1、北斗卫星导航安全1201 马振鑫目录1.发展历程 2.组成部分3.定位的基本原理 4.应用前景5.与GPS导航系统的比较全球卫星导航系统全球卫星导航系统一、发展历程北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,缩写为BDS。截至目前，我国截至目前，我国“北斗北斗”卫星导航系统建卫星导航系统建设的设的“三步走三步走”规划已成功实现第一、二步。规划已成功实现第一、二步。第一步：第一步：2000年建成了北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步：第二步：建设
2、北斗卫星导航系统，2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。第三步：第三步：2020年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。北斗的进展稳步推进2000年年10月月31日日东经东经140度度2000年年12月月21日日东经东经80度度2003年年5月月25日日东经东经110.5度度一、发展历程2007年年4月月14日日MEO卫星卫星2009年年4月月15日日GEO卫星卫星2010年年1月月17日日GEO卫星卫星一、发展历程一、发展历程二、系统组成（1 1）空间段）空间段由由5颗颗GEO（静止轨道）卫星和（静止轨道）卫星和30颗颗Non-GEO（非静止轨道）卫星组成（非静止轨道）卫星组成
3、空间星座空间星座GEO 卫星卫星MEO 卫星卫星系统中的卫星是空间导航站，即在空间的位置系统中的卫星是空间导航站，即在空间的位置基准点，也是通信中继站，它是离地约基准点，也是通信中继站，它是离地约36000km 高高的地球静止卫星。由三颗北斗一号卫星组成，两颗的地球静止卫星。由三颗北斗一号卫星组成，两颗卫星分别定点在东经卫星分别定点在东经80、东经、东经140上空上空 ,另一颗另一颗在轨备份卫星定点在东经在轨备份卫星定点在东经 110.5上空。每颗卫星上空。每颗卫星由有效载荷、电源、测控、姿态和轨道控制、推进由有效载荷、电源、测控、姿态和轨道控制、推进、热控、结构等分系统组成。卫星上设置两套转
4、发、热控、结构等分系统组成。卫星上设置两套转发器，一套构成地面中心到用户的通信链，另一套构器，一套构成地面中心到用户的通信链，另一套构成由用户到地面中心的通信链。卫星波束覆盖我国成由用户到地面中心的通信链。卫星波束覆盖我国领土和周边地区，主要满足国内导航通信需要。领土和周边地区，主要满足国内导航通信需要。二、系统组成2) 地面测控网(1) 主控站(计算中心)、测轨站、气压测高站和校准站。主控站设在北京，控制整个系统工作，主要任务有：接收卫星发射的遥测信号；向卫星发送遥控指令，控制卫星的运行、姿态和工作。控制各测轨站的工作，收集它们的测量数据，对卫星进行测轨、定位，结合卫星的动力学、运动学模型，
5、制作卫星星历。实现中心与用户间的双向通信，并测量电波在中心、卫星、用户间往返的传播时间(或距离)。二、系统组成2) 地面测控网(2) 主控站利用测得的主控站、卫星与用户间电波往返的传播时间、气压高度数据、误差校正数据和卫星星历数据，结合存储在计算中心的系统覆盖区数字地图，对用户进行精确定位。系统中各用户通过与计算中心的通信，间接地实现用户与用户之间的通信。由于主控站集中了系统中全部用户的位置、航迹等信息，可方便地实现对覆盖区内的用户进行识别、监视和控制。二、系统组成2) 地面测控网(3) 测轨站设置在位置坐标准确已知的地点，作为对卫星定位的位置基准点，测量卫星和测轨站间电波传播时间(或距离),
6、 以多边定位方法确定卫星的空间位置。 一般需设置三个或三个以上的测轨站,各测轨站之间应尽可能地拉开距离,以得到较好的几何精度系数。三个测轨站分别设在佳木斯、喀什和湛江。各测轨站将测量数据通过卫星发送至主控站， 由主控站进行卫星位置的解算。二、系统组成2) 地面测控网(4) 校准站亦分布在系统覆盖区内，其位置坐标应准确已知。校准站的设备及其工作方式与用户机及其工作方式完全相同。由主控站对其进行定位，将主控站解算出的校准站的位置坐标与校准站的实际位置坐标相减，求得差值，由此差值形成用户定位修正值。一个校准站的修正值一般可用来作为其周围100200km区域内用户的定位修正值。二、系统组成2) 地面测
7、控网(5) 测高站设置在系统覆盖区内，用气压式高度计测量测高站所在地区的海拔高度。通常一个测高站测得的数据粗略地代表其周围100200km地区的海拔高度。海拔高度与该地区大地水准面高度之代数和,即为该地区实际地形离基准椭球面的高度。各测高站将测量的数据通过卫星发送至主控站。 一般的测轨站、测高站、校准站均是无人值守自动数据测量、收集中心，在主控站控制下工作。二、系统组成二、系统组成（2 2）地面段）地面段由主控站、主控站由主控站、主控站( (计算中心计算中心) )、测轨站、气压测高站和校准站。测轨站、气压测高站和校准站。组成组成 。二、系统组成（3 3）用户段）用户段由北斗用户终端以及与美国由
