[通信工程电子信息工程信息工程论文][卫星通信]北斗卫星导航系统的应用研究

[通信工程电子信息工程信息工程论文][卫星通信]北斗卫星导航系统的应用研究内容摘要：

Ct1=2(r1+R1) （ 21） Ct2=2(r2+R2) （ 22） 其中 C是光速，因为北斗 一代 卫星是静止轨道卫星，卫星与地面站的斜矩 R1 和 R2 是已知的。 R1= 2 2 21 1 1( ) ( ) ( )x x y y z z     R2= 2 2 22 2 2( ) ( ) ( )x x y y z z     其中两颗卫星的空间坐标 (x1,y1,z1),（ x2,y2,z2）是已知的，测点的高度 z 由地面中心站提供，则 可求出两个未知数 x， y 即测点的坐标。 由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差 10 值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。 图 北斗 一代 卫星定位原理图 卫星定位流程 1， 地面中心站向卫星连续发送询问信号经卫星变频放大，转发到定位申请终端； 2， 定位申请终端接收询问信号，并注入必要的信息，向两颗卫星发送； 3， 两颗卫星将收到的定位申请终端的信息转发到地面中心站； 4， 地面中心站处理收到的定位申请终端发来的信息，计算终端站的坐标再通过卫星转发到定位接收终端。 图 北斗 一代 卫星定位流程图 11 北斗 一代 卫星通信原理 卫星通讯机制 北斗 第一代 卫星采用的是码分多址（ CDMA）的直接序列扩频（ DS）方式。 （ CDMA）通信概念与组成原理 码分多址是用不同的波形信号（既不同的固定代码），以同一频率发射出去，各站的接收是根据相应的信号波型（码型）分离出自己需要的信号，这种多址方式称之为码分多址。 其通讯组成原理可用图 来说明。 发送端：信号首先进行脉位调制，取样频率一般为 8kHz，信息经一 次调制，然后去触发伪噪声码发生器，伪码发生器产生某种伪码作为地址信号，这个信号再对由主振器产生的几百兆赫的载频进行双相调制，最后送到高频功率放大器，经天线发射出去。 接收端：接收端收到发送端的信号后，经过混频变为中频经放大后进行检波，得到二进制信号，再进行限幅取样，通过数字式匹配滤波器，并经过脉位解调就恢复成原来的信号。 码分多址采用伪噪声码，具有天然的相对保密的能力和通信隐蔽性。 又由于采用了伪噪声码相关检测技术来分离信号，所以具有较强的抗干扰能力，特别是有较好的抗人为干脉位调制 伪码发生器 调制器 高频功率放大器 放大器 8KHZ 载频 高放 混频 中放 相关 检测 包络 检波 脉冲解调器 8KHZ 载频 图 原理 12 扰的能力，这对于 军事卫星通信有更特殊的意义。 扩频通信是指应用扩展频谱技术实现任意选址的一种通信系统，扩频技术是用正交码进行相位调制，或码控载频跳变，或频率线性变化的一种信号处理方法。 其将已调的射频信号扩展成比信息带宽大得多的宽带信号，从而实现系统任意选址、增强抗干扰性及加密。 由于扩频通信利用了频谱扩展的原理，从而大大提高了通信抗干扰能力。 它可以在接收到的信号比干扰信号的强度小得很多的情况下，仍能进行可靠的通信；用户可随机接入系统进行多址通信，可用不同的正交编码区分地址共同使用同一个频带，不但有 效地利用了频带，而且也不会出现因为各信道忙闲不均而产生的“呼叫损失”和“业务阻塞”；由于地址采用编码，如 果 接收端没有相应的解密措施，就不能解出信息，这就防止了信息被窃听的危险，所以，扩频体制具有通信安全、保密的特点。 综上所述，北斗卫星采用码分多址的扩频通信机制使系统具有抗干扰能力强、保密性好、并发通信处理能力强、通信实时快捷等优点，可广泛应用于水利、航运、气象、铁路、渔业等部门，具有很广阔的应用前景。 卫星的信道分析 在北斗 一代 通信系统中，使用信道的主体单元有三个，即终端、北斗卫星 和卫星地面控制中心。 按信道传输的内容，系统的信道可分为信令信道和通信信道。 前者供通信主体传送信令信息，后者用于数据的传送。 每条信道分为上行段（主体单元至卫星）和下行段（卫星至主体单元），上、下行段使用不同的频段，具体的情况是北斗卫星与卫星地面控制中心之间使用 C 频段，终端与北斗卫星之间上行使用 L频段，下行使用 S频段。 