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北斗卫星有多少颗

栏目分类:   发布日期:2018-04-19   浏览次数:
北斗卫星有多少颗?GPS卫星有多少颗?为什么数量不同?第一、二两个问题很好回答,想必很多专业人士早就知道答案,北斗有,中人教仪厂分享资讯

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解答五

要这个问题首先需要先科普下GNSS定位原理:

简单的来说,就是拿电磁波当尺子用,测量到卫星之间的距离,然后以卫星为球心距离为半径作球,多个球交汇处即唯一确定一个点。

由几何知识我们知道,要唯一确定一个点的三维坐标需要有三组到已知点的距离。卫星本身可由地面测控站测定轨道,其位置是可以很容易由其广播的电文推算的,可视为已知点。现在来看距离,基本公式就是距离=时间差 * 波速,其中波速在真空中就是光速。但问题在于,计算精确的时间差需要终端和卫星的时钟同步,这在只发不收信号的GPS系统中是很难做到的(参考计算机网络对时原理,需要server回应)。为此,需要再额外引入一组方程,以联合解算出时间差。

至此我们知道无源系统定点需要同时接收3+1颗卫星的信号。

由此得到卫星星座设计的基本原则:

在地球上任意位置、任意时间都要能同时看见4颗以上卫星。

在地球上任意位置、任意时间都要能同时看见4颗以上卫星。

在地球上任意位置、任意时间都要能同时看见4颗以上卫星。

轨道高,信号差、飞得慢、误差大,但是单星覆盖广、寿命长、所需卫星少。

轨道低,信号好、飞得快、误差小,但是单星覆盖小、寿命短、所需卫星多。

就看你在4星可见的设计总原则的基础上如何去平衡了。最终的目的是要信号好、误差小、寿命长、成本低(感觉像是悖论是不是?)

32还是24星都是权衡的结果,GNSS是个集成系统,每个国家各工业发展的不均衡性造成输入的参数不一样,星座设计必然就会不同。

 

解答六

北斗系统和GPS定位方式和原理上一脉相承。GPS由美国设计于70年代而成形于90年代,而北斗系统(正式的北斗系统为北斗二代)启动于2004年,实际上是对GPS的一个模仿。

那么可以说,北斗和GPS基本相同,功能上都是为用户提供位置/时间信息:用户持有一台导航仪,通过接收GPS/北斗卫星信号,分析出用户的位置。顺便说下北斗二代是无源定位,即知识导航仪接收卫星信号而不向卫星发射信号,所以没有短信功能。

在具体实现这个功能时,两个系统在很多方面都是不一样的,比如其他几位提到的信号频点,卫星星座,坐标系等等。然而既然这两个系统都是以为用户提供位置为目的,那么核心的差别应该是两个系统在定位精度上的差别。那么其它的不同,有些是基本上无关紧要的(比如采用不同的时间/空间坐标系,本质上只是一种约定俗成),还有一些主要反映在对定位精度的影响上。

定位精度当然是需求越高越好。那么新发展出来的北斗在与GPS相比时的区别主要在于 1)GPS里一些由于各种原因我们模仿不了的东西,导致定位精度下降。 2) 北斗设计上的一些创新和改进。

要往下说道具体的实质内容之前,得首先大概说一下定位的原理及定位误差的来源。如果你都了解的话可以跳过下面这段内容。

定位的基本原理是通过卫星位置和用户到卫星的距离来推算用户的位置。

 

看上面(b)图。如果已知卫星1的位置和用户到卫星1的距离,就可以知道用户一定在蓝色的球上的某一点。当然由此信息不能确定是在哪一点上,因此还需要知道卫星2的位置和用户到卫星2的距离,由此知道用户一定同时也在紫色的球上的某一点,连同卫星1的信息,就知道用户在两个球相交的圆上面的某一点。然而此时仍不能确定用户具体是在圆上的哪一点,因此需要知道第三课卫星(图c)的信息。由此,三颗卫星可以确定出用户的唯一的位置。 ==卫星位置。卫星位置引入第一个误差,即对卫星位置的测量不可能是完全精准的,卫星位置的偏差会导致最终定位精度的偏差。

==用户到卫星的距离。这个距离当然不能用尺子量,那么给出这个距离的办法是从卫星发射电磁波,以光速传递到接收机,然后通过 d = C * (t2 - t1)来求这个距离,其中t1是卫星发射电磁波的时间,t2是用户接收电磁波的时间。这两个时间要求非常的精确,因为光速C = 3后面八个零,意味着如果时间t1或t2偏差了0.00000001(8个零)秒的话,这个距离d就会偏差3米。

- t1是由卫星上的原子钟来测量的,因此引入第二个误差,即卫星原子钟精度导致的误差。

- t2是由用户接收机上的钟来测量的,这个钟的误差更大(因为原子钟造价高,不能放接收机上),因此索性就认为t2是个未知数,通过在多引入一个方程(即引入第四颗卫星)来解这个未知数。

第三个误差,由卫星的分布造成的误差。需要一些推导,不详细说了,结论就是:上面讲了四颗卫星可以定位,那么定位精度和这四颗星在空中的分布有关系,如果四颗星相互距离较远(比如一颗在天顶,另外三颗在地平线,并且分别在12点,4点和8点钟方向),那么定位精度更高一些,如果四颗星都聚在一起(比如都在天顶附近),定位精度会降低一些。