8、北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯、俄罗斯GLONASS、欧盟、欧盟GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成等其他卫星导航系统兼容的终端组成北斗系统的用户终端北斗系统的用户终端二、系统组成 双星通信导航定位系统采用双星定位体双星通信导航定位系统采用双星定位体制，系统中用户的点位是利用卫星位置、用户制，系统中用户的点位是利用卫星位置、用户至卫星的斜距以及用户的大地高计算出来的，至卫星的斜距以及用户的大地高计算出来的，如何由卫星位置、两条斜距和大地高计算用户如何由卫星位置、两条斜距和大地高计算用户的位置就是系统的定位原理问题。系统的定位的位置就是系统的定位原理问题。系统的定位原理可以从几何
9、和代数两个方面来描述。原理可以从几何和代数两个方面来描述。三、定位的基本原理几何原理几何原理 以卫星为球心，以卫星至测站以卫星为球心，以卫星至测站(用户用户)的斜距的斜距为半径，可以作两个大球，在满足为半径，可以作两个大球，在满足定条件下定条件下，两大球面相交形成交线圆，并穿过赤道面，两大球面相交形成交线圆，并穿过赤道面，在地球的南半球和北半球各有一个交点、其中在地球的南半球和北半球各有一个交点、其中一个交点就是用户的点位，在已知用户大地高一个交点就是用户的点位，在已知用户大地高时，可惟一确定用户的位置。时，可惟一确定用户的位置。三、定位的基本原理根据系统定位的几何原理和几何分析，要惟一确根据
10、系统定位的几何原理和几何分析，要惟一确定用户的点位必须满足以下定用户的点位必须满足以下3个条件：个条件：两卫星间的弦长必须小于两斜距之和，即两卫星间的两卫星间的弦长必须小于两斜距之和，即两卫星间的最大夹角不得超过最大夹角不得超过162。否则以卫星至用户的斜距。否则以卫星至用户的斜距为半径的两个大球不能形成交线圆。当两卫星的弧距为半径的两个大球不能形成交线圆。当两卫星的弧距为为60时，几何精度最好。时，几何精度最好。交线圆必须与用户水平面相交，否则产生同步卫星定交线圆必须与用户水平面相交，否则产生同步卫星定位的位的“模糊区模糊区”。必须已知用户点的大地高。必须已知用户点的大地高。三、定位的基本原
11、理代数原理代数原理 是指如何利用已知的卫星位置、观测站应答询问是指如何利用已知的卫星位置、观测站应答询问信号之后的观测量与测站点位坐标之间的函数关系，信号之后的观测量与测站点位坐标之间的函数关系，进行测站进行测站(用户用户)的位置解算。一个测站（用户）应答的位置解算。一个测站（用户）应答询问信号之后可得两个观测量方程。询问信号之后可得两个观测量方程。Xs和Xu分别为卫星坐标矢量和测站(用户)坐标矢量(式1)三、定位的基本原理用户坐标用户坐标Xu是空间三维坐标，即式是空间三维坐标，即式1的两个方程含的两个方程含三个未知数。若能给出用户的第三维坐标，则可求解三个未知数。若能给出用户的第三维坐标，则
12、可求解用户的其余两维坐标。用户坐标可以是地固直角坐标用户的其余两维坐标。用户坐标可以是地固直角坐标(X,Y, Z)或大地坐标或大地坐标(,?,H)，日常生活中多用大地坐标，日常生活中多用大地坐标表示地点位位。利用该式可以得到含大地高度的大地表示地点位位。利用该式可以得到含大地高度的大地经纬度经纬度 和和? 的表达式，只有给定用户的大地高的表达式，只有给定用户的大地高H，才能求出才能求出 、?的具体数值，即双星定位需要知道大的具体数值，即双星定位需要知道大地高。地高。(式1)三、定位的基本原理双星系统定位原理图三、定位的基本原理 用户所在点大地高为用户所在点大地高为H，用户点位纬度处的卯酉圈曲率
13、半径，用户点位纬度处的卯酉圈曲率半径(卯酉圈曲率半径恰好等于椭球面和短轴之间的一段法线的长度卯酉圈曲率半径恰好等于椭球面和短轴之间的一段法线的长度，亦即卯酉圈的曲率中心位于椭球的旋转轴上，亦即卯酉圈的曲率中心位于椭球的旋转轴上)Ne。N=Ne+H，可看成是一个观测量，则又可以组成一个观测方程可看成是一个观测量，则又可以组成一个观测方程Xo为过用户的法线与短轴交点为过用户的法线与短轴交点O坐标矢量，其值为坐标矢量，其值为 这样在给定用户大地高这样在给定用户大地高 H 时，此式与上式联立得到三个时，此式与上式联立得到三个观测方程，便可解算出用户三维坐标。实际工作中用户大地高观测方程，便可解算出用户
14、三维坐标。实际工作中用户大地高H由地面中心的数字化地形图或用户携带的气压测高仪提供。由地面中心的数字化地形图或用户携带的气压测高仪提供。(式2)三、定位的基本原理更具体的表述：定位采用三球交会测量原理。地更具体的表述：定位采用三球交会测量原理。地面中心通过两颗卫星向用户广播询问信号面中心通过两颗卫星向用户广播询问信号 (出站信号出站信号),根据用户响应的应答信号根据用户响应的应答信号 (入站信号入站信号)测量并计算出测量并计算出用户到两颗卫星的距离；然后根据中心存储的数字地用户到两颗卫星的距离；然后根据中心存储的数字地图或用户自带测高仪测出的高程，算出用户到地心的图或用户自带测高仪测出的高程，
