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              北斗衛星導航系統名詞解釋

              發布時間:2020-12-01   來源:自治區衛星應用中心  作者:   閱讀次數:  【字體 】   打印

              北斗衛星導航系統(以下簡稱北斗系統)是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要,自主建設運行的全球衛星導航系統,是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。北斗系統是繼美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)之后第三個成熟的衛星導航系統。

              “北斗”一詞的本義是指北方夜空中接近北極點的一個星組(星官),這七顆星的名稱分別為:天樞、天璇、天璣、天權、玉衡、開陽和瑤光,其形狀如舀水的斗勺,故名北斗。北斗星,自古為中華民族定方向、辨四季、定時辰。我國全球衛星導航系統以“北斗”命名,恰如其分。昔有指南之針,今有北斗導航,這是中國智慧遙隔時空的接力。

              北斗系統提供服務以來,已在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用,服務國家重要基礎設施,產生了顯著的經濟效益和社會效益?;诒倍废到y的導航服務已被電子商務、移動智能終端制造、位置服務等廠商采用,廣泛進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域,應用的新模式、新業態、新經濟不斷涌現,深刻改變著人們的生產生活方式。

              我區北斗應用與產業化快速發展,廣泛服務于自治區代化建設和百姓日常生活,促進我區科技、經濟和社會發展。為滿足我區黨政機關、企事業單位人員和北斗系統愛好者的實際工作需要,新疆衛星應用中心和烏魯木齊北辰眾星空間信息科技有限公司參照中國衛星導航系統管理辦公室發布的《北斗衛星導航術語》等北斗專項標準,對北斗衛星系統的通用基礎術語和應用術語等相關名詞解釋進行了匯編,供大家參考使用。

              北斗導航系統簡介

              1.1北斗星與北極星

              在北半球的夜空中,位于北方天空的北斗七星十分顯眼,這七顆恒星分別是大熊座的天樞(貪狼)、天璇(巨門)、天璣(祿存)、天權(文曲)、玉衡(廉貞)、開陽(武曲)以及瑤光(破軍),它們看起來比其他星星明亮,而且排列成勺子狀,故稱“北斗”。在我國古代,北斗七星被用來“定四時,分寒暑”——“斗柄東指,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?!蓖ㄟ^北斗七星的斗柄方向變化,可以知道季節更替。如果沿著北斗七星的勺柄,即天璇和天樞的方向延伸大約5倍,可以找到另一顆亮星,這就是北極星。

              北極星,又稱北辰、紫微星,指的是最靠近北天極的一顆恒星。由于地球的自轉,而北極星正好又處在天球轉動的軸上,所以相對其他恒星靜止不動。北極星是古代航海、野外活動辨認方向的一個很重要指標,另外也是小至觀星入門之辨認方向星座,大至天文攝影、觀測室赤道儀的準確定位等方面發揮十分重要的作用。由于北極星最靠近正北的方位,千百年來地球上的人們也靠它的星光來導航。

              1.2北斗一號

              20世紀后期,結合國情,我國制定了北斗衛星導航系統三步走戰略:第一階段,2000年年底,發射2顆北斗一號衛星,建成北斗一號系統,向中國提供服務;第二階段,2007年-2012年,發射14顆北斗二號衛星,建成北斗二號系統,向亞太地區提供服務;第三階段,計劃在2020年前后,發射30余顆北斗三號衛星,建成北斗三號系統,即北斗全球系統,向全球提供服務。

              “北斗一號”衛星定位系統是我國自主研發,利用地球同步衛星為用戶提供全天候、區域性的衛星定位系統。2003年5月25日,我國成功將第三顆“北斗一號”導航定位衛星送入太空。前兩顆“北斗一號”衛星分別于2000年10月31日和12月21日發射升空。第三顆與前兩顆“北斗一號”工作星,組成了完整的衛星導航定位系統。第三顆北斗衛星的發射升空,標志著我國成為繼美國全球衛星定位系統(GPS)和前蘇聯(俄羅斯)的全球導航衛星系統(GLONASS)后,在世界上第三個建立了完善衛星導航系統的國家。

              “北斗一號”衛星導航定位系統,不受通訊信號和空間距離的影響,一臺主指揮機進行衛星定位后,可連接多部類似手機的“北斗一號”終端機,終端機每次可編寫40多字的短信發送到指定手機上,非常有利于震區的救援信息傳遞。

