北斗双星定位通信系统.ppt

北斗双星定位通信系统,面对卫星导航技术的迅猛发展和导航技术在国民经济发展和现代战争精确打击中的地位和作用，我国于世纪年代开始探索适合我国国情的卫星导航定位系统技术途径和系统方法。1983年提出了双星定位方案，与此同时美国静止卫星公司和欧洲本地卫星公司也提出了类似方案。利用两颗地球同步静止卫星实现区域性导航定位并兼有简短报文通信的双星导航定位系统。1988-1989年利用现有的两颗C频段通信卫星成功进行了“双星快速导航定位通信系统演示实验”，证明了系统体制的正确性和可行性。实验表明定位精度与测距速率、两颗卫星的间距、测距精度和用户高度有关。1993年进一步进行双星定位系统试验，1994年双星导航定位系统工程正式启动。2000年10月31日和12月21日，我国相继成功发射了北斗系统第一颗和第二颗导航定位试验卫星，2003年5月25日在西昌发射中心用长征三号运载火箭将第三颗导航卫星送入太空。2004年北斗导航定位系统正式投入运营。,北京时间2007年2月3日凌晨零时28分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第四颗北斗导航试验卫星送入太空。,北斗卫星导航定位系统是由中国自行研发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS）该系统分为“北斗一代”和“北斗二代”，分别由北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，其精度与GPS相当。中国在2000年至2007年先后发射了四颗“北斗一号”卫星，这种区域性(中国境内)的卫星导航定位系统，正在为中国陆地交通、航海、森林防火等领域提供着良好服务。,北斗卫星导航系统的历史,我国早在60年代末就开展了卫星导航系统的研制工作。在自行研制“子午仪”定位设备方面起步较晚，以致后来使用的大量设备中，基本上依赖进口。70年代后期以来，国内开展了探讨适合国情的卫星导航定位系统的体制研究。先后提出过单星、双星、三星和3-5星的区域性系统方案，以及多星的全球系统的设想，并考虑到导航定位与通信等综合运用问题，但是由于种种原因，这些方案和设想都没能够得到实现。,双星定位导航系统是一种全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统，可实现快速导航定位、双向简短报文通信和定时授时3大功能，其中后两项功能是全球定位系统(GPS)所不能提供的，且其定位精度在我国地区与GPS定位精度相当。整个系统由两颗地球同步卫星(分别定点于东经80度和东经140度36000公里赤道上空)、中心控制系统、标校系统和用户机4大部分组成，各部分间由出站链路(即地面中心至卫星至用户链路)和入站链路(即用户机至卫星中心站链路)相连接。中心站以特定的频率发射H地球同步卫星分别向各自天线波束覆盖区域内的所有用户广播。,当用户需要进行定位通信服务时，相对于接收信号(出站信号)某一帧，提出申请服务项目并发送入站信号，经两颗卫星转发到地面中心，地面中心接到此信号后，解调出用户发送的信息，测量出用户至两颗卫星的距离，对定位申请计算用户的地理坐标，由于H颗卫星的位置是已知的，分别为两球的球心，另一球面是基本参数已确定的地球参考椭球面3球交会点为测量的用户位置。,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。,用户利用一代“北斗”定位的办法是这样的，首先是用户向地面中心站发出请求，地面中心站再发出信号，分别经两颗卫星反射传至用户，地面中心站通过计算两种途径所需时间即可完成定位。一代“北斗”与GPS系统不同，对所有用户位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。因此，地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。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”。,北斗第二代导航卫星网”将由颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式：开放服务和授权服务。