北斗卫星导航定位系统,是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统(CNSS),是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。
GPS系统概念
全球定位系统(NAVSTAR GPS,NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System,以下简称GPS)是一个中距离圆型轨道卫星定位系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。该系统的组成包括太空中的24颗GPS卫星;地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中4颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。
该系统是由美国政府于20世纪70年代开始进行研制于1994年全面建成,原是美国国防部为了军事定时、定位与导航的目的所发展,希望以卫星导航为基础的技术可构成主要的无线电导航系统,未来并能满足下一个世纪的应用。第一颗GPS卫星在1978年发射,首十颗卫星称为BLOCK I试验型卫星,从1989年到1993年所发射的卫星称为BLOCK II/IIA量产型卫星,第二十四颗BLOCK II/IIA卫星在1994年发射后,GPS已达到初步操作能力(Initial Operational Capability,IOC),24颗GPS卫星提供全世界24小时全天候的定位与导航信息。美国空军太空司令部于1995年4月27号宣布GPS已达到完整操作能力(Full Operational Capability),将BLOCK I卫星加以汰换而24颗卫星全部为BLOCK II/IIA卫星,之后又发射四颗BLOCK IIA及一颗BLOCK IIR卫星,成功地满足军事实务的操作。
由于此技术的迅速发展,使得民间应用的需求与日遽增,对于传统导航方式更有革命性的影响。
全球卫星定位系统介绍
全球卫星定位系统实际上是由24颗卫星所组成,其中有3颗为备用卫星,这些卫星分布于距地表20,200公里的上空,而且分属于6个轨道面;卫星轨道面倾斜角为55度﹐提供全球全天候﹐每秒一次﹐持续不断的定位讯号。这些卫星每11小时58分环绕地球一次,即每天绕过您的头顶二次,就像是月球一样不停地绕着地球旋转,其速度约每秒1.8哩。这些卫星需要地面管制站随时加以监控是否GPS卫星在其正确的轨道上及正常运作,另外监控中心可上传资料给卫星,卫星再将这些信息下传给GPS使用者使用。地面共有五个监控中心,四个上传资料站及一个控制中心,这些控制站以纬度来划分其所控制的卫星。在概念上﹐GPS是代表着整个系统﹐包括天空上的卫星、地面控制站及GPS接收机。不过一般而言﹐GPS即意指一个GPS接收机﹐这是因为我们在使用上多半只会接触GPS接收机的缘故。一般所使用之GPS接收机在任何时刻接收到4颗或更多的卫星。使用者只需拥有GPS接收机,无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务(sps,standard positioning service)和军规的精密定位服务(pss,precise positioning service)两类。民用讯号中加有误差,其最终定位精确度大概在100米左右;军规的精度在十米以下。2000年以后,克林顿政府决定取消对民用信号所加的误差。因此,现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。
GPS系统拥有如下多种优点:全天候,不受任何天气的影响;全球覆盖(高达98%);三维定速定时高精度;快速、省时、高效率;应用广泛、多功能;可移动定位;不同于双星定位系统,使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性,提高了其军事应用效能。
为了使民用的精确度提升,科学界发展另一种技术,称为差分全球定位系统(Differential GPS), 简称DGPS。亦即利用附近的已知参考座标点(由其它测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身座标运算的考虑, 便可获得更精确的值。
GPS有2D导航和3D导航分,在卫星信号不够时无法提供3D导航服务,而且海拔高度精度明显不够,有时达到10倍误差。但是在经纬度方面经改进误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。
北斗卫星
北斗卫星导航定位系统,是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统(CNSS),是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统由三颗(两颗工作卫星、一颗备用卫星)北斗定位卫星(北斗一号)、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务,定位精度可达数十柰秒(ns)的同步精度,其精度与GPS相当。
三颗导航定位卫星的发射时间分别为:
2000年10月31日;
2000年12月21日;
2003年5月25日,第三颗是备用卫星
系统构成与工作原理
北斗卫星导航定位系统的系统构成有:两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。 北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”:以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心,各以测定的卫星至用户终端的距离为半径,形成2个球面,用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图,提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。
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值计算用户位置,所以被称为“有源定位”。
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