北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战.doc
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1、第 39 卷 第 1 期 测 绘 学 报 Vol. 39, No. 1 2010 年 2 月 Acta Geoda etica et Ca rtographica Sinica Feb. , 2010 文章编号 : 1001 1595( 2010) 01 0001 06 北斗卫星导航系统的进展 、 贡献与挑战 杨元喜 中国卫星导航定位与应用管理中心 , 北京 100088 Progr ess, System YANG Yuanxi Cont ribut ion a nd Cha l lenges of Compa ss/ Beidou Sa telli te Na viga t ion Chi
2、na Na tiona l Admi nistra tion of GNSS a nd Applica tions, Beijing 100088, Chi na Abstract : Satellite navi ga tion ha s stepped i nto the era of a hundred flowers i n bl oom. The progress, appl ica tion, con tribution and challenges of Compass/ Beidou satelli te system is reviewed and analyzed. Fi
3、rstly, the construction pri n ciples and development steps are introduced. Secondly, the genera l realiza tions of si gnal frequency and the coordi nate system a s well as the ti me system of Beidou satelli te na viga ti on system i n the frame of compatibil ity and i nterop erabili ty are described
4、. Thi rdly, in the concept of redunda ncy, the main contributions of Bei dou system a re ana lyz ed. At la st, the applications and the mai n chall enges of Beidou system a re reviewed. Key words : Compass/ Beidou; development; chal lenges 摘 要 : 卫星导航发展已进入百花齐放 、 群星争艳的时代 。 主要评述我国北斗卫星导航系统的发展 、 应用 、 贡 献
5、及面临 的 挑战 。 介绍 北斗卫星导航系统的建设原则和建设步骤 ; 介绍我国 北斗卫星导航系统在兼容与互操作框架下在 频率 、 坐 标 系统 、 时间系统方面的兼容与互操作实现概况 ; 描述北斗导航系 统在冗余度 概念下的 主要贡献 ; 简要说 明北斗 导航验 证 系统的重要应用和面临的主要挑战 。 关键词 : 北斗卫星导航系统 ; 进展 ; 挑战 中图分类号 : P228 文献标识码 : A 基金项目 : 国家自然科学基金 ( 40474001; 40841021) ; 国家 863 计划 ( 2007AA12Z 331) 1 引 言 不面对随即出现的频率资源的竞争、卫星导航市 场的竞争、
6、时间频率主导权的竞争以及兼容与互 全球卫星导航系统 G PS、 GL O N A SS 已经建 成并投入使用 , 不仅促进了导航定位理论与应用 的变革 , 也促进了相关产业 的长足发展。为提高 卫星导航定位的自主性、安全性、完好性 , 中国和 欧盟先后启动了 Co mpass/ 北斗和 G alileo 卫星导 航系统的建设。之后 , 日本启动了伪天顶卫星系 统 Q Z SS ( quasi zenit h satellit e syst em ) , 印度 也启动了 IRN SS 导航系统 。 中国正在运行和 正在建设的 Com pass 系统 是全球导航卫星系统 ( G N SS) 的重要
7、组 成部分。 我国自 19 世纪 80 年代决定建设独立自主的卫星 导航系统 ( Com pass/ 北斗 ) , 2003 年 , 北斗卫星导 航验证系 统建成 , 并 在多个 领域得 到了广 泛的 应用。 面对众多卫星导航信息资源时 , 一方面可以 利用丰富的导航信息 , 极大地提高卫星导航用户 的可用性、精确性、完好性和可靠性 , 但是也不得 操作的争论 , 也包括针对我国北斗卫星导航系统 贡献与干扰的争论。 为此 , 本文在简单介绍 我国北斗 ( Com pass) 导航卫星系 统基本 概况 的基 础上 , 重 点评述 我 国北斗导航 系统的 应用 与贡 献 ; 此 外 基于作 者 个