其中5颗静止轨道卫星，即高度为36000公里的地球同步卫星；5颗静止轨道卫星在赤道上空的分布为：58.75 E,80E,110.5 E,140 E and 160 E，提供RNSS和RDSS信号链路。30颗非静止轨道卫星由27颗中轨（MEO）卫星和3颗倾斜同步（IGSO）卫星组成，提供RNSS信号链路 27颗MEO卫星分布在倾角为55度的三个轨道平面上，每个面上有9颗卫星，轨道高度为21500公里。,每颗COMPASS卫星都发射4个频率的载波信号用于导航：1561.098 MHz(B1),1589.742 MHz(B1-2)，1207.14 MHz(B2),1268.52 MHz(B3)每个载波信号均有正交调制的普通测距码（I支路）和精密测距码（Q支路）。卫星以不同地址码区分（CDMA）。,免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是：第二代用户机可免发上行信号，不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息，而是直接接收卫星单程测距信号自己定位，系统的用户容量不受限制，并可提高用户位置隐蔽性。其代价是：测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证，所有用户机使用稳定度较低的石英钟，其时钟误差作为未知数和用户的三维未知位置参数一起由4个以上的卫星测距方程来求解。这就要求用户在每一时刻至少可见4颗以上几何位置合适的卫星进行测距，从而使得星座所需卫星数量大大增多，系统投资将显著增加。,北斗系统四大功能,短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。定位精度：水平精度100米(1)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。系统容纳的最大用户数：每小时540000户。,北斗应用五大优势,1.同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持。2.覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区。3.特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用。4.独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”。5.自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。,国产北斗海上搜索定位系统,“北斗”卫星导航系统与GPS系统比较,1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70一140，北纬5一55。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颖)。,2、卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55，轨道面赤道角距60。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。,3、定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射.机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。,4、定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。,5、用户容量：北斗导航系统由于是主动双向测距的询问-应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。,6、生存能力：“北斗一号”和所有导航定位卫星系统一样，基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。GPS正在发展星际横向数据链技术，为了弥补这种系统易损性，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。