频段 范围 /GHz 频段 范围 /GHz L ~ Ku ~18 S ~ K 18~ C ~ Ka ~40 X ~ 毫米波 40~300 表：频段划分标准 通信信道结构为：发送终端 —— 北斗卫星（ S1） —— 地面控制中心 —— 北斗卫星（ S2）—— 接收终端，即发送终端和接收终端通过北斗卫星 S S2 双跳建立通信信道。 13 图 北斗 一代 卫星通信信道结构图 信令信道是终端与地面之间的信令互相传送信道，终端通过信令信道向地面中心发送呼叫申请信令和通信结束信令，地面中心通过信令信道向终端发送信道分配信令。 以上两种信道是分时使用的，也 就 是使用通信信道时，不使用信令信道，反之亦然。 2. 北斗 一代 卫星的信道分配方式 北斗 一代 卫星 系统是按申请分配的集中控制方式来分配信道的，由地面中心根据通信终端的申请来分配信道。 具体就是主叫终端首先向地面中心发送通信申请信号，地面站收到这一申请信号后，先进行用户身份的鉴别，再查询出被叫的目的终端以及卫星向主叫和被叫提供信道的可能性，如果有空闲信道，则分配给这个用户，从而使主叫和被叫通过卫星和地面中心互相连接起来，建立通信信道。 通信结束后，终端通过信令信道向地面中心发送通信结束信令，地面中心在确定一次呼叫完成后，便回收主叫和被叫之间的通讯信道，并将信道闲置以备其它用户重新使用。 北斗 第一代 卫星通 信定位系统的适应性分析 ： 根据现场的试验显示，系统有较高的通信畅通率，其 120 个汉字或等长度的 BCD 码的报文长度完全满足立体化监测体系的要求。 系统支持多用户并发处理（每秒 200 个用户同时并发通信请求）；通信快速，端对端 14 之间的传输最快可在 1 秒内完成。 因此，系统可以满足大容量终端数据传送、短时间数据采集的要求。 用户终端可在秒级内获得北斗系统解算的三维坐标信息，使监测中心可以实时的了解监测 物体 的位置信息。 于安装和维护 卫星终端设计紧凑、简单，分为天线单元和主机单元，天线为全向天线，无需对星，只需简单固定安装便可工作；卫星天线和主机单元只需通过射频电缆和馈电电缆连接起来就可以工作，特别适合于移动平台（如监测船）的通信与定位。 卫星终端设备功耗小，终端加电启动及失锁再捕获时间不到 3秒，通信快捷、畅通率高，能在短时间内完成所有的监测数据收集并保证数据的准确性，这使得整机的最大功耗不到 120W。 从而极好的适应野外监测的特殊工作环境。 系统射频采用 L/S/C 波段，雨衰对该波段影响 非常小，并且卫星终端设计时考虑了防雷击措施，因此不会使通信传输受到雨衰影响，同时可避免遭受因雷击而使系统受到影响和干扰。 、保密性强 系统采用码分多址扩频通信体制，具备 很强的抗干扰能力和保密性，可以保证监测数据传输的可靠性和保密性。 一代系统和 GPS 相比较 北斗一代系统和 GPS 系统都是导航定位系统，但二者采用的定位技术不同，定位的范围也不相同。 二者的主要区别体现在： 比较内容 北斗一 代 GPS 覆盖范围 东经约 70176。 ～ 140176。 ，北纬5176。 ～ 55176。 覆盖全球的全天候导航系统 卫星数 量及轨道特性 一代 3 颗地球同步轨道卫星；轨道高度 36000km； 二代 35 颗卫星 6 个轨道平面上设置 24 颗卫星，轨道赤道倾角 55176。 ，轨道面赤道角距 60176。 ； 轨道高度 22020km，绕地球 15 一周 11 小时 58分。 定位机制 二 维定位，需要初始输入高程数据才能进行三维定位。 三维定位 授时方式 可实现单星稳定平滑授时；同时也可采用解算授时。 解算授时 授时组网方式 各站独立工作； 网络同步可靠性高； 抗灾能力强； 易维护 各站独立工作； 网络同步可靠性高； 到达地面的卫星信号较强 抗灾能力强； 易维护 授时精度 北斗一代 177。 100ns，北斗二代177。 50ns 177。 