              “北斗一號”衛星導航系統在2008年的汶川地震抗震救災中發揮了重要作用,救災部隊攜帶的“北斗一號”終端機不斷從前線發回各類災情報告,為指揮部指揮抗震救災提供了重要的信息支援。中國衛星導航應用管理中心負責人介紹說,地震發生后,中心為救援部隊緊急配備了1000多臺“北斗一號”終端機,實現了各點位之間、點位與北京之間的直線聯絡。在災區通信沒有完全修復,信息傳送不暢的情況下,各救援部隊利用“北斗一號”及時準確地將各種信息發回。

              2008年5月17日報道,成都軍區某部通過“北斗一號”發回信息:北川縣茶坪余震不斷,海子(湖泊在當地的稱呼)水位迅速上升,隨時可能發生重大洪災。災民已棄家轉移高處,46名重傷員急需救助。新華社2008年5月16日也曾報道,救援部隊攜帶的“北斗一號”終端機,15日繼續傳回汶川地震災區的最新災情和救援情況,大部分救援部隊已經到達指定位置,在災區各鄉鎮展開全面搜救。從這兩則報道可以看出,在當地通信設施嚴重受損的情況下,我國自主研制的“北斗一號”系統能發揮重要作用,救災指揮部可以通過“北斗一號”系統,精確判定各路救災部隊的位置,以便根據災情及時下達新的救援任務。

              1.3北斗二號

              北斗二號衛星導航系統是中國獨立開發的全球衛星導航系統。北斗二號并不是北斗一號的簡單延伸,它克服了“北斗一號”系統存在的缺點,提供海、陸、空全方位的全球導航定位服務。2012年4月30日,中國在西昌衛星發射中心成功發射“一箭雙星”,用“長征三號乙”運載火箭將中國第十二、第十三顆北斗導航系統組網衛星順利送入太空預定轉移軌道。2019年5月17日23時48分,在西昌衛星發射中心用長征三號丙運載火箭,成功發射了第四十五顆北斗導航衛星。該衛星是我國北斗二號工程的第四顆備份衛星,至此,我國“北斗二號”區域導航系統建設圓滿收官。

              “北斗二號”衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成,無論是導航方式,還是覆蓋范圍上都和美國的GPS非常類似,而且有著GPS和“格洛納斯”系統無法比擬的獨特優勢。北斗二號具有以下特點:快速定位,為服務區域內的用戶提供全天候、實時定位服務,定位精度與GPS民用定位精度相當;短報文通信,一次可傳送多達120個漢字的信息;精密授時,精度達20納秒。

              在中國市場上,全球衛星定位系統的民用最集中體現在車載導航儀器上,GPS車載導航儀器占據了很大的市場。一臺普通GPS車載導航儀器甚至賣到800元。在費用方面,為了競爭,GPS提供免費服務?!氨倍范枴蓖度胧褂煤?,和GPS形成競爭,對于普通消費者來說是一個好消息,另外,中國的”北斗二號“車載導航儀將兼容GPS,這樣,使用者將非常方便。

              1.4北斗三號

              北斗三號全球衛星導航系統由24顆中圓地球軌道衛星、3顆地球靜止軌道衛星和3顆傾斜地球同步軌道衛星,共30顆衛星組成。

              2020年6月23日,北斗三號最后一顆全球組網衛星在西昌衛星發射中心點火升空。7月31日上午,北斗三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式在北京舉行。中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平出席儀式,宣布北斗三號全球衛星導航系統正式開通。

              北斗系統具有以下特點:一是北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座,與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多,抗遮擋能力強,尤其低緯度地區性能特點更為明顯。二是北斗系統提供多個頻點的導航信號,能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。三是北斗系統創新融合了導航與通信能力,具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。

              1.5特性

              1.5.1覆蓋范圍

              北斗一號是覆蓋我國本土的區域導航系統,覆蓋范圍東經約70°-140°,北緯5°-55°。北斗二號覆蓋范圍擴大到東經55°-180°,亞太地區的工作范圍涵蓋全東南亞、日本、澳大利亞、新西蘭、印度全部、蒙古大部分、俄羅斯遠東地區、哈薩克斯坦、阿富汗、伊朗部分、巴基斯坦大部分;北斗三號服務范圍覆蓋全球。

              北斗導航系統能夠確保在我國任何地點、任何時間能同時觀測到至少三顆北斗衛星。

              1.5.2定位精度與授時精度

              授時功能是指中心控制系統定時播發授時信息(“授時”即每天在一定時間用無線電信號報告最精確的時間),同時為用戶提供時延修正值(“時延”指從說話人開始說話到受話人聽到內容的時間)。

              北斗一號定位精度10-100米,授時精度約20-100納秒;北斗二號定位精度為10米,授時精度20納秒,測速精度0.2米/秒;北斗三號定位精度優于10米,授時精度優于20納秒,測速精度優于0.2米/秒。