,7、实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。,四大系统各有特色GPS胜在成熟，伽利略胜在精准，格洛纳斯抗干扰能力强，中国的北斗卫星导航系统的优势则在于互动性和开放性。与GPS相比，伽利略系统在许多方面具有优势，例如其卫星数量多达30颗，其卫星轨道位置比GPS高。伽利略可为地面用户提供3种类型的信号供选择，其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。此外，伽利略卫星定位系统信号的最高精度比GPS高10倍，确定物体的误差范围在1米之内。正如有关专家所说：“如今的GPS只能找到街道，而伽利略却能找到车库的门。”而俄国的格洛纳斯由24颗卫星组成，也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定位卫星系统。尽管其定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干扰能力却是最强的。中国自行研制生产的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创新。北斗系统与其他系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于需要导航与移动数据通信场所。此外，中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。,汶川地震中投入使用的北斗一号卫星导航定位系统手持机，发挥了重要作用,北斗卫星的战略运用,“北斗”系统服务于导航定位、指挥控制、精密测量、目标监控等国内多应用领域。减少对GPS的依赖精确制导武器的大规模使用，标志着“精确打击时代”的来临，而战争的规则也随之发生改变，谁能料敌于前，从而一击必杀，谁就能掌控现代战争的主导权。而这种能力取得的关键就在于提高自身对战争要素（装备、监控、环境等）精确导引的能力和摧毁敌方对这种能力的掌握。,FT-1 500公斤级精确制导炸弹,雷石6 500公斤级精确制导滑翔炸弹,战斧式巡航导弹,精确制导技术 精确制导技术是以高性能的光电测器为基础，采用目标识别、成像跟踪、相关跟踪等方法，控制和引导武器准确地命中目标的技术，也是一门正在迅速发展中的技术。按照制导方式，即按照实现导引和控制飞行器根据特定基准（规律）选择飞行路线去寻找和攻击目标的运动过程中，所采取的手段与方法，可将精确制导技术分为以下几种类型：1、寻的制导包括主动式寻的制导、半主动式寻的制导和被动式寻的制导。2、遥控制导包括指令制导和波束制导。3、匹配制导包括地形（高度）匹配制导和景象（灰度）匹配制导。4、惯性制导只依靠弹上惯性部件提供制导数据，而不依赖外部信息的自主制导方式。5、卫星制导又称GPS制导，是指武器系统接收GPS中卫星播发的导航信号，实现三维精确定位和获取速度、时间信息的制导方式。6、复合制导是采用两种或两种以上不同物理特性的探测器组成的制导系统。系统在制导时，若探测器为串行使用称为复合制导；若并行使用称为多模制导或并联复合制导。精确制导武器的核心是制导系统，制导系统的先进与否直接影响到精确制导武器的作战效能、应用范围和武器系统的成本。,双星导航定位系统简介,1、系统概况由通信导航卫星、地面应用系统和测控系统组成。,（1）导航通信卫星既是空间的位置基准点，也是通信中继站。三颗卫星位于距离地面约36000km高的地球静止轨道上，两颗工作卫星分别定点在东经800和1400上空，另一颗备用卫星定点在东经110.50上空。每颗卫星由有效载荷、电源、测控、姿态和轨道控制、推进、热控、结构等分系统组成。卫星上设置有两套转发器，一套构成从地面中心到用户的通信链，另一套构成从用户到地面中心的通信链。（2）地面测控网地面测控网包括主控站、测轨站、气压测高站和校准站。A、主控站：位于北京，控制整个系统工作。1）接收卫星发射的遥测信号，向卫星发射遥控指令，控制卫星的运行、姿态和工作。2）控制各测轨站的工作，收集他们的测量数据，对卫星进行测轨、定位，结合卫星的动力学、运动学模型，制作卫星星历。3）实现卫星与用户间的双向通信，并测量电波在中心、卫星、用户间的传播时间（或距离）。