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北斗卫星导航系统名词解释

日期:2020-09-28 19:59 作者: 浏览次数: 来源:自治区卫星应用中心 【字体:

北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设运行的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。北斗系统是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。

“北斗”一词的本义是指北方夜空中接近北极点的一个星组(星官),这七颗星的名称分别为:天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳和瑶光,其形状如舀水的斗勺,故名北斗。北斗星,自古为中华民族定方向、辨四季、定时辰。我国全球卫星导航系统以“北斗”命名,恰如其分。昔有指南之针,今有北斗导航,这是中国智慧遥隔时空的接力。

北斗系统提供服务以来,已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用,服务国家重要基础设施,产生了显著的经济效益和社会效益。基于北斗系统的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用,广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域,应用的新模式、新业态、新经济不断涌现,深刻改变着人们的生产生活方式。

我区北斗应用与产业化快速发展,广泛服务于自治区代化建设和百姓日常生活,促进我区科技、经济和社会发展。为满足我区党政机关、企事业单位人员和北斗系统爱好者的实际工作需要,新疆卫星应用中心和乌鲁木齐北辰众星空间信息科技有限公司参照中国卫星导航系统管理办公室发布的《北斗卫星导航术语》等北斗专项标准,对北斗卫星系统的通用基础术语和应用术语等相关名词解释进行了汇编,供大家参考使用。

北斗导航系统简介

1.1北斗星与北极星

在北半球的夜空中,位于北方天空的北斗七星十分显眼,这七颗恒星分别是大熊座的天枢(贪狼)、天璇(巨门)、天玑(禄存)、天权(文曲)、玉衡(廉贞)、开阳(武曲)以及瑶光(破军),它们看起来比其他星星明亮,而且排列成勺子状,故称“北斗”。在我国古代,北斗七星被用来“定四时,分寒暑”——“斗柄东指,天下皆春;斗柄南指,天下皆夏;斗柄西指,天下皆秋;斗柄北指,天下皆冬。”通过北斗七星的斗柄方向变化,可以知道季节更替。如果沿着北斗七星的勺柄,即天璇和天枢的方向延伸大约5倍,可以找到另一颗亮星,这就是北极星。

北极星,又称北辰、紫微星,指的是最靠近北天极的一颗恒星。由于地球的自转,而北极星正好又处在天球转动的轴上,所以相对其他恒星静止不动。北极星是古代航海、野外活动辨认方向的一个很重要指标,另外也是小至观星入门之辨认方向星座,大至天文摄影、观测室赤道仪的准确定位等方面发挥十分重要的作用。由于北极星最靠近正北的方位,千百年来地球上的人们也靠它的星光来导航。 

1.2北斗一号

20世纪后期,结合国情,我国制定了北斗卫星导航系统三步走战略:第一阶段,2000年年底,发射2颗北斗一号卫星,建成北斗一号系统,向中国提供服务;第二阶段,2007年-2012年,发射14颗北斗二号卫星,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;第三阶段,计划在2020年前后,发射30余颗北斗三号卫星,建成北斗三号系统,即北斗全球系统,向全球提供服务。

“北斗一号”卫星定位系统是我国自主研发,利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星定位系统。2003年5月25日,我国成功将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空。第三颗与前两颗“北斗一号”工作星,组成了完整的卫星导航定位系统。第三颗北斗卫星的发射升空,标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联(俄罗斯)的全球导航卫星系统(GLONASS)后,在世界上第三个建立了完善卫星导航系统的国家。

“北斗一号”卫星导航定位系统,不受通讯信号和空间距离的影响,一台主指挥机进行卫星定位后,可连接多部类似手机的“北斗一号”终端机,终端机每次可编写40多字的短信发送到指定手机上,非常有利于震区的救援信息传递。