8、人认识 , 也简 单分析 我国 北斗 导航 系统面 临 的问题。 2 系统建设原则与进展步骤 北斗卫星导航定位原理在多篇文献中已有介 绍 。北斗导 航系统建 设的基本 原则是 : 开放 性、自主性、兼容性、渐进性 。 开放性 : 北斗卫星导航系统将为用户免费提 供高质量的开放服务 , 并且欢迎全球用户使用北 斗系统。中国将与其他国家就卫星导航有关问题 进行广泛深入的交流与合作 , 以推动 G N SS 及其 相关技术和产业的发展。 1 2 2 February 2010 Vol. 39 No. 1 AGCS http: xb. sinomaps. com 自主 性 : 中 国 将 独 立 自
9、主 地 发 展 和 运 行 Co mpass 系统。北斗 系统能独 立为全球 用户提 供服务 , 尤其是为亚太地区提供高质量的服务。 兼容性 : 北斗卫星导航系统使用卫星无线电 导航业务频段 , 与其他卫星导航系统间存在频谱 重叠。我国愿意在国际电联有关规则、建议的指 导下通过频率协调 , 实现与其他系统的兼容和互 操作。 渐进性 : 北斗系统将依据中国的技术和经济 发展实际 , 遵循循序渐进的模式建设。通过改进 系统性能 , 确保系统建设平稳过渡 , 为用户提供长 期连续的服务。北斗系统的发展分为三步 : 验证 系统、扩展的区域导航系统和全球导航系统 。 1. 第一步 : 验证系统。 200
10、0 年以来 , 中国已 成 功发射 3 颗 GEO 卫星 , 初步建成 北斗卫星导 航试验系统。该系统能够提供基本的定位、授时 和短报文通信服务。 北斗卫星导航试验验证系统的服务区域为东 经 70 140 , 北 纬 5 55 , 定 位 精 度 优 于 20 m 。北斗试验验证系统具有如下特点 : 一是 首次定位速度快。北斗验证系统的用户定位、电 文通信和位置报告可在几秒内完成 , 而 G PS 首次 定位一般需要 1 3 min。二是集定位、授时和报 文通信为一体 , GP S 和 G L ON A SS 系统只解决了 用户在何时、在何地的授时和定位问题 , 北斗验证 系统是世界上首个集定
11、位、授时和报文通信为一 体的卫星导航系统 , 解决了 ! 何人、何时、何处 的 相关问题 , 实现了位置报告、态势共享。三是授时 精度高。 GP S 的精密定位服务 ( PP S) 授时精度为 200 ns, 北斗验证系统的单向授时精度达 100 ns, 双向定时精度达到 20 ns, 远远高于 G P S 的授时 精度。四是可实现分类保障。即可划分使用等级 范围 , 授权用户与公开用户分开 , 公开用户也可随 时进行定位保障等级的调整、优先权调配和能 力 集成 。 2. 第二步 : 扩展的区域导航系统。在验证系 统的基础上 , 北斗卫星导航系统将进行区域导航 能力拓展。即由 12 颗卫星组成
12、扩展区域卫星导 航系统 , 采取有源与无源相结合体制 , 兼容北斗验 证系统的全部功能。 2011 年左右覆盖亚太地区 , 即服务拓展到南北纬 55 , 东经 55 至 180 。 3. 第三步 : 北斗全球卫星导航系统。在扩展 区域导航系统 12 颗卫星基础上 , 北斗导航系统的 服务将由区域拓展到全球 , 设计性能优于俄罗斯 的 GL O N A SS, 与第 三代 GP S 性 能相 当。将在 2020 年左右为全球用户提供服务。 2007 年 4 月 13 日 , 北斗卫星导航系统的首 颗 MEO ( Com pass M 1) 卫星成功发射 , 轨道高度 约为 21 550 km 。
13、 2009 年 4 月 15 日 , 北斗卫星 导航系统的首颗 GEO 卫星 ( Compass G2) 也成功 发射。最近几年 , 将发射 10 余颗卫星。 3 与其他卫星导航系统的兼容与互操作 3. 1 兼容与互操作的一般描述 兼容与互操作是多导航卫星系统资源利用与 共 享的重要内容。 2007 年印度班加罗尔 ( Bang a lore) 举行的第一次卫 星导航供应商论坛会议初 步提出了兼容与互操作原理及定义 , 2008 年在美 国加州举行的第三次供应商论坛会议对兼容与互 操作定义进行了更新。 3. 1. 1 兼容性描述 兼容性是指分别或综合使用多个全球卫星导 航系统及区域增强系统 ,
14、 不会引起不可接受的干 扰 , 也不会伤害其他单一卫星导航系统及其服务。 其主要内容包括 : 1. 国际电信联盟 ( IT U ) 提供无线电频率兼 容讨论框架 , 频率兼容应涉及全部细节因素 , 包括 接收机噪声水平的影响 , 以及干扰与信号之间的 互相关问题 ; 2. 兼容性应关注每个卫星系统的授权与公 开服务信号的频谱分离 , 尽管某些信号重叠是不 可避免 , 但卫星导航供应商之间应进行讨论 , 以便 构建双方可接受的方案 ; 3. 鼓励任何其他改进兼容性的决策。 实际上 , 兼容性不仅包括无线电频率的兼容 还应包括坐标系统兼容 , 时间系统兼容 , 发射功率 兼容等。 3. 1. 2
15、互操作性描述 互操作是 指综合利用多 个全球导航 卫星系 统、区域卫星导航系统、增强卫星导航系统及相应 服务 , 能够在用户层面 比单独使用一种服务获得 更好的能力。主要内容包括 : 1. 同时处理不同卫星导航系统信号并不显 著增加接收机的成本和复杂性 ; 2. 多卫星星座播发公用互操作信号将改善 观测几何结构 , 改善所有地点用户的定位精度 , 减 少卫星信号受遮挡的范围 , 提高卫星的可视性 ; 3. 坐标框架的实现及时间系统应极大限度 5 6 5 5 第 1 期 杨元喜 : 北斗卫 星导航系统的进展、贡献与挑战 3 地固联于国际现已存在的统一标准 ; 4. 鼓励任何其他改善互操作的决策。
