logo资料库

卫星导航与定位原理报告-我国的北斗和美国的GPS.docx

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.04M 资料格式：docx 举报 版权申诉
第1页 / 共11页
第2页 / 共11页
第3页 / 共11页
第4页 / 共11页
第5页 / 共11页
第6页 / 共11页
第7页 / 共11页
第8页 / 共11页
资料共11页，剩余部分请下载后查看
    1绪论
    1.1 论文选题背景和意义
    ****大学大学研究生期末论文（作业） 成 绩 ****大学（硕士）研究生 课 程 名 称： 卫星导航与定位原理 任 课 教 师： *** 开课学年/开课学期： 20**-20**学年 春季 学 时 / 学 分： **/* 所 在 教 学 学 院： 电气信息工程学院 专 业 名 称： 信息与通信工程 学 号 / 姓 名： ******999/*** 教师评语：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 任课教师签字（章）：＿＿＿＿＿＿＿＿
    我国的北斗和美国的 GPS 摘要：GPS 全球卫星定位系统是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、 全天候、全时段、高精度的卫星导航系统,能为全球用户提供低成本、高精度的 三维位置、速度和精确定时等导航信息,是卫星通信技术在导航领域的应用典范, 它极大地提高了地球社会的信息化水平,有力地推动了数字经济的发展。中国北 斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中国自行研制的全 球卫星导航系统。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。相比于 GPS,中国拥有北斗卫星的控 制权、所有权等优势。 关键字：卫星导航、北斗、GPS 1 绪论 1.1 论文选题背景和意义 1.1.1 课题研究来源 卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建 设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000 年，首先 建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星 导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森 林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特 别是在 2008 年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为了更好地服务 于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。 1.1.2 课题研究的目的 通过对比北斗卫星导航系统和 GPS，找出北斗卫星导航系统的优势。 1.1.3 课题研究的意义 卫星导航系统是重要的空间信息基础设施，研究北斗卫星导航系统相对于 GPS 的优势，找出不足，不短探索和创新自主知识产权的卫星导航系统，更好为 我国国民经济建设和国防服务。 1.2 国内外研究现状 美国全球定位系统(GPS) 1
    1973 年 12 月，美国国防部批准陆海空三军联合研制全球定位系统(GPS)， 1993 年覆盖全球，广泛使用。目前正在试验下一代卫星导航系统。 俄罗斯“格洛纳斯”系统(GLONASS) 苏联国防部于 20 世纪 80 年代初开始建设全球卫星导航系统。于 1995 年投 入使用，现在由俄罗斯联邦航天局管理。卫星的设计经历了无数次改进，格洛纳 斯 K 自 2011 年起服务范围拓展到全球。格洛纳斯是继 GPS 之后第二个军民两用 的全球卫星导航系统。俄联邦宣称格洛纳斯系统军民两用，不带任何限制、不引 入 SA 机制，也不计划对用户收费。 欧洲“伽利略”系统(GALILEO) 欧空局与欧盟在 1999 年合作启动，2005 年首颗试验卫星成功发射，2008 年开通定位服务。伽利略提供的公开服务定位精度通常为 15－20 米和 5－10 米 两种档次。