“北斗一号”卫星导航系统在2008年的汶川地震抗震救灾中发挥了重要作用,救灾部队携带的“北斗一号”终端机不断从前线发回各类灾情报告,为指挥部指挥抗震救灾提供了重要的信息支援。中国卫星导航应用管理中心负责人介绍说,地震发生后,中心为救援部队紧急配备了1000多台“北斗一号”终端机,实现了各点位之间、点位与北京之间的直线联络。在灾区通信没有完全修复,信息传送不畅的情况下,各救援部队利用“北斗一号”及时准确地将各种信息发回。

2008年5月17日报道,成都军区某部通过“北斗一号”发回信息:北川县茶坪余震不断,海子(湖泊在当地的称呼)水位迅速上升,随时可能发生重大洪灾。灾民已弃家转移高处,46名重伤员急需救助。新华社2008年5月16日也曾报道,救援部队携带的“北斗一号”终端机,15日继续传回汶川地震灾区的最新灾情和救援情况,大部分救援部队已经到达指定位置,在灾区各乡镇展开全面搜救。从这两则报道可以看出,在当地通信设施严重受损的情况下,我国自主研制的“北斗一号”系统能发挥重要作用,救灾指挥部可以通过“北斗一号”系统,精确判定各路救灾部队的位置,以便根据灾情及时下达新的救援任务。

1.3北斗二号

北斗二号卫星导航系统是中国独立开发的全球卫星导航系统。北斗二号并不是北斗一号的简单延伸,它克服了“北斗一号”系统存在的缺点,提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务。2012年4月30日,中国在西昌卫星发射中心成功发射“一箭双星”,用“长征三号乙”运载火箭将中国第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星顺利送入太空预定转移轨道。2019年5月17日23时48分,在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭,成功发射了第四十五颗北斗导航卫星。该卫星是我国北斗二号工程的第四颗备份卫星,至此,我国“北斗二号”区域导航系统建设圆满收官。 

“北斗二号”卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,无论是导航方式,还是覆盖范围上都和美国的GPS非常类似,而且有着GPS和“格洛纳斯”系统无法比拟的独特优势。北斗二号具有以下特点:快速定位,为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务,定位精度与GPS民用定位精度相当;短报文通信,一次可传送多达120个汉字的信息;精密授时,精度达20纳秒。

在中国市场上,全球卫星定位系统的民用最集中体现在车载导航仪器上,GPS车载导航仪器占据了很大的市场。一台普通GPS车载导航仪器甚至卖到800元。在费用方面,为了竞争,GPS提供免费服务。“北斗二号”投入使用后,和GPS形成竞争,对于普通消费者来说是一个好消息,另外,中国的”北斗二号“车载导航仪将兼容GPS,这样,使用者将非常方便。

1.4北斗三号

北斗三号全球卫星导航系统由24颗中圆地球轨道卫星、3颗地球静止轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星,共30颗卫星组成。

2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。7月31日上午,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席仪式,宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。

北斗系统具有以下特点:一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能特点更为明显。二是北斗系统提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。三是北斗系统创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。

1.5特性

1.5.1覆盖范围

北斗一号是覆盖我国本土的区域导航系统,覆盖范围东经约70°-140°,北纬5°-55°。北斗二号覆盖范围扩大到东经55°-180°,亚太地区的工作范围涵盖全东南亚、日本、澳大利亚、新西兰、印度全部、蒙古大部分、俄罗斯远东地区、哈萨克斯坦、阿富汗、伊朗部分、巴基斯坦大部分;北斗三号服务范围覆盖全球。

北斗导航系统能够确保在我国任何地点、任何时间能同时观测到至少三颗北斗卫星。

1.5.2定位精度与授时精度

授时功能是指中心控制系统定时播发授时信息(“授时”即每天在一定时间用无线电信号报告最精确的时间),同时为用户提供时延修正值(“时延”指从说话人开始说话到受话人听到内容的时间)。

北斗一号定位精度10-100米,授时精度约20-100纳秒;北斗二号定位精度为10米,授时精度20纳秒,测速精度0.2米/秒;北斗三号定位精度优于10米,授时精度优于20纳秒,测速精度优于0.2米/秒。