16、 显然 , 互操作的实现必须基于卫星导航系统 的兼容性。 基于互操作概念 , 用户在 PN T ( 定位、导航、 定时 ) 方面所获得的效益应大于付出的代价 ; 用户 可望获得更可靠、更丰富的 P N T 服务 ; 而且这些 互操作不应显著增加接收机的研发负担 ; 多卫星 系统所发射信号的最大接收功率应该相近 ; 系统 供应商应该相互播 发包括坐标系统和系统时间偏 差在内的互操作信息 ; 频率多样性是可行的 , 而且 图 1 Fig. 1 3. 2. 3 北斗导航时间系统与其他时间之间的关系 T iming r elatio ns of Beido u and other satellite
17、navigatio n sy stems 北斗坐标系统的兼容性与互操作 有益于提高抗干扰能力。 3. 2 北斗卫星导航系统与其他 导航系统的兼容 与互操作 3. 2. 1 北斗导航系统的频率兼容与互操作 卫星导航系统的频率资源十分紧缺 , 不同卫 星导航系统间的频谱重叠不可避免。关于频谱重 叠和频谱分离是目前兼容与互操作讨论的热点 , 我们认为不同系统服 务信号间共享 频谱是可行 的。对许多应用来说 , 开放信号的频谱重叠对实 现互操作是有益的。 我国已向国际电信联盟 ( IT U ) 申报 , 北斗导 航系 统 将 发 射 4 个 频 率 的 信 号 : 1 561 MH z、 1 589
18、M H z、 1 268 M H z 及 1 207 M H z ( E5b) , 已经 发 射 的 3 频 信 号 为 : 1 561. 098 M H z 和 1 589. 742 M H z, 码速率均为 2. 046 cps、带 宽为 4. 092 MH z 的 B1( I) 和 B1 2( I) 公 开服务信号 ; 以及 中 心 频 点 为 1 207. 14 M H z, 码 速 率 为 2. 046 cps, 带宽 为 24 M H z 的 B2( I) 信号 , 还 有 授权用户信号 : 1 268. 52。此外还将发射中心频 点分别 为 1 575. 42 M H z 和 1
19、 191. 795 M H z, 码 速率分别为 1. 023 cps、 10. 23 cps 两种公开服务 信号 。 3. 2. 2 北斗时间系统的兼容性与互操作 北斗时 ( BDT ) 溯源到协调世界时 U T C( N T SC) , 与 U T C 的时间偏差小于 100 ns。 BD T 的起 算历元时间 是 2006 年 1 月 1 日 零时 零分 零秒 ( U T C) 。在设计北斗时间系统时 , 已经考虑到 BDT 与 G PS 时 ( G PST ) 、 G alileo 时 ( GST ) 和 GL O N A SST 的互 操 作 问 题 , 并 将监 测 和 发 播 B
20、DT 与 G PST 、 GST 、 G LO N A SST 及 GST 的时 差。北斗导航系统的时间系统与其他导航系统的 时间系统关系见图 1。 北斗卫星 导航系统相应 的坐标系统 为中国 2000 大地坐标系统 ( CG CS 2000) 。 CG CS 2000 的定义与国际地球参考系统 ( IT RS) 一致。 CGCS 2000 的 实现称 为 CT R F 2000 。 CT R F 2000 参考于 IT RF 97, 历元为 2000. 0。 CT R F 2000 由 三个层次框架点组成。第一层次 : 连续运行参考 站 ( 28 个点 ) , 形成 CG CS 2000 基
21、本骨架 , 精度约 为 3 mm; 第二层 次 : ! 2000 国家 GP S 大地 控制 网 ( 2 500 多点 ) , 精度约为 3 cm 级 ; 第三层次 : 全 国天文大地网 ( 约 50 000 个点 ) , 大地经纬度精度 约为 0. 3 m, 大地高精度优于 0. 5 m。 显然 , CT R F2000 的第一、第二层次参考框架 与国际地球参考框架 IT RF 的一致性约为几个厘 米 , 对于大多数卫星导航用户来说 , 可以不考虑 CT RF 2000 与 IT RF 的坐标转换。 理论上 , 一个完整的坐标系统 , 应包含坐标框 架的变化速率 , 但在目前情况下 , 暂不
22、能提供高精 度的 CT R F 的点位速度信息 , 也暂不能提供点位 坐标更新信息。 4 北斗导航系统对互操作的贡献 ( PNT) 在群星璀璨的星空 , 未来将有 100 余颗用于 导航 的 卫 星 ( 包 括 G PS、 G L ON A SS、 G alileo、 Compass 等 ) ; 有 星 罗棋 布的 观测 网 ( 包括 全球 GN SS 服 务 系统 及 IGS 观 测网、各国 的 CO RS 网 , 以及国内的地壳运动跟踪网和各省、各地区的 COR S 系 统 等 ) 。现 代 化 的 G PS、恢 复 元 气 的 GL O N A SS、正在发展的 Com pass 和正在
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