下面就上面第一二三个误差来说北斗GPS的差别。

- 卫星位置引入的误差。要用卫星给地面的用户测量位置,首先要有地面上的监测站来测量卫星的位置。检测站的位置是已知的,那么通过上面类似的原理,可以测量卫星的位置。可以想象,如果北斗的监测站全部都在中国境内,那么当一颗导航卫星运行到南美上空时,没有监测站可以直接观测到这颗卫星,因此就不能测量它的精确位置(只能通过牛顿定律什么的推出一个粗略的位置),会导致定位精度下降。GPS系统依托美国遍布全球的海外领土和军事基地,各种监测站随便建,不存在这个问题。

- 原子钟误差。貌似我们的原子钟技术落后一些,导致这个误差北斗略大一些。不懂行,不敢乱说。

- 卫星的几何分布。卫星网越密集,用户可用的卫星数目就越多,因此能达到更好的卫星几何分布,从而达到更高的定位精度。这点上北斗在一定程度上是有优势的。

GPS设计有24颗卫星,分布大概如下图所示,这种星座设计的目标是保证全球任何地点,任意时刻,有至少四颗可见卫星。当然这四颗卫星的分布不一定很好。

 

北斗的卫星星座构成稍微复杂点。首先有27颗星是类似于GPS的24颗星的,轨道稍有差别,目的是提供全球覆盖;此外还有8颗地球同步卫星,其中5颗同步静止在赤道上空,3颗斜同步卫星(斜同步即卫星维持在同一经度上空但并不一直固定在赤道上空)。它们并不是均匀分布在全球,而是都在中国及附近的区域。 这8颗卫星对于导航定位来说我看来大概有以下几个好处:

1. 增加中国及附近区域的卫星数目,使卫星网密度大。

2. 便于监测,由国境内的监测站即可测量他们的位置,因此卫星位置精度更高。

3. 便于搜索卫星。在导航接收机初始定位的时候,并不知道天上哪颗卫星是可见的,因此需要漫天搜星,以致延长初次定位所需时间。而北斗由于有同步卫星,则可以先搜索他们,实现更快的定位。另外,从2012年公布的导航电文来看,同步卫星播发的数据码率更快,因此可以进一步减少初次定位时间。

 

解答一

GLONASS(俄罗斯的全球定位系统)、GPS(美国)、 COMPASS(即北斗,中国)的一部分和Galileo(欧洲)的卫星都运行在地球中轨道(MEO),高度分别为19,100km、20,200km、21,500km

、23222km。别家需要全球覆盖的的卫星数目分别为24、24和27。先简单讲讲GPS。GPS需要24颗卫星只是最基本的数目。这个数目可以保证全球每个地方任何时刻至少能看见4颗卫星,通过4个方程可以解出空间三维坐标和时间四个变量。这24颗卫星分布在6个轨道面,每个轨道面有4颗卫星。 GPS系统的接收机都是采用无源定位方式(就是接收机不需要发送信号)。

 

好,下面开始讲为什么北斗要35颗:北斗的工作原理和和GPS一样,而轨道高度比GPS略高比Galileo略低,理论上24颗也能提供GPS一样的无源定位服务了——实际上北斗和伽利略一样用了27颗地球中轨道卫星,一个原因是因为他们的轨道高一些,需要略多数目保证卫星离接收机不太远,另一个主要原因是这些卫星的轨道同GPS不同,只有3个轨道面,每个轨道面9颗,轨道面之间为相隔120°均匀分布。这种分布方式是北斗需要比GPS多3个卫星的原因。慢着——没完呢,北斗不是35颗吗,还有8颗哪里去了?

 

这要涉及到卫星系统这样的庞大系统工程的周期问题,上述27颗卫星的发射是漫长的过程,即使是初步覆盖中国全境也需要20颗左右才能做到,从发射第一颗到最后一颗中间有可能会有10——20年的时间,而且先发射的使用寿命只有8年——27颗没有准备齐呢,老的卫星开始往下掉了,显然这种做法浪费太大了,在前十几年系统根本不能正常使用!如何让系统尽快工作呢?于是北斗发明了一个巧妙的想法——首先发射3颗倾斜同步轨道卫星,这些倾斜同步轨道卫星高度和地球同步卫星类似,绕地球一周也是24小时,但是轨道并不正好在赤道上,而是和地球赤道面有个夹角。这种卫星在地球固定一个位置看到的轨迹是这样的类似于日行线的形状,同经线平行的一个8字形(需要一点儿想象力才能理解)。这3颗卫星虽然不是完全同地面静止,但是大部分时候中国境内仍然能看到,所以对系统立即可用帮助很大——可是还差5颗呢?