1.5.3短报文通信

北斗系统的特点之一是同时具备定位与通讯功能,无需其他通讯系统支持,能够实现北斗用户间的双向短报文通信。北斗系统的短报文通信,是指北斗地面终端和北斗卫星、北斗地面监控总站之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递,通信以短报文(类似手机短信)为传输基本单位,是北斗卫星导航系统附带的一项功能特性,这在全球四大卫星导航系统中绝无仅有。

北斗短报文通信的原理是:短报文发送方首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站;地面中心站接收到通讯申请信号后,经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中,经卫星广播给用户;接收方用户机接收出站信号,解调解密出站电文,完成一次通讯。与定位功能相似,短报文通讯的传输时延约0.5秒,通讯的最高频度也是1秒1次。

北斗短报文分为区域短报文(RSMC)和全球短报文(GSMC)。北斗系统利用GEO卫星,向中国及周边地区用户提供区域短报文通信服务。利用MEO卫星,向位于地表及其以上1000千米空间的特许用户提供全球短报文通信服务。作为一种天基通信方式,它具备了卫星通信的所有优点,如全天候、全域广覆盖、可靠性高等。

1)快速响应能力,短消息通信时延约为0.5s,点对点通信时延为1~5s;

2)通信抗干扰强,同时采用S/L波段卫星传输,可穿透平流层和对流层,可保证极端天气条件下的通信;

3)设备要求低、设备价格低、性价比高。

4)组网方便,以指挥型用户机为核心,可以快速组成一对多的通信网络。

从北斗一号,到北斗二号,再到北斗三号,北斗短报文功力不断提升,在北斗三号短报文通信服务之前,我们一般拿到的北斗二号用户机一次可传输36个汉字,申请核准的可以达到传送120个汉字或240个代码。北斗三号相较于北斗二号在带宽上有了质的飞跃。北斗三号区域短报文通信服务,服务容量提高到1000万次/小时,单次通信能力1000汉字(14000比特)。同时,北斗三号短报文用户机的天线也有了很好的提升,功耗下降了很多,北斗三号接收机发射功率降低到1-3瓦。所以天线会小,功能模块也会小,北斗短报文产品将更容易普及应用。

北斗短报文的作用非常的显著和重要。在普通移动通讯信号不能覆盖的地区(如无人区,荒漠,海洋,极地等)或通讯基站遭受破坏的情况(如地震,洪水,台风等),装有北斗短报文模块的北斗终端就可以通过短报文进行紧急通讯,不仅能让用户知道自己“在哪儿”,也能告诉别人“发生了什么”,在国防,民生,应急救援等领域发挥了巨大的作用。除此之外北斗短报文还可以运用到地质监测中,在各个监测点布局好之后通过短报文直接向中心系统传递变化资料,经过计算后及时应对突发自然灾害。另外,具有北斗短报文模块的终端设备,还可以在远程语音指挥调度,海上和空中接触,边境巡逻,单兵对讲,反恐安全,抗险救灾,保密通信,野外作业,野外探险等中使用,可以也可应用于有线和无线保密呼叫。

1.5.4铷原子钟

就技术角度而言,影响卫星定位系统效能的因素,首先是星上原子钟的准确度。原子钟,是一种计时装置,精度可以达到每2000万年才误差1秒,它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的,现在铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟,都已成功的应用于太空、卫星以及地面控制。铷原子钟是中科院武汉物理与数学研究所研制的一款高精度、高可靠性同步时钟产品,授时精度达到百亿分之三秒,已经用于北斗三号,可提供分米级定位。卫星定位系统的核心技术之一就是授时精度,目前精度最高的就是铷原子钟。星载铷原子钟需要做到体积小、功耗低,同时还要具备极高的可靠性,研发难度非常高,早期的铷原子钟有1人多高,现在的最新版铷原子钟只有鞋盒大小,未来还会进一步提升性能,减小体积。

截至目前,中国科学院武汉物理与数学研究所已经有45台铷原子钟随北斗卫星上天,另外有6台用于其他卫星。

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