公开特许服务有局域增强时能达到 1 米，商用服务有局域增强时为 10 厘米。 中国“北斗”系统(BDS) 北斗卫星导航系统第一步是试验阶段，用少量卫星利用地球同步静止轨道来 完成试验任务；第二步是到 2012 年，计划发射 10 多颗卫星，建成覆盖亚太区域 的“北斗”卫星导航定位系统；第三步是到 2020 年，建成由 5 颗静止轨道和 30 颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统，形成全球覆盖能力。 1.3 课题研究内容与方法 课题研究内容： 首先，了解 GPS 全球定位系统和北斗卫星导航系统，及其发展现状。 其次，通过分析对比，找到北斗卫星导航系统相对于 GPS 的优势。 最后，总结北斗卫星导航系统的优势及劣势，更好的认识了解北斗卫星导航 系统。 通过查找相关文献资料及视频了解 GPS 全球定位系统和北斗卫星导航系统， 通过对比发现北斗导航相对于 GPS 的优势及劣势。 2 北斗导航系统和 GPS 全球定位系统 GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS 起 始于 1958 年美国军方的一个项目，1964 年投入使用。20 世纪 70 年代，美国陆 海空三军联合研制了新一代卫星定位系统 GPS 。主要目的是为陆海空三大领域 提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯 等一些军事目的，经过 20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到 1994 年，全球 故概率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。在机械领域 GPS 则有另外一 种含义：产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications, 简称 GPS)。 2
    另外一种含义为 G/s（GB per second）。GPS(Generalized Processor Sharing) 广义为处理器分享，网络服务质量控制中的专用术语。 中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是 中国自行研制的全球卫星导航系统。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内 全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、受时服务，并具短 报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度 10 米，测 速精度 0.2 米/秒，授时精度 10 纳秒。有源定位就是接收机自己需要发射信息与 卫星通信，无源定位不需要。 其中北斗一代是有源定位，有源定位技术只要两颗卫星就可以完成定位，但 需要信息中心 DEM（数字高程模型）数据库支持并参与解算。有源定位在北斗二 代上被保留下来，但不作为主要的定位方式（这个有待考证。必须强调，北斗二 代使用的是无源定位，和 GPS 是一样的，不需要信息中心参与解算。） 凡是说北斗没有任何优势的答案都反对，完全没有用客观的心态去看待问题。 北斗在芯片上确实有劣势，但是它的优势也是显而易见的。 3 关于北斗导航系统相对于 GPS 的优势 北斗二代的卫星星座是由我国许其凤院士设计的。当然，后期经过一定的优 化设计，但基本沿用了许院士的设计。根据许其凤院士的讲座视频，结合我所学 知识、所看到的新闻进行回答。 1.安全。这绝对是建北斗最最重要的原因，没有这个原因北斗真的是可以不 建的，或者说可以缓一缓再建。GPS 使用了这么多年，军队官方都没有统一装备 GPS 的任何产品（当然，会有私自购买的，只是一小部分），因为战时美国绝对 不会让你他的 GPS，GPS 信号是可以加密或关闭的。在地理信息如此重要的战场， 只能靠自己。对于民用领域，提到 GPS 信号“做了手脚”，这是 GPS 的 SA 政策， 而且这个政策在 2000 年 5 月 1 日已经取消了，所以你说 GPS“做过手脚”的精 度是 5m 是不正确的，实行 SA 政策时的精度应该是 100m 左右。