 

这就要回到北斗系统本身来讲,北斗除了像GPS一样用无源接收机工作之外,还有两个独到的功能,就是用有源接收机(接收机主动发信号给卫星)和收发短报文(卫星短信)功能。最后还有5颗地球同步轨道卫星就是主要针对这两个功能都要求发上去的。当然,这5颗星也支持无源定位方式。下图就是地球同步轨道卫星的照片,可以看到卫星真的不动,周围的星星会在天空划出轨迹。

 

下图就是北斗目前的状态,以及未来最终的样子。再强调一遍:为了能尽早发挥作用,北斗系统实际上是(不太严格地)按照上述3(地球同步轨道)、2(地球倾斜轨道)、1(中轨道)的顺序发射部署的,甚至倾斜同步轨道卫星发了4颗。未来理论上来讲,只要27颗中地球轨道卫星就能完成全球定位功能的覆盖了,但是3和2两部分卫星主要覆盖中国及周边国家,对于提高国内的定位精度和提供特殊服务(比如卫星短信)有重要作用。

 

补充:事实上目前GPS正在运行的也不是24颗,而是有32颗卫星;而GLONASS实际上有29颗。多出来的星除了做备份,还可以增加系统精度,比如GPS可以保证绝大部分地方通常能看到至少9颗卫星,能明显提高定位精度。Galileo目前因为欧洲各国扯皮,进展缓慢,只放上去4颗(功能不全)的卫星,未来什么时候发挥作用还是猴年马月的事情。相比之下中国放上去四五颗卫星立即就能提供定位服务和特殊服务,加速技术向市场转化速度,这个思路还是非常值得称赞的。所以,中国人还是有创造力的!

不过话说回来,在北斗系统现在每套近万元的情况下,利用垄断的力量强制货运车辆安装这种流氓做法我个人表示鄙视。要学到的东西:技术需要尽早拿到市场上检验,不要像欧洲人那样追求完美,最好初期就能开始盈利,若有可能可以借助行政力量,但是未来还是要靠市场运作。

再上点儿花絮:谷歌地图上可以看到所有的卫星

 

这些卫星的名字:

 

解答二

许其凤教授的一次演讲的文字记录 许其凤教授,中国工程院院士,北斗卫星导航系统总工程师。

原文如下:

感谢大会给我这样一个机会,来宣传一下北斗。

为什么说这样话呢?这两年我接触一些业务圈以外的人士,包括用户。好像他们对整个北斗系统的了解不是特别多,或者说不是特别系统,存在了很多问题,所以我觉得宣传是一方面,建设也很重要,让客户以及更多的人了解北斗,这样才可以使用。

我主要向大家宣传卫星导航系统,也就是北斗系统。因为在座很多都是产业界的人士,我尽量联系一下产业方面的情况和思路。

我是学校工作的,通俗讲叫做“书呆子”这个跟产业不大沾边,有讲的不到位的希望大家理解,同时也请批评。

产业的发展是成败的标志,我指的是卫星导航系统。卫星导航系统成功在于广泛的应用,并且取得效益。这个效益不仅仅是芯片制造商的效益,也不仅仅是整机的提供商的效益,还有应用在铁路上,对铁路性能的提高产生什么样的效益,对大坝监测上以及水力发电有什么效益,我理解这个是有广义的。

另外就是相关产业的发展是广泛应用的标志,作为卫星导航系统,应用的方面很多。但是相关产业的发展,标志着广泛应用的程度如何。比如说卡片相机用的很多,这个说明数字摄影取得很大的应用。现在很多人提出这样的问题,当然可能不是会议的,会议的时候不提,现在 GPS已经占领了市场,北斗产业究竟怎么发展?说的更直接了当一点,不说我的身价性命,就是这点家当投进去保险吗?这样的问题我不能回答。我提供北斗的情况,请大家自己做结论。

关于GPS占领市场,北斗到底有没有出路的问题,使我想到彩电的问题。80年代是日本的彩电占领我们国家的市场,那个时候只要看彩电不是东芝就是夏普 的,到了90年代国产彩电占领了市场,短短的10年,我们靠什么夺回的市场?一个是相对优越的性能,我说的相对优越,不是整个系统的性能完全超过日本,是说在我们中国显示的更优越。

日本彩电因为日本发射台离的都比较近,接受机灵敏度不需要很高,信号强度够了。但是在80、90年代的时候,我们国家还不是数字电视,信号并不是很强, 距离也比较远,因此就出现一个信号。日本的彩电有雪花,我们国产的彩电没有。优越不优越?优越,老百姓就认这个,其实这个就是局部的优越,就是灵敏度提高 了。

所以相对优越的性能是可以做到的,还有一个就是相对低廉的价格。彩电是做到了,我想我们的卫星导航产业应该也可以做到。另外是方便快捷的服务,因为我们的生产商、销售商就在本地,因此你只要出了问题,你打电话就会有人来维修。靠着这三条,十年的时间我们把日本的彩电市场赶走,我们把彩电市场夺回来了。

卫星导航系统的性能,是性能相对优越的基础,我们说性能要优越包括两个方面,一个是我的接收机、我的用户系统,我的整个系统性能好,还有一方面就是产业界有自主权的,就是心里有数的,但是没有数的就是整体的性能如何。

关于北斗卫星导航系统怎么样,有人说不错,又是我们国产的、自主知识产权、双赢等等一大堆,如果有人对我这么说我是不信的,你光给出这样的结论和标题我信不过,就是得拿出具体的东西,我自己会判断,就是究竟有没有优势,我试图在这方面做点尝试,因此我的报告没有结论,我只介绍情况。

在座的专业可能差距比较大,我简单把卫星导航系统说一遍,卫星导航系统是由一定数量分布的卫星,包括卫星的高度、卫星的倾角、卫星的轨道组成的空间部分,这个叫做卫星星座,比如GPS是由24颗组成的,叫做中轨卫星MEO。还有一部分是地面监测站不断观测所有的卫星,对所有卫星计算轨道,计算钟差。