4）收集来自测高站的海拔高度数据和校准站的系统误差校正数据。5）主控站利用测得的主控站、卫星和用户间电波往返传播时间、气压高度数据、误差校正数据和卫星星历数据，结合存储在计算中心的系统覆盖区数字地图，对用户进行精确定位。6）系统中各用户通过与计算中心的通信，可间接实现用户与用户间通信。由于主控站集中了系统中全部用户的位置和航迹等信息，可方便地实现对覆盖区内的用户进行识别、监测与控制。,B、测轨站：设置在位置坐标精确已知的地点，作为卫星定位的位置基准点，测量卫星与测轨站间电波传播时间（距离），以多边定位方法确定卫星的空间位置。一般需要设置三个或三个以上的测轨站，为获得较好的几何精度系数，各测轨站间的距离应拉开。目前双星系统的三个测轨站分别为佳木斯、湛江和喀什。各测轨站将测量数据通过卫星发送至主控站，由主控站进行卫星位置的解算。C、测高站：设置在系统覆盖区内，用气压式高度计测量测高站所在地区的海拔高度。通常一个测高站测得的数据粗略地代表其周围100-200km地区的海拔高度。海拔高度与该地区的大地水准面高度之和为实际地形距离基准椭球面的高度。测高站的测量数据通过卫星发送给主控站。D、校准站：分布在坐标已知的系统覆盖区内，所用设备与工作方式与用户相同。由主控站对其进行定位，将主控站解算的校准站位置坐标与实际坐标相减求得差值，由此差值形成了用户定位修正值。一个校准站的修正值一般可用来修正其周围100-200km内的用户位置。,（3）用户设备用户设备是带有全向收发天线的接收和转发器，用于接收卫星发射的S波段信号，从中提取由主控站发送给用户的数字信息。用户设备简单，仅有接收和转发设备，成本低。用户设备的特点：1）快速开机定位功能：用户开机几秒钟可定位，其他系统需要几分钟。2）位置报告功能：用户与用户、用户管理部门，以及地面中心之间均可实行双向报文通信，传递位置及其他信息，目前其他系统不具备该功能。3）双向授时功能：其他系统不具备该功能。北斗系统采用有源定位体制，使得系统在用户容量、定位精度、隐蔽性和定位频度等方面受到一定限制，无测速功能，不能满足远程精确打击武器的制导要求。优点是投资少，具有其他系统不具备的位置报告功能，性价比较高，具有中国特色。,2、系统的主要技术指标（1）服务区域：700-1450（E），50-550（N）（2）动态性能与环境条件：适合于用户机载体瞬时速度小于1000km/h的动静态用户使用。陆上用户在有树木轻微遮挡条件下能正常使用。（3）用户容量：系统可为下列用户提供每小时54万次服务。一类用户机10000-20000个，适合于单兵携带用户，5-10min服务一次；二类用户5500个，适用于汽车、坦克、装甲车、舰船及直升飞机等用户，10-60s服务一次；三类用户20-100个，每1-5s服务一次，适合于机载和高速运动。（4）数据阻塞率小于10-3。（5）数据误码率小于10-5。（6）定位精度：平面位置精度（1）20m（不设标校机区域100m），高程控制精度（1）10m。（1 表示达到指标的概率为0.68）。（7）简短报文通信：用户每次最多可传送120个汉字信息。（8）授时精度（相对控制中心时间系统）：单向传递精度100ns，双向传递精度20ns。（9）工作频段：中心站至卫星：C波段，上行6GHZ，下行4GHZ；用户机至卫星：上行为L波段，1610-1626.5MHz；下行为S波段：2483.5-2500MHz。（10）用户机对卫星的可工作仰角范围：100-750。（11）传输速率：上行16.625kbps，下行31.25kbps。（12）定位响应时间：从定位申请到获得位置数据的时间，一类用户小于5s，二类用户小于2s，三类用户小于1s。（13）一次定位成功率：95%（14）时间系统：协调世界时UTC，精度1s（15）坐标系统：1954北京坐标系，1985高程,北斗双星导航定位系统服务区域,双星定位系统解算方法,双星导航定位系统的定位原理为三球交会测量原理：地面中心通过两颗卫星向用户广播询问信号（出站信号），根据用户响应的应答信号（入站信号）测量并计算出用户到两颗卫星的距离；根据中心存储的数字地图或用户字带测高仪测出的高程，计算出用户到地心的距离。根据三个距离确定用户的位置，并通过出站信号将定位结果告知用户；授时与报文通信功能也在出入站信号的传输过程中实现。