虽然 GPS 的 SA 政策取消了，却让民用市场对其信心大大降低，只有自己能够完全掌控的系统才 能保证安全！缺点就是要花钱，但这个钱，第一，必须花，第二，花的还真不算 多，GPS 耗资 200 亿美元（现在应该已经不止这么多了，因为需要不断替换老旧 卫星），北斗系统“预计投入经费 500 亿”人民币，一个字，值！ 2.三频信号。北斗使用的是三频信号，GPS 使用的是双频信号，这是北斗的 后发优势。虽然 GPS 从 2010 年 5 月 28 发射了第一颗三频卫星，但等到 GPS 卫 星全部老化报废更换为三频卫星还好几年。这几年就是北斗的优势期。三频信号 可以更好的消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力， 大大提高模糊度的固定效率。而且如果一个频率信号出现问题，可使用传统方法 3
    利用另外两个频率进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。北斗是全球第 一个提供三频信号服务的卫星导航系统。 3.有源定位及无源定位。有源定位就是接收机自己需要发射信息与卫星通 信，无源定位不需要。所以北斗一代的有源定位，有源定位技术只要 2 颗卫星就 可以完成定位，但需要信息中心 DEM（数字高程模型）数据库支持并参与解算。 它在北斗二代上被保留下来，但不作为主要的定位方式（这个有待考证。必须强 调一下，北斗二代使用的是无源定位，和 GPS 是一样一样的，不需要信息中心参 与解算，以此为理由批评北斗二代是不可接受的，有源定位顶多算个补充功能）。 这个功能的好处是当你观测的卫星质量很差，数量较少时（理论上，无源定位至 少要 4 颗卫星才能解算 XYZ 和时间四个未知参数，实际需要的更多），仍然可以 定位。这个功能对于紧急情况会比较有用，比如在山谷中，观测条件非常差，能 知道大概位置也是非常重要的。坏处是在战争中会暴露你的位置信息。需要信息 中心参与解算就是排名第一答案说的“资源有限”，通过查询资料，发现北斗一 代手持机，每 60 秒可以定位一次，不能频繁定位，以保证信息中心不能过载。 但是北斗一代不能民用的主要原因不是这个！北斗一代称为北斗卫星实验系统， 北斗二代称为北斗卫星导航系统，叫他一代二代仅仅是方便而已。从名字上就可 以知道，北斗一代只是做个内部实验而已，检验一下北斗卫星定位系统的理论、 技术是否可行，定位精度如何，再进行后续改进，设计的初衷根本没打算民用。 4.短报文通信服务。这个绝对是中国原创功能，并且非常实用。08 年汶川 地震的时候，震区唯一的通讯方式就是北斗一代，北斗一代在当时发挥巨大的作 用，没人嫌弃北斗一代手持机又大又丑，有和没有简直是质的飞越，所以该功能 果断在二代中保留下来！但是这个功能也是有容量限制的，所以并不适合作为日 常通信功能，而是作为紧急情况通信比较合适。基于这个功能，北斗还有一个好 处，不但能知道我在哪，还能让别人知道你在哪。这个功能有利于求救。国家大 力宣传此功能，可能基于以下两个原因：第一，这个功能中国独有。第二，宣传 其他功能。 5.境内监控。卫星定位系统一般由三部分组成：空间星座部分，地面监控 部分和用户接收机部分。其中，地面地面监控部分又由三大部分组成：监控站， 主控站，注入站。GPS 系统在全球建了 5 个监控站，1 个主控站（假设战争中炸 毁北斗地面指挥中心北斗就失效了，所以得出结论战争时北斗无用；如果炸毁 GPS 的主控站（及其备用站）不也一样的吗，所以可以得出结论：GPS 是无效的 吗？看待北斗的时候能不能不要带有色眼镜。）和 3 个注入站以保证卫星运行， 这些站都设在美国国土上，并且在全球分布很均匀。 包括美洲大陆的美国本土，太平洋的关岛和夏威夷、印度洋的迭哥枷西亚以 及大西洋的阿森松群岛。中国没法把监控站建到全球，所以中国在设计北斗系统 4