通过注入站将轨道、钟差参数注入到卫星,用户接收机利用卫星发播的测距信号测距,依靠卫星的位置,用测量的距离解算自身的位置。如果简单点就是这三点。

避短扬长的北斗星座设计,一般都是扬长避短,为什么是避短扬长呢?这个是故意的,合适不合适大家来判断。首先说发展的瓶颈,我这里侧重讲不利条件,这个也是和大家习惯不是很一致,首先强调我们有多少有利条件,然后再想有什么不利条件。作为我的观点来讲,不利条件更重要。

因为你漏掉一个有利的条件,后果很可能是没能锦上添花的。如果你漏掉一个不利的条件,后果可能是颠覆性的。作为发展卫星导航,因为我们是后发展的,在我们前面有GPS,我们完全可以发展GPS发展我们国家自己的系统,我们也学习,但是不能完全照搬。全面照搬是最简单的问题,也是最省事的问题。但是我们学习GPS还是遇到一些问题,这个是很难在全球布设监测站,我们说高精度定轨需要卫星全弧段的监测。比如我就测一小段,这个圆画不准的。

有一个实际的数据,卫星位置的误差,左边是有监测数据的,右边是没有监测数据,完全靠外推的,我观测一小段推一段,这个位置误差会很大,一旦没有监测数据,误差会急剧增加。

对于绕地球的GPS卫星是中轨道卫星,东西旋转。对于这样监测站要全球分布,这一点美国可以做,我们做起来有困难。我们很难做到全球分布。

第二个问题就是星载原子钟相对滞后,依靠卫星的位置,通过测距来解算定位,测距怎么测?就是依靠信号传播的距离,距离=传播时间×光速,如果数字错一点,那个误差就大多了。所以对于星上的钟,所有的信号都是根据钟来发播的,那就要求很稳定的度星载原子钟,那就是10的13次方,大约就是百万年差一秒。

我们国家星载原子钟发展相对滞后,我们也都从美国、欧洲进口很高精度的原子钟,他们知道我们要搞卫星导航系统,结果就禁运了,一台也不卖给我们。像这样的两个问题,我说可以算是两个瓶颈问题,这样的问题很难在短时间解决。全球布站,我们很难短时间内发展,这个确实有一定困难。

我们是想试图从星座设计来寻求绕过瓶颈的办法,当然试图的途径很多,都曾经进行过探视,但是这条路我们走通了。

提到星座设计我们首先有三种卫星轨道,这是全球的图。一种是中轨卫星轨道MEO,高度是两万千米,像GPS,计划钟伽利略都是这样的高度,绕着全球转。

还有一种轨道是同步卫星轨道,这个是3万6千千米,就是要在赤道面上,同时要维持这个高度。同步卫星就是跟着地球一起转的高度,只有在这个高度才能跟地球自转一致起来,从地球上来看就是不动的。

还有倾斜轨道的同步卫星IGSO,这个高度同GEO一样,只不过不在赤道上,GEO是在赤道上,倾斜的角度我们采用是55度,在地面上观察轨道是像“八 字型的”的轨道,从地面上观察来讲是有不同的特点。MEO是从东到西绕着全球转,GEO卫星是始终不动的,在我们国家上空发一个GEO,我们随时随地都可 以看到的。IGSO卫星是南北转,而且有一定的弧度范围。

我们说如果选择MEO或者IGSO轨道,如果可能绕过前面讲的两个瓶颈。因为这两个卫星不是东西跑,是南北跑,这个总跑不出我们国家,会离开我们国家的 境内,但是不远,我们可以看得见,就是可以监测的到。这样我们就增加了跟踪弧段,IGSO和GEO我可以跟踪,如果和GPS一样的MEO,我们观测的弧段 那只占全弧段的40%,那个精度就差了。

在国内设站的情况下,可以实现对GEO和IGSO的全弧度监测,这样就解决了我们没有办法在全球布站的问题,这样降低了星载原子钟的要求,要想取得准确 的时间,我可以表好,比如说是欧米茄,我也可以天天和中央人民广播电视台对表,一个是表好,一个是勤对,如果不能勤对,那就是表好。但是如果GEO和 IGSO我随时可以看得见,我随时都可以对表,因此在国内设站的条件下,可以实现勤对表。这样降低了对星载原子钟的技术要求,给我们国家发展高精度原子钟 争取了时间,不是不发展,我们还是要发展。但是想立刻拿出来,这个拿不出来。这个不像包饺子,这个需要一个国家,有时候需要十年,甚至更长。国外比我们时 间还要长,我们必须要一个发展的时间。

我们既然避开了两个发展的瓶颈,我们还要充分发挥GEO和IGSO的利用率高的特点,我们不是搞全球系统,而是一个区域系统,我们一会可以看到这个区域系统究竟有多大。

对于区域系统来讲,我们说这两种卫星的利用率是可以达到80%以上的,对于MEO我们国家的区域系统来讲40%,差了一倍。利用率高就意味着我们可以用比较少的卫星来达到同样的效能,这个是划算的,投入性能比也比较好。

在具体设计当中,经过了很多的探测,五个GEO和五个IGSO也就是十个卫星取得了满意的效果,对于覆盖区域大体上也接近地球的三分之一。

作为北斗二号,第一期就是区域系统,第二期就是全球系统。第一期星座就是5GEO+5IGSO。在赤道上分布了五个红点,就是地球同步卫星,同时在蓝色的地方是IGSO卫星,红色是不动,蓝色是沿着轨道运动。