1、系统基本工作过程：由地面中心向卫星1和卫星2同时发送出站询问信号（C波段）；两颗工作卫星接收后，经卫星上的转发器变频放大后，向服务区内的用户广播（S波段）；用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送入站信号（L波段，包括用户的申请服务内容），经过卫星转发给地面中心（C波段）；地面中心接收解调用户发送的信号，分别测量出用户所在点至两颗卫星的距离，再根据用户申请服务内容进行相关数据处理。,2、基本定位方程系统测量的是电波在测控中心、两颗卫星和用户间往返传播的时间，换算为相应的观测距离分别为,根据L1、L2和用户高程，可联立求解用户的空间直角坐标分量（X、Y、Z）根据解算方法的不同，分为：代入法、相似椭球法、交会法和近似椭求法。,、定位解算的三边交会法,设测站点的大地高为，测站法线到短轴的距离为观测值3，与1、2三边交会于测站点上。根据椭球几何学，椭球短轴上o点的空间直角坐标,1,1,1,测站点到o点的距离为,式中，B为测站点纬度，N为测站点卯酉圈曲率半径，e2为椭球偏心率。,观测方程为,设,观测方程的右函数为,将非线性观测方程线性化，在用户近似坐标处展开，写成矩阵,设方程组的系数矩阵为,其中,根据空间直角坐标与大地坐标的转换关系,可将系数矩阵A进一步改写为,用户坐标改正数向量为,示例：设卫星S1和S2的坐标为别为:(X1,Y1,Z1)42164000(cos800,sin800,0),(X2,Y2,Z2)42164000(cos1400,sin1400,0)。地面控制中心北京坐标为：(X3,Y3,Z3)42164000(cos400cos116.40,sin400sin116.40,sin400)。观测值为：L1=149626086.869m,L1=144796561.605m观测站概略大地坐标为：（B，L，H）=(30038,114047,50m)试利用三边交会法完成定位计算？（1）已知参数:椭球长半径a=6378137m，e=0.081819190842622，R=42164000m（2）计算卯酉圈曲率半径：N0=（3）计算测站近似空间直角坐标：X0，Y0，Z0=-2.25893106,5.00687,3.23101 106（4）计算卫星1、卫星2和地面控制,中心的坐标：X1，Y1，Z1=7.3217106,4.15234 107,0 X2，Y2，Z2=-3.22995107,2.71025 107,0 X3，Y3，Z3=-1.43615107,2.8931107,2.71025 107,(5)计算测站与卫星的近似距离，以及控制中心与卫星的距离。01=3.78904 10702=3.74311 107S1=4.60954 107S2=3.6351 107(6)计算系数矩阵A：(7)计算自由项（距离差）：L1，L2，L3=49.9998,-49.9997,5435.2(8)计算坐标改正数：X，Y，Z=InverseA L1，L2，L3=-230.739,894.307,9130.02(9)计算改正后的测站坐标：X,Y,Z=X0,Y0,Z0+X,Y,Z=-2.25916106,5.00776106,3.24014106,4、定位解算的相似椭球法,所谓的相似椭球是指中心重合、三轴重合、偏心率相等的椭球。如图所示，设测站大地高为H，则通过测站的相似椭球方程为,根据相似关系,可得,将相似椭球的长短半径代入相似椭球方程中，并考虑相似椭球的偏心率,可得,可得观测方程：,解算方法与三边交会法相同，根据用户的近似坐标（B，L）查询或计算H和N的值。,不同解算方法精度比较,北斗系统定位误差分析,同步卫星定位系统的主要误差源有卫星位置误差、大气传播延迟修正残差、转发延迟误差、高程误差和用户机测距误差等。这些误差的大小还与测站、卫星、控制中心的相对几何结构有关。1、用户机测距误差：两部分。（1）地面中心接到用户应答信号并进行相关处理取得总传播延迟的测定误差，当码频率为4MHZ时，相关处理的等效距离误差为3-5m。（2）用户机接收询问信号后发播应答信号的时间延迟，分为系统性延迟和随机性延迟。系统性延迟指应答延迟中不变的分量，可根据出厂时的检定值按常差加以修正。随机延迟是经检定后的残差，随时间不断变化，包括检定误差和检定后的变化部分。引起导航定位误差的主要因素是随机延迟。