    时必须考虑到，地面监控部分只建在中国境内，就能够保证整个系统的正常运行。 在境外建站也不是不可以，只是就算建了，也只起到提高精度的作用，绝对不能 作为控制功能。这本来是北斗的劣势，境内监控是被逼出来的，没有其他选项， 但现在成了北斗的安全优势，不用受制于其他国家。（更新：1、中国境外的首个 陆地遥感卫星数据接收站“北极站”，将于 2015 年在瑞典开工建设，预计两年建 成。2、中国将在南美洲的阿根廷建造首个境外卫星跟踪站。） 6.分步开通。GPS 必须整个系统建成后才能使用。目前北斗的 14 颗在轨卫 星使用了 5 颗地球静止轨道（GEO）卫星，5 颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星， 4 颗中高度圆轨道（MEO）卫星。北斗的星座方案来之不易，许院士说当时有几 个方案参与竞争，光是方案的修改论证就持续了整整三年，最后确定的这个方案 不敢说没有缺点，但绝对是所有方案里最好的一个。不要认为国内建个什么东西 都是领导拍拍大脑就决定的，有很多人为了中国的发展呕心沥血。中国现在发展 那么快，要感谢为其呕心沥血的科研人员，他们真的很努力！言归正传，北斗卫 星导航系统在这个创新的空间星座支持下，仅仅发射了 16 颗卫星，就于 2012 年 12 月 27 日在亚太地区正式开通运行。这有利于加快北斗的商用进程，有利于 对后续的系统做进一步改进，有利于加快北斗产业链的成熟。毕竟北斗的最大市 场肯定是中国，先让北斗系统在亚太地区发展几年，让芯片成熟几年，想推广到 全球的时候也会相对容易。而且亚太地区的卫星利用效率肯定也更高，更值得优 先投资。（新闻：2015 年 3 月 30 日，首颗新一代北斗导航卫星由长征三号丙运 载火箭在西昌卫星发射中心发射。该星的发射成功标志着我国北斗卫星导航系统 由区域运行向全球拓展的启动实施。北斗全球系统试验卫星工程 I1-S 星是第 17 颗北斗导航卫星，其将开展新导航信号体制、星间链路等试验验证工作。中国北 斗卫星导航系统总设计师杨长风 31 日对记者表示，2015 年我国还将发射 3 到 4 颗北斗导航卫星，构成一个完整的试验体系，北斗导航卫星再次进入密集发射期。 首颗新一代北斗导航卫星将实现技术突破，除了寿命由 8 年延长到 10 到 12 年外，在功能、性能上将有较大提升，可为全球用户提供更高精度的卫星导航服 务。下一代全球覆盖导航卫星从性能指标上要比现在在轨运行的这个系统性能提 高 1 到 2 倍，最高精度会达到 2 到 3 米。） 7.局部加强，逐步成熟。理论上 GPS 在全球的定位精度是相当的。北斗系统 针对中国及其周边地区是特别加强过的，在国内卫星的几何条件比较好。单点定 位的精度取决于两个方面：一是观测量精度，二是所观测卫星的空间几何分布。 导航中用精度衰减因子 DOP 来表示卫星空间图形的贡献，包括：空间精度衰减因 子 GDOP 、位置精度衰减因子 PDOP、时间精度衰减因子 TDOP、平面精度衰减因 子 HDOP、垂直精度衰减因子 VDOP、相对定位几何精度衰减因子 RDOP。随着北斗 全球系统逐渐成熟，DOP 越来越小，他在中国及周边地区的定位精度超过 GPS 简 5
    直就是嗖嗖的~~~“逐步成熟”并不是一个托词，而是技术、理论上的进步。（1） 卫星数量增加。GPS 设计使用 21+3 颗卫星，即 21 颗工作卫星，3 颗备用卫星。 目前 GPS 实际已经使用了 32 颗卫星，卫星数量越多，就会得到越多的冗余数据， 数据就越可靠，DOP 值越小。北斗现在只有 16 颗，等北斗卫星的数量越来越多， 也会得到更多观测数据，精度提升是必然的了。关于北斗芯片一般会支持 GPS， 其可能存在以下原因，第一是补充北斗系统的精度，第二是为了开拓市场（刚开 始只支持北斗没人用）。这样的话芯片更复杂，功耗更高，开发难度更大。但也 不能说全是坏处，目前兼容不同系统也是行业发展的趋势，GLONASS 芯片一般也 要兼容 GPS，北斗芯片也有支持 GLONASS 甚至三个系统的。兼容系统，数据冗余 更多了，精度更高，DOP 小，这项功能做好了也会成为中国芯片厂商的优势。（ 12 月 4 日补充一下，魅族 MX4，MX4pro，小米 4，华为 G7，三星 S5，NOTE4 现在均 已支持 GPS、GLONASS、北斗。可以看到，兼容三大导航系统已经是大势所趋， 相信在不久的将来，兼容北斗的终端将会越来越多。大家也不用纠结要选择哪一 款定位系统了，三大系统一起用将会有跟多的优势！）（2）改正模型优化。与信 号传播路径有关的误差有：对流层折射误差，电离层折射误差延迟误差，多路径 效应，地球自转效应误差。这些误差是没办法完全消除的，只能不断减小。用于 改进电离层折射误差延迟误差的 Klobuchar 模型就是根据长时间气象观测数据， 构造出电离层折射随时间变化的经验公式。说白了就是猜出来的，不过是有水平， 有数据支持，聪明的猜，才出来后进行试验验证，好用就留着，不好用就继续改。 