如果说按照测距误差是两米的话,我们可以达到,甚至更高一点,我们估计一下这个系统究竟怎么样?我们给了一个图,这里分成几种颜色,绿色、蓝色、红色, 绿色里面是由数字组成的。如果是6,这个就表示24小时之内最大的标准差是6米。蓝色的6,这个就不是6米了,是定位精度16米,红色6是26米。我们最 关心的是橙色的,为什么最关心这个呢?这里有很多的蓝色的符号,都是美军在我们国家周边的军事基地,美军军事基地放在这里我们不关心行吗?不关心我们很可 能会得到和伊拉克、利比亚、科索沃一样的结局。所以把最关心的放在这里,我们基本上6米到7米的样子,我们精度GPS也是一样。

刚才我们还讲了,采用这种卫星是利用率非常高,充分利用了利用率高的特点,其实这不是最早的方案,最早的方案是采用地球同步卫星和美国GPS一样大MEO卫星,这个方案已经上报给***,而且得到了首肯。

4GEO+12MEO效果是一样,我们最关心就是北半球,也就是说用16颗卫星还赶不上10颗卫星的性能好,就是我们重新发挥了IGSO和GEO利用率高的特点。总结起来就是前面的避短扬长,避开我们的瓶颈,扬长高利用率。

区域系统有区域系统的优势,系统级的广域差分,这个是美国人为了降低民用精度搞的SA,这个就是人为加入轨道误差和钟差误差,就是从30米降低到100 米,美国民用最开始测试是30米,结果达到的是20多米。但是美国军方认为这个不行,因为民用美国人可以用,那世界其他军方也可以用,那就是降低到100 米,当时为了解决这个问题,其实也是美国先提出来的,就是差分。最后发现比较好就是广域差分,广域差分原理很简单,就是布测一些参考站,这些站我是精确知 道的,我也是利用GPS定位,利用你不对我来反求出来卫星轨道偏了多少。为了做到这一点,需要建立差分参考站,像我们国家需要20来个。

另外需要计算中心,还要通过注入站向地球同步卫星发射,把数据发射给卫星,地球同步卫星再告诉用户,这个同步卫星是GPS以外的。参考站观测卫星,通过注入同步卫星向用户发播修正参数,精度从100m提高至5m左右。

广域差分有一个特点,就是区域的,不是全球的,我的用户在监测站范围之内用这个东西,另外是用户级的系统,GPS系统已经建成了,如果要增强,就是进差 分站搞注入中心,再发同步卫星,但是发播的信号是一样的,所以不是原来的系统级,是一个用户级的系统。它的功能是可以提高轨道和钟差的精度。

它只能提供参 考站内的用户,站外就不灵。你是靠站来监测卫星,求出修正值,我们说MEO卫星是东西转的,如果转到东边,你东边用户可以看到这个卫星,但是你监测站测不 到这颗卫星,因此就没有修正值,用起来就不太好用,用户跑到美国在我们这毫无办法。

美国人像欧洲搞的系统都是这样,要建立广域差分系统,需要建立参考站、计算中心、注入站、同步卫星,我们计算中心有了、导航系统本身有计算中心,导航系 统本身有注入站,导航系统本身就有五颗地球同步卫星,因此我们就建立一个系统级的广域差分的系统,就在建北斗系统的时候,就把广域差分系统融在里面。一般 叫做二级监测站,指的就是这个。

应该说这是我们建成的第一个系统级的广域差分系统,显然这个投资要少的多,性能也会好的多。同时不仅仅是对一个系统,只对北斗进行广域差分服务,因为同 步卫星多,因此在信号编排格式的时候,既可以为北斗发播差分信息,也可以为GPS,同样也可以为伽利略发播差分信息,就是有可能能够为三个系统服务的广域 差分系统。

同时可以为北斗全覆盖区提供差分服务,就是我们覆盖区是比我们国土要大的多的区域,按照一般的广域差分你必须在国土内。不管用户在最东边还是在西边,你 看到的卫星就是十颗IGSO和GEO,这十颗在国内监测站随时随地都可以监测,我可以为广大的区域提供广域差分服务,这个是以前的广域差分系统所没能做到 的,当然只限北斗,对GPS不灵,对伽利略也不灵,也就是监测站的范围之内,对北斗可以更广泛一些。

另外在建设阶段可以规避一些风险,最主要的技术风险就是轨道开始的时候可能测不准,我们的钟差也可能测不准,广域可以进行很好的修正,可以规避一时达不 到设计指标所带来的影响,达到很好的结果。正像我们前面讲的,在GPS做广域差分的时候,我们可以从100 米提高到5米,我们开始做也不至于差到这个程度,从某种意义上讲,这个是很主要的规避风险的的措施。

我们讲到北斗的情况,尽管是很简略的,我们可以把北斗的特点综合的讲的叙述一下。实际上卫星导航系统是很复杂的系统,有很多方方面面的问题。

第一个是绕过发展阶段技术瓶颈,充分利用区域的有利条件。

第二个是性能投入比比较高的系统。

第三个是具有系统级广域差分的系统,覆盖最大的差分导航系统。

另外能够规避主要的技术风险,具有位置报告的功能。位置报告北斗1号就具备,北斗2号继续使用下来。位置报告就是搞GPS,如果一个车出去了,我可以知 道我现在在哪?但是我家里不知道,要想让我家里知道,那就需要通讯设备。但是作为一个系统本身,就具备这样的功能,这个是很重要的。