不同用户机有不同的误差量级，一般估计等效测距误差为2-5m。2、卫星位置误差：包括沿相对地心矢径方向的径向分量S、在卫星瞬时轨道面上垂直于矢径并指向卫星运动方向的T和沿轨道面法线并按右手规则取向的W。一般卫星位置误差的径向分量直接影响等效距离误差，其他两个分量以小于一个数量级的程度影响等效距离误差，一般估计等效距离误差达到3-5m。3、卫星转发延迟误差：中心站的询问信号和用户机的应答信号经卫星变频、转发而产生的信号延迟。,4、大气传播延迟修正残差：包括对流层和电离层，通常使用模型加以改正。5、高程测定误差：同步卫星导航定位系统中的高程是另行测定的，不属于可归结为等效距离误差的误差源，其测定误差是以另一类观测量的误差来影响定位结果。使用气压高程计测定用户机的高程一般精度为几十米；如果测区设有标校站，高程精度可达数米；如果采用高程数据库迭代读取的高程精度取决于高程数据库精度。22的高密度高程数据库往往使用地形图读取。高程误差的产生包括原地形图的高差误差，以及地形图采集数据网格化和用网格点内插用户点高程误差。一般估计用高程数据库读取高程的误差为5-10m。,几何定位精度系数,用户的导航定位精度不但与定位系统的误差源的误差量级有关，而且与用户、卫星和主控站的相对几何结构有关。几何结构好，定位精度高。为描述几何结构与定位精度的互动关系，引入几何定位精度系数。以交会法为例，基本观测方程为,设两卫星的坐标分别为（X1，Y1，Z1）和（X2，Y2，Z2），对观测方程去全微分并用增量代替,系数矩阵与测站、卫星和主控站间相对几何关系有关。系数矩阵可逆，求逆后可得,定义通过卫星取得的距离观测量L1和L2的权为1，通过数字高程模型或气压测高得到的观测量L3的权为,其中，为双星定位系统等效距离标准差，H为数字高程模型高程误差或气压测高误差，则随机误差L的权阵为,按照随机向量误差传播定律，可得随机误差L引起用户坐标协方差：,根据协方差定义有,位置几何精度因子或几何误差系数为,示例：设等效距离误差=20m，高程H=10m，其他数据与前面三边交会法相同，则系数矩阵为,一般地面使用大地坐标，因此使用前述三维空间坐标推导几何误差系数，其“几何意义并不明显”。为此要概略讨论大地经度、大地纬度定位误差与地面点位的几何关系。一般双星定位是先确定空间直角坐标，在空间直角坐标转换为大地坐标，即,上式两端近似微分后有,从上式可见，第一式不含大地纬度，精度的确定误差与纬度关系不大；第二式含大地纬度的正弦项且在分母上，表明纬度的确定误差与纬度关系极大，当测站点在赤道附近时B 0，会导致不能定位或定位精度极差。,北斗系统定位误差分布,为了减弱误差的影响，系统在佳木斯、湛江和喀什建有3个测轨标校站，以便高精度确定两颗地球同步卫星在赤道上空的位置。在全国各地建有33个标校站，该标校站有准确测定的地固坐标，以确定双星系统的相应修正量，采用差分技术对用户进行差分修正，使双星系统的定位精度有了较大的提高和较均匀的误差分布。,高程误差5m的定位精度,高程误差10m的定位精度,高程误差100m的定位精度,基本型用户机静动态试验结果与分析,基本型用户机的组成划分为天线、高频模块、中频数字信号处理模块、数据处理终端软硬件模块、电源模块等。其外形结构如图所示。,军用新型北斗卫星导航手持机,所用仪器：北京星地恒通公司生产的北斗双星定位系统基本型用户机。静态试验：两台基本型用户机设置在同一控制点上进行同步观测，主菜单的参数设置中的天线高为10m，采用自动导航定位方式，自动定位时间间隔为10s，采用1954年北京坐标系，显示输出高斯平面坐标。试验时间：2003年8月10日-19日，8月31日-9月5日，每天0.5-2小时不等。静态试验结果：（1）北斗系统x值（北纬）变化较大（2555283-255339），y值（东经）较为稳定（19743646-19743690），短信发报功能强；（2）GPS单点定位精度较高，观测值波动较小。见表。,静态试验结果（f表示观测试验频次；试验点坐标：x=2555309.1,y=19743670.0,动态试验设备：中海达HD8000B实时差分GPS一套，北斗一号基本型用户机两台。试验方法：将上述接收机天线安置在“426号”测量船的同一位置，GPS每隔2s定位一次，定位数据自动记录；北斗一号接收机每隔20s定位一次，定位数据手工记录。DGPD与北斗双星基本用户机海上动态定位试验结果比较见下表。,双星定位系统的特点（）具有简短通信功能：可广泛应用于实时指挥、调度系统需要用户向指挥部或调度室及时报告所在位置；而其他系统需要另外的通信联路。（）简化了卫星载荷和用户机的技术要求：卫星的主要功能是进行信号的转发，用户机主要是接收来自于卫星的询问信号和转发应答信号。但对军用用户，发射信号不利。（）天然差分系统：同步导航卫星定位系统的简短通信功能提供了差分导航定位的便利条件，解决了一般差分导航需要另建数据通信联路问题。（4）地面中心技术密集，导致用户量有一定限制。（5）精度分布不均，空中和静态用户精度低：精度分布北高南低，赤道上甚至无解；而空中用户只能自行测定用户高程，精度低。（6）陆地用户需要高程数据库支持。综上：同步卫星导航定位系统具有性能投入比高的特点，对发展中国家也许是最佳选择，但系统的运行需要具备良好的基础测量条件，否则地面高程数据库的建立工程十分浩大。,中国第二代导航卫星系统展望,由于北斗一号导航系统需要中心站提供数字高程数据和用户机发送上行信号，使得系统用户容量、隐蔽性等受到限制，再体制上不能与国际上的GPS、GLONASS和伽利略系统接轨。中国需要在第一代导航卫星系统的基础上发展第二代导航卫星系统（童凯，2004）。第二代导航卫星系统体制：用户机可免发上行信号，不再依靠中心站高程图和用户提供高程信息，而直接通过接收卫星单程测距信号来定位，系统的用户容量不再受到限制，并可提高用户位置隐蔽性。相应的代价是测距精度要由星载高精度卫星钟来保证，用户机使用低稳定度的石英钟，该钟差与用户位置一并由四个以上卫星测距方程求解。要求的卫星数和系统投资增加，并要建立高精度的卫星轨道基准和时间基准。同时需要加快向国际电联申请和协调，以获取对中国未来导航频率的国际保护。第二代导航卫星系统发展途径（1）充分保证民用导航精度：开发民用市场、批量生产廉价接收机，普及民用逐步取代进口，形成产业。吸取俄罗斯的经验：GLONASS只生产了2000部接收机。（2）以建立全球导航系统为长远目标，分步实施。,几种可能的轨道类型（1）地球静止轨道（GEO）：GEO星座可一天24小时静止在规定的赤道位置上空，提供区域导航服务。由于GEO卫星受导航定位所需几何构形的限制，每个用户最多只能利用2颗经度间隔300以上的卫星。究竟布置几颗GEO卫星取决于导航服务区域大小，单用GEO卫星不够，还必须有相对于地球移动的高纬度卫星参与。（2）倾斜地球同步轨道（IGSO）：IGSO卫星星座的轨道倾角为550-63.430的24小时地球同步轨道（大“8”字形轨道），中心位于赤道某设定的经度上，高度与GEO相同，卫星星下点24小时轨迹在本服务区内南北来回运动，只限于本服务区内使用。在立足于国内台站测控条件下，中国采用9颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗GEO卫星相结合可建立区域导航系统，但接近服务区边缘处因卫星定轨精度下降而导致导航精度明显恶化。欧洲曾对该轨道星座方案进行了多年研究，并企图在全球寻找几个区域系统连网成全球系统，但未成功而放弃了该方案。证明了如果中国采用该轨道星座，将来发展成全球系统也是不可能的。,（3）中高度圆轨道（MEO）卫星星座这是一种周期为12小时、倾角为550-63.430的轨道（经过GPS和GLONASS系统成功证明的性能优良的全球星座轨道）。分析计算证明，24颗倾角为550的MEO卫星分布在3个轨道面内，可满足全球导航精度要求（3个倾角为54.740的轨道面通过地心相互正交，卫星在全球分布最均匀，明显优于GPS的六个轨道面）。这种单一由MEO卫星组成的星座必须布满全部24颗卫星后才能有效投入运行，如果要满足民航可用性要求和精密近进，还必须增加GEO卫星进行区域加强或大量增加MEO卫星。中国服务区地处北纬550以南，东西经度范围较大，占全球的1/3，平均每颗星约有2/3的时间可为本区域内的用户服务。采用12颗MEO和4颗GEO相结合的星座系统可满足区域系统的导航要求。当后续布满24颗卫星，则可发展为高精度区域加强的全球系统，可达到民航精密近进导航要求。,欧洲“伽利略”导航卫星,中国“北斗1号”试验导航卫星,欧洲“伽利略”导航卫星,的。,美国GPS（全球定位系统）,俄罗斯Glonass（格洛纳斯全球导航系统）,