              1.5.3短報文通信

              北斗系統的特點之一是同時具備定位與通訊功能,無需其他通訊系統支持,能夠實現北斗用戶間的雙向短報文通信。北斗系統的短報文通信,是指北斗地面終端和北斗衛星、北斗地面監控總站之間能夠直接通過衛星信號進行雙向的信息傳遞,通信以短報文(類似手機短信)為傳輸基本單位,是北斗衛星導航系統附帶的一項功能特性,這在全球四大衛星導航系統中絕無僅有。

              北斗短報文通信的原理是:短報文發送方首先將包含接收方ID號和通訊內容的通訊申請信號加密后通過衛星轉發入站;地面中心站接收到通訊申請信號后,經脫密和再加密后加入持續廣播的出站廣播電文中,經衛星廣播給用戶;接收方用戶機接收出站信號,解調解密出站電文,完成一次通訊。與定位功能相似,短報文通訊的傳輸時延約0.5秒,通訊的最高頻度也是1秒1次。

              北斗短報文分為區域短報文(RSMC)和全球短報文(GSMC)。北斗系統利用GEO衛星,向中國及周邊地區用戶提供區域短報文通信服務。利用MEO衛星,向位于地表及其以上1000千米空間的特許用戶提供全球短報文通信服務。作為一種天基通信方式,它具備了衛星通信的所有優點,如全天候、全域廣覆蓋、可靠性高等。

              1)快速響應能力,短消息通信時延約為0.5s,點對點通信時延為1~5s;

              2)通信抗干擾強,同時采用S/L波段衛星傳輸,可穿透平流層和對流層,可保證極端天氣條件下的通信;

              3)設備要求低、設備價格低、性價比高。

              4)組網方便,以指揮型用戶機為核心,可以快速組成一對多的通信網絡。

              從北斗一號,到北斗二號,再到北斗三號,北斗短報文功力不斷提升,在北斗三號短報文通信服務之前,我們一般拿到的北斗二號用戶機一次可傳輸36個漢字,申請核準的可以達到傳送120個漢字或240個代碼。北斗三號相較于北斗二號在帶寬上有了質的飛躍。北斗三號區域短報文通信服務,服務容量提高到1000萬次/小時,單次通信能力1000漢字(14000比特)。同時,北斗三號短報文用戶機的天線也有了很好的提升,功耗下降了很多,北斗三號接收機發射功率降低到1-3瓦。所以天線會小,功能模塊也會小,北斗短報文產品將更容易普及應用。

              北斗短報文的作用非常的顯著和重要。在普通移動通訊信號不能覆蓋的地區(如無人區,荒漠,海洋,極地等)或通訊基站遭受破壞的情況(如地震,洪水,臺風等),裝有北斗短報文模塊的北斗終端就可以通過短報文進行緊急通訊,不僅能讓用戶知道自己“在哪兒”,也能告訴別人“發生了什么”,在國防,民生,應急救援等領域發揮了巨大的作用。除此之外北斗短報文還可以運用到地質監測中,在各個監測點布局好之后通過短報文直接向中心系統傳遞變化資料,經過計算后及時應對突發自然災害。另外,具有北斗短報文模塊的終端設備,還可以在遠程語音指揮調度,海上和空中接觸,邊境巡邏,單兵對講,反恐安全,抗險救災,保密通信,野外作業,野外探險等中使用,可以也可應用于有線和無線保密呼叫。

              1.5.4銣原子鐘

              就技術角度而言,影響衛星定位系統效能的因素,首先是星上原子鐘的準確度。原子鐘,是一種計時裝置,精度可以達到每2000萬年才誤差1秒,它最初本是由物理學家創造出來用于探索宇宙本質的,現在銫原子鐘、氫微波激射器和銣原子鐘,都已成功的應用于太空、衛星以及地面控制。銣原子鐘是中科院武漢物理與數學研究所研制的一款高精度、高可靠性同步時鐘產品,授時精度達到百億分之三秒,已經用于北斗三號,可提供分米級定位。衛星定位系統的核心技術之一就是授時精度,目前精度最高的就是銣原子鐘。星載銣原子鐘需要做到體積小、功耗低,同時還要具備極高的可靠性,研發難度非常高,早期的銣原子鐘有1人多高,現在的最新版銣原子鐘只有鞋盒大小,未來還會進一步提升性能,減小體積。

              截至目前,中國科學院武漢物理與數學研究所已經有45臺銣原子鐘隨北斗衛星上天,另外有6臺用于其他衛星。



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