15、算出用户到地心的距离，根据这三个距离就可以确定用户的位置，并通距离，根据这三个距离就可以确定用户的位置，并通过出站信号将定位结果告知用户。授时和报文通信功过出站信号将定位结果告知用户。授时和报文通信功能也在这种出、入站信号的传输过程中同时实现。能也在这种出、入站信号的传输过程中同时实现。三、定位的基本原理短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。精密授时精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。定位精度定位精度：水平精度100米，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。
16、系统容纳的最大用户数系统容纳的最大用户数：540000户/小时。四、应用前景北斗卫星导航系统已成功应用于诸多领北斗卫星导航系统已成功应用于诸多领域，产生了显著的经济效益和社会效益。域，产生了显著的经济效益和社会效益。特别是在特别是在2008年年北京奥运会、汶川抗震北京奥运会、汶川抗震救灾救灾中发挥了重要作用中发挥了重要作用。四、应用前景军用功能：“北斗北斗”卫星导航定位系统的军卫星导航定位系统的军事功能与事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰类似，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、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具发射自行
17、火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。救、水上排雷定位等。 四、应用前景民用功能：1.个人位置服务个人位置服务当你进入不熟悉的地方时，你可以使用装有当你进入不熟悉的地方时，你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。找到你要走的路线。2.气象应用气象应用北斗导航卫星气象应用的开展，可以促进我北斗导航卫星气象应用的开展，可以促进我国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测，国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测，也可以提高
18、空间天气预警业务水平，提升我国气象也可以提高空间天气预警业务水平，提升我国气象防灾减灾的能力。防灾减灾的能力。四、应用前景3.道路交通管理道路交通管理卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。就能在几秒钟内自动转发到中心站。4.铁路智能交通铁路智能交通北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精度的定位、测速、授时服务，促进铁路交通度的定位、测速、授时服务，促进铁
19、路交通的现代化，实现传统调度向智能交通管理的的现代化，实现传统调度向智能交通管理的转型。转型。四、应用前景 5.海运和水运海运和水运6.航空运输航空运输7.应急救援应急救援四、应用前景覆盖范围卫星数量服务能力定位原理定位精度北斗导航VSGPS五、对比GPS覆盖覆盖范围范围北斗导航系统北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约覆盖范围东经约70-140，北纬，北纬5- 55。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星颗卫星(实际上最多
20、能观测到实际上最多能观测到11颗颗)。五、对比GPS数量轨道数量轨道北斗导航系统是北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55，轨道面赤道角距60。GPS导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。五、对比GPS用户容量用户容量北斗导航系统由于是主动双向测距的询问-应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是
21、单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。 生存能力生存能力和所有导航定位卫星系统一样，北斗一号基于中心控制系统和卫星的工作，但是北斗一号对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而北斗一号系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。五、对比GPS定位原理定位原理北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备独立解算自己三维定位数据。五、对比GPS定位精度定位精度北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前已由16m提高到6m，C/A码目前已由25-100m提高到12m，授时精度目前约20ns。五、对比GPS