全球不同地区的电离层对流层都是不同的，这些公式是根据国外的观测数据构造 的，用在中国自然会差一些，我们需要给北斗更多的时间累计观测数据，等待开 发或优化更多的适合中国地区的改正模型。（3）卫星轨道精度提高。卫星的实际 运行轨道肯定与设计轨道有一定的差距。伪距定位的原理是：采用距离后方交会 的方法确定接收机天线的三维坐标。只有卫星轨道精度提高了定位精度才会高。 卫星的轨道是通过监控站的观测数据拟合出来的，观测时间越久，累积的数 据越多，拟合的轨道越精确。北斗缺少国外的观测数据，所以轨道精度在亚太地 区较高，在国外的轨道精度会比较差。弥补这个缺陷也需要给北斗时间。 再提一下地球静止轨道（GEO）卫星。GEO 卫星相对地球做不到完完全全的 静止，会有一定的漂移。而地球同步轨道只有一个，资源非常稀缺，国际上把这 个轨道划分成了一小段一小段的圆弧，卫星只能在分配的范围内移动，否则可能 与其他卫星相撞，所以每隔一段时间就需要调整 GEO 卫星位置。目前调整北斗采 用的是脉冲式，只能按整次数来调整卫星的位置，不能是零点几次，所以可能出 现多一次嫌多，少一次不足的情况。在后续发射的 GEO 卫星，调整卫星会改用连 续式，想喷多少就喷多少，增强卫星控制能力与精度。 一旦进行调整，之前的观测数据就会作废，需要重新累积数据。在调整卫星 6
    期间，那颗卫星处于失效状态，因为我们不知道它的具体位置，需要几天时间来 重新定轨。但好在 GEO 卫星数量比较少（5 颗），定轨比其他两种卫星容易一些， 速度也比较快一些。其他两种卫星不存在这种情况，观测时间久了，拟合的轨道 精度自然就提高了，直到卫星报废。 8.定位精度。“北斗系统定位精度由水平 25m、高程 30m，提高至目前水平 10m、高程 10m，测速精度由每秒 0.4 米，提高至 0.2m，受时精度优于 20ns，目 前在中国及周边地区，北斗系统服务性能与 GPS 相当。”许院士讲座时说，他们 的实测精度（按中误差算）可以达到水平 4~5m，高程 5~6m 的精度水平。 许院士表示，北斗在刚投入使用就能达到如此精度，这连他们设计北斗系统 的时候都没想到，已经非常满意了，而且北斗还有很大进步空间，精度还能进一 步提高。上述 10m 的精度，我个人认为应该是对亚太地区的平均精度。 需要注意的是，北斗的平面精度与高程精度是基本相当的，而 GPS 系统的水 平精度确实不错，但是他的高程精度是软肋，比水平精度差得比较多，一般是 1.5 倍到 2 倍。关于 GPS 定位精度可以达到 mm 级，这是能实现的，但是不能脱 离限制条件而谈。卫星定位方法有很多种形式，如果按用户卫星测量设备在作业 中的状态，可分为静态定位与动态定位，若按参考点的位置不同，可分为绝对定 位和相对定位。差分技术是基于同步同轨性原理，使用已知点的基准站，计算出 改正信息，再发送给流动站，进而改正流动站的瞬时位置。 这是针对动态测量的技术，把定位精度由 10~40m 提高到小于 3m。精度达到 mm 级应该是静态的长时间的优质观测条件下的绝对定位。具体解释一下，静态， 就是要专门建一个房子，专门建一个固定观测墩，这时三脚架精度已经不够，而 且还容易被移动。长时间，就是 24 小时，365 天不间断观测，这就肯定要保证 有电源，而且要求还很高，不能断电，备用电源神马的一定要有。 优质观测条件，就是要没有电磁干扰，没有高达建筑遮挡，人不能随意靠近 GPS 天线，附近不能有平静水面（会有多路径效应），没有大的山坡。不可或缺 的是一台高精度，高稳定性，高品质的 GPS 接收机及其他附属设施（保存、处理 数据等功能）。要满足这些条件只能远离城市，在有一定条件的农村，建一个永 久的高精度观测站。不是随随便便就能满足这样苛刻条件的，建设和运行成本都 非常高，。北斗要这么观测，精度肯定也不是 10m 了，不要随便道听途说了一个 数据就说比北斗强，请说明观测条件！特别说明一下，GPS 系统使用的是 WGS-84 坐标系，北斗使用的是 CGCS2000 坐标系，所以二者的数值不能直接进行比较， 需要进行坐标转换，而坐标转换一般会带来精度上的损失。精度是可以在各自坐 标系下直接比较的，不用进行坐标转换。 9.促进整个制造业的升级。（1）GPS 的芯片非常方便使用，北斗系统的芯 片处于起步阶段，相关技术不成熟。建成北斗系统，对于中国芯片厂商将会是一 7
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料