50ns 授时可靠性 采用地球同步轨道卫星做观测量，在移动静态应用中，可以确保永远接收到同一颗卫星，从而保证整个授时应用中不需要发生卫星切换，进而保证授时稳定性和可靠性 采用低轨运动卫星，容易发生卫星切换和定位精度突跳 自主知识产权 完全自主知识产权 知识产权归美国军方所有 抗干扰能力 具备针对移动工作频点规避抑制设计 具备一般抗干扰； 不具备针对移动工作频点规避抑制设计 指令遥控功能 具备（特指双向通信功能） 不具备 另外，最重要的是，北斗系统是我国独立开发建设，拥有自主产权的卫星导航定位系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄两国在该领域的垄断地位。 GPS 系统是一个美国军方控制的军用系统，迄今为止没有任何形式的协议保证中国用户在任何时候都可以正常使用 GPS 信号。 因此，北斗一代系统的重要性是不言而喻的。 北斗 第一代 卫星民用系统 因为北斗 一代 卫星不提供民用接入 ,要使用北斗卫星服务就必须通过北斗卫星民用运 16 营中心 ,神州天鸿系统是北京神州天鸿科技有限公司利用我国“北斗 一 代 导航卫星”建立起来的民用卫星导航定位通 信服务系统，能够全天候、全天时地为中国及周边国家提供卫星定位、导航和通信服务。 系统主要由北斗空间卫星 (三颗地球同步轨道卫星 ,其中一颗为备用星 ),北斗标校系统 ,卫星导航定位通信运营服务中心（简称网管中心）和北斗民用终端四大部分组成。 其结构见图。 网管中心提供的基本业务功能为定位信息功能、短信息通信功能、授时和 GPS 差分信息功能。 系统提供的增强功能为遇险报警功能和群呼功能。 图 3. 4 北斗 一代 民用系统结构图 (1)定位信息功能 移动终端用户和陆地网络用户可以通过使用定位信息功能获得移动终端当前所处 的位置信息，包括经度，纬度以及高程等信息。 移动终端用户可以直接通过移动终端发送定位请求而进一步获得定位信息；陆地网络用户通过接入网关中心发出对移动终端的定位请求，经系统确认后将所获得的移动终端定位信息反馈给请求用户。 (2)短信息通信功能 移动终端用户和陆地网络用户之间以及移动终端用户之间可以通过使用短信息通信功能相互进行通信，发送短消息。 17 (3)授时和 GPS 差分信息功能 移动终端用户可以通过接收卫星导航系统的广播信息获得授时信息和 GPS 差分信息。 GPS差分信息用于对 GPS信息进行差分校正。 该功能的获得必须获得网管中心的预先授权。 (4)群、组呼功能 个别移动终端用户（指挥级用户）和陆地网络用户可以通过使用群呼功能发送同一消息，而该消息可同时被多个移动终端用户所接收。 用户可以通过使用该功能建立自己的闭合用户群组（ Closed User Group），指挥级用户或陆地网络用户所发出的群呼消息仅被指定的闭合用户群组所属的移动终端用户所接收响应，而闭合用户群组之外的移动终端用户将不会收到该消息。 18 第 4 章 北斗一代 系统 的应用 及二代 系统 建设 北斗第一代卫星导航定位系统的应用 北斗 一代 系统主要用途是： 1，陆地应用，主要包括车辆导航、应急救援、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等； 2，海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等； 3，航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。 北斗系统具有通信功能，这是其他系统不具备的，使得北斗系统应用更为广泛和方便。 北斗 卫星导航精确定位的高科技成果 早已植入 我们的生活。 中国铁路的大提速，没有卫星导航提供每列火车在线运行的精确位置，提速将变得不可思议。 同理，城市轻轨运行、高架路动态交管等等，倘若失去卫星导航精确定位，效率和安全均将受到重大挑战和损失。 北斗一 代 系统已连续稳定运行 6年多，在抢险救灾 、 渔政渔业、水文监测、森林防火等方面也得到了成功应用。 森林是国家的重要资源和宝贵财富 , 具有调治生态、保持水土、改善环境的作用。 森林火灾是对森林的巨大威胁 , 而 针对森林防火的需求以 “ 北斗 ” 卫星导航定位系统为基础开发出的 “ 北斗 ” 森林防火指挥系统 ，可为森林防火提供定位、监控、调度、分析、导航、时间信息和报文通信等服务。 1， 监控：防火监控中心能实时监控到受控防火车辆、飞机、人员的位置、速度、方向以及行进状态 , 了解行进动态，避免信息盲区的出现。 2， 调度：调度管理人员可以通过车辆、飞机、人员所处地域及状态、途径路线、火情大。