标航向时，可以及时修正航向，确保船舶的航行安全。另一方面，为了确保船舶在沿岸、极区、冰区、能见度不良以及狭窄水道等复杂14的地理条件或者复杂的气象条件下安全地航行，北斗系统可以通过地面控制中心掌握船舶用户的地理位置能信息，再根据地面控制中心的数字化海图，把船舶位置与船舶所在海域附近的障碍物等相关的方位与距离信息，准确地传输给船舶，这样船舶在航行过程中可以采取正确地措施，实现在复杂的地理条件或气象条件下的安全航行。（2）北斗导航定位系统可以为航海人员提供简短报文通讯服务，这一方面可以作为科学考察人员通信的应急备份手段，还可以作为远洋人员应急救生通信的手段，这是 GPS 系统所不具备的功能。与快速定位功能相似，北斗导航定位系统的快速短报通信功能也是采用主动式的请求响应模式。首先是用户通过用户机发起包含通信电文内容的通信请求，然后控制中心