如果说我需要位置报告,需要把我的位置报告给指挥部,比如我渔船出海了,我需要把位置随时报告给指挥部,如果有台风指挥部会随时告诉我,这个就很重要 了。手机系统到海上都不灵了,因为没有基站,卫星系统可以,可以通过卫星系统。但是卫星设备有多大呢?GPS用户机手掌这么大,GPS辅助设备大很多,我 说的是卫星通讯设备,而不是手机。如果没有基站怎么办?还有就是很重要的备份手段。

比如说汶川地震的时候,很多通讯手段不灵了,所以中央不知道汶川震到什么程度,灾情怎么样,多大范围都不知道。最早把消息传出来的是我们抢险部队带的北斗接收机,相当于短信发播出来的,这个是最早得到的消息。当然也有遗憾,这种消息报了几天就没有了,因为没电了。当然北斗1号耗电量比较大,这个也是不足 的地方,这个也是具有优势的地方。

北斗是第一个实现三频发播的卫星导航系统,美国人GPS现代化要增加一个频率,为什么发播这个频率,因为民用用处很大,只有一个频率,消除不了电频层。 当然第三频还有一个作用就是搜索。尽管美国人第一个提出来的,但是很可能我们是第一个实现的。美国人这么早提出来,为什么实现不了呢?这里我猜可有点原 因,因为美国系统已经发上去了,坏一个发一个三频卫星上去,要全坏了,那得坏30个。那仓库存了十几、二十个卫星,那些存的卫星不是第三代的,不是现代化 的,因此从经济上考虑,现在把库存放上去,开始达到寿命期的卫星补发还不是现代化的,这样看来可能还需要一段时间,但是我们现在就是三频发射。

刚才说了优势的地方,也有不足的地方。一个是GEO卫星工作期间有断点,按照规定GEO需要轨道微调,因为天上只有一个赤道,高度是三万六千公尺,所有 通讯卫星都挤在圆弧上,所以国际电联有规定,每个卫星有一个规定,你向左、右不能偏出一度,卫星一偏0.1 度,就马上调整回来。这是按照规定要做的,这个不是我们的事,我们只是遵守。但是有一段时间会影响到定轨精度,我们能够达到卫星导航的系统,需要两天到三 天的观测数据,但是只要进行轨道微调,这个从现在开始就不是原来的轨道,而是新的轨道。对于新的轨道必须观测两天到三天的数据,你才能订出比较准确的有满 足条件。那这三天你卫星怎么办?这卫星不能用了,这就是一个问题。

对于这个问题,现在的办法就是快速定轨,就是精度差这么一点,但是我也能用,而且这个工作还再继续进行,我们争取更短的时间,使得工作的断点尽量缩短。 我们通过系统级广域差分,新轨道广域差分不需要很长的时间,很短时间就可以测出来,甚至几秒钟就可以测出来,这时候一旦发生轨道微调,我就可以用这套系统 及时发布修正值,这个需要更高的数据更新率,原来就不太适用,这个是可以解决的技术。

第二位置报告或者短信通信含有小功率的发射,这个比北斗1号压缩更短了,而且资源有限。我们在北斗1号宣传的时候讲,通讯可以进行短报文,用户真的发展 起来,你会发现不够用。那时候说是150万/小时次服务,但是我们时间每小时的数还除3600秒,就是每秒可以服务多少,这样的容量大家都用,都用就塞满 了,就服务不了。北斗2号同步卫星5个,另外在报文上可以做点文章。

还有一个问题,因为发射功率,就容易暴露。从军事来讲容易被对方侦查到,或者有被侦查到的可能。再有就是功耗体积都不容易下来,解决办法就是按需求分 配。并不是所有的用户都需要报告,并不是所有的用户都需要短信,你不必都拿这种接受器,也不必都生产这种接受器,而且我也不是每秒都来发报,或者每分钟都 报告,你汽车跑出去了,三五分钟报告一次足够了,有的甚至半小时都没有动。比如我指挥全球的系统,就没有必要几秒钟报告一次,这个也是按需求分配。另外合 理的控制和利用资源,这个资源是有限的,就是怎么样合理的控制。

比如普遍的短信不能发了,这个不是笑话,真有这种事。还有局部地区功率增强逊于GPS,我在天津地区的信号可以增强,GPS可以增强30分贝,我们只可以增强15分贝的样子,我们抗干扰能力不如GPS,这个等待二期工程的改进。

还有就是一些技术细节和衔接的问题,作为一个复杂系统,需要发现和改进的磨合期,请大家耐心一点,不是系统发在天上就达到系统指标,对于复杂的系统不大 容易做到这一点。我们的技术指标是按照美国GPS差不多的指标来定的,但是美国人从发射卫星开始,到达到所谓的技术指标,是发展二三十年,一开始就没有这 个精度,也没有这个性能,所以对于各级领导和级别用户要有耐心。

当然也有性急的同行,去年我就听到这样的报告,就是北斗和GPS放在一起比,北斗不如GPS,这个话不是这么说的。我说你做实验的时候,北斗做实验的时 候有几颗,他说有5颗,如果用GPS相比,你用GPS12颗卫星和北斗5颗比,这个怎么对比?这个就是年轻同志太性急,如果对比我建议放在见面,这种实验做的很有意义,但是不能用来对比,而是证明北斗系统可以工作的,至于精度以后再说。

也就是说北斗系统不会像GPS这么成熟,也就需要一定的磨合期。我认为优势的地方和不足的地方都如实报告给大家。

我们2020年要搞全球系统,北斗2号的二期工程,我们区域增强的全球系统,全球都可以导航,就是在我所关心的区域的精度最好、性能最好超出其他地区。 因为军用、民用都是我国在内的较大的区域性,我们增强就是把类似于GPS的系统,比如27颗MEO全球转的卫星,又把IGSO和GEO加起来了,这样就是 两个区域星座的叠加,这个性能要好多了。

比如说GPS卫星27颗我可以全都看到,再叠加这8颗卫星我就可以看到35颗卫星。

星际链路示意,我们卫星对卫星进行测距,这样就构成一个高精度的多面体,我监测站观测可以看的见的卫星,中心站对诸卫星进行定轨,这就是一种方式。

还有就是对卫星地面的标靶,主卫星对诸卫星定轨,计算各个卫星的轨道再发给各个卫星,这个解决了跟踪比地面站跟踪更高,因为天空卫星对卫星的观测没有大气的影响,而且频率更高,也可以很稳定的工作,这个就意味着分辨率增高了。

这两种模式究竟采用哪种,现在都在讨论当中。这个首先是美国人提出来的,到现在恐怕提出来快30年了,他是叫做卫星自主定轨,就是卫星自己就把轨道定 了。但是到现在为止,从提出来看已经30年了,没见它有像样的成果公布。测距很容易实现,但是跟地面建立不起联系,从坐标系统的定义来讲,你只进行测距是 相视性,就是可以转和跑,但是跟地面没有联系,从轨道来讲,没有定向。作为这么远卫星,两万多公里,卫星跟卫星之间的距离超过这个数,定向是非常困难的, 精度是千分之几秒,这样理论上可以做到,太空望远镜可以做到,但是如果每各卫星都装太空望远镜,这个成本和工艺都带来相当大的问题。美国人说,我们理论上 是可以做到自主定轨,但是代价比较大。

我们不是为了自主定轨,我们要解决的是不能全球布站的问题,我们把问题简化了,指标落地了。为什么不提自主定轨呢,现在很多人还在提我们是自主定轨,其实也不完全是,还是靠地面站。

美国的出发点是什么,我一旦地面站遭到对方攻击,我可以自主定轨,不影响导航。首先中国把卫星打掉了,美国俄罗斯都打,至少这三个国家都具备摧毁卫星的 能力,在这种情况下,如果把你卫星摧毁了,还搞什么自主定轨,所以情况变了,观点也要变,当然这是我个人的看法。

十年来我们原子钟取得快速发展,届时渴望取得突破,预计2020年实现。

最后一个问题是北斗与相关产业,标题列出来了,我发现我没有能力把问题讲下去,因为需要又懂得北斗系统,知道技术很清楚,又对产业很熟悉,又对用户很熟悉,这个是要挂两头的,上挂系统,下挂用户。

有些想法提供给客户,与其他系统相比,北斗的区域在于优势,不是全局的优势,而是区域的优势。就像解放战争的时候,国军兵力200万,共军30万,就全 局来讲国军是有优势,但是在局部来讲,共军聚集大量人群,这样可以取得局部优势。我们说北斗的优势,目前来看就是在这里,我并不是全面比GPS怎么样,而 是我在关键区域和GPS相差不多,甚至还比他强。

北斗比较安全,举一个例子,我们现在的通讯系统,不管GSM还是CDMA都需要时间同步和频率校准,都用的GPS,有一些在河南省某地区,两三天手机全 不灵了,就是因为有一个研究所做了一个时间,把GPS干扰了,所以时间同步都不行了,因此系统就不干活了,事后发现是时间同步问题。如果美国人搞一点小猫 腻的话,那就不是两三天问题,也不是局部地区的问题。

另外我们具备开发双系统应用的有利条件,双系统就是我的模片既可以做GPS又可以做北斗,并不是做双系统。去年有一个学者说,做双系统是北斗“傍大款” 这个问题不能这么说,双系统应用最早是美国人先搞的,那个是GPS和另一个系统双应用,双系统一方面是一个系统出问题,一个做补充,两个系统同时用会有提 高,性能会提高很多。用户不关心精度是7.8米还是8.7米,还是很关心在北京用很好,但是在天津为什么不行。这种问题就可以大大缓解,我们做过实验,作 为GPS高度角大于35度的卫星,需要四颗卫星才能定位,所以在城市经常出现这个问题,对于打仗复杂地形也容易出现。这个就不是三颗多,而是变成七颗,这 个问题就可以大大缓解。

主要看性能提高上,实际上GLONASS一开始是在1990年,20年前就已经有了双系统,所以说“傍大款”我是不同意的,不知道年轻同志对于Ashtech开发双系统怎么看,我估计那个时候他还太小。

应用双系统比任何一个单系统更具有优势,不单纯的是补缺。国内有目前唯一的广域差分,当时国内广域差分没有健全,GLONASS根本没有,我们可以对GPS和伽利略都可以进行差分。对于产业来讲,我希望要充分利用系统的优势,来创造优势的产业,谢谢大家!

 

解答三

首先,轨道越高,所需卫星总数越少,因为每个卫星覆盖的面积更大。原答案中"需要略多数目保证卫星离接收机不太远"是完全错误的。北斗和 Galileo 会适当增大卫星发射功率以保证地面接收到信号的信噪比,而不是增加卫星数。

其次,GPS 六个轨面,并不一定比北斗和 Galileo 的三轨面设计更优。事实上,四大 GNSS 系统,只有 GPS 用了六轨面,其他三个系统都采用了三轨面。下面这篇论文详细说了为什么 Galileo 选择了三轨面。

Article Abstract

最后,我来简单回答一下为何北斗卫星导航系统需要 35 颗卫星才能覆盖全球,而 GPS 只要 24 颗就够了。关键在于如何定义"够"。

在设计 GPS 的时候,"够"的定义是保证地球上任何地点任何时间都可以定位——能看到至少 4 颗卫星。按照这个要求,在六轨面和轨道高度 20,200km 的前提下,只要 21 颗卫星就够了。所以,GPS 选择了 21 工作卫星 + 3 备份卫星的基础星座。同时代的 GLONASS 的设计是三轨面 21 工作卫星 + 3 备份卫星,同样可以保证全球任何时间都能看到至少 4 颗卫星。

在实际运行中(1990 年到现在),GPS 卫星数总是多于 24 颗,很多时候有 32 颗在天上,超过 30 颗可用。这样,地球上很多地方都能看到 8 颗以上卫星(开阔地、无遮挡)。人们发现多出来的卫星可以提高 Geometric Dilution of Precision (GDOP) 进而提高准确度(accuracy),并且可以通过 RAIM (Receiver autonomous integrity monitoring) 提高完好度(integrity)。RAIM 需要至少 6 颗卫星才能有较好的性能。

所以,在设计北斗和 Galileo 时,"够"就不仅仅是任何地点任何时间都可以定位,而是要提供尽可能高的 RAIM 可用性(availability),所以 Galileo 和北斗 MEO 都使用了 27 工作卫星 + 3 备份卫星的星座设计。北斗额外加了 5 颗 GSO 卫星提高亚太地区的性能。

总结:GPS 24 颗卫星只能保证基本的定位,北斗 30 颗(或 35 颗)保证了更准确、更可靠的定位。

 

解答四

第一代北斗卫星导航定位系统

一代的北斗属于区域性的有源导航定位系统,特点是投资小、建成快,只需要两颗地球同步卫星即可进行导航定位。在有源导航定位系统中,用户终端对两颗卫星发射信号,通过记录时间差和两颗卫星在空间的距离,地面中心站通过距离交会法求得用户的平面位置(注意是只有平面位置,没有海拔高程),地面中心站再通过卫星将计算结果告诉用户。以上就是有源导航定位系统的工作原理,我们不难发现这里面有三个很严重的问题:1、地面中心站承担了很大部分的任务,资源占用高,结果就是用户数量收到限制,无法推广开来;2、用户终端必须发射信号,这在战时很容易就会暴露位置,也很容易使系统失效(只要向卫星发送错误的信号即可);3、计算速度慢,而且进度不高。

第二代北斗卫星导航定位系统

二代的北斗基本就和GPS一样了,由于是用伪距绝对定位模型进行定位,所以自然不需要地面中心站进行计算,用户数量没有限制,于是便能推广开来。但二代北斗并没有抛弃有源导航定位的方法而是作为一种特殊功能保留了下来(一般的接收机不会有这种功能就是了),所以就看到了4*6颗中轨卫星+12/13颗倾斜轨道地球同步卫星+3——5颗地球静止卫星这样的空间卫星星座组成。

可能有人会问,为什么一开始要用有源导航定位系统这种精度不高实用意义不强的技术?答案其实是为了占坑,但不是占空间位置的坑,而是占无线电频率坑。实际上所有全球导航定位系统都是使用L波段进行广播,而L波段中效果好的就只有有限的几个频率,谁先占用了就归谁。所以先用一代北斗占着坑,然后再慢慢发展。

实际上在这个信息化的时代是有必要发展自己的全球导航定位系统的,毕竟战时没有了导航定位相当于两眼瞎了,没开打就GG了,所以才会有欧盟的Galileo,俄罗斯的GLONASS,印度的IRNSS。

 

 

解答七

首先北斗卫星现在已经发射的卫星数量并没有比GPS的数量多,GPS的规划是24颗卫星全球覆盖,事实上GPS系统也在不断的进行更新换代,现在天上可用的GPS卫星数也是超过30颗的,而最近北斗系统成功发射了第27颗卫星,而题目中所说的北斗卫星数目比GPS数量多。

 

北斗卫星数量比GPS数量多,而北斗是区域性导航GPS是全球性导航?更多的可能是指北斗全球系统规划中是35颗卫星覆盖全球,GPS系统的规划是24颗卫星覆盖全球,而35颗的北斗卫星也是能够实现全球覆盖的,只是目前按照北斗系统的进度并没有实现全球覆盖的卫星发射。

 

北斗卫星数量比GPS数量多,而北斗是区域性导航GPS是全球性导航?北斗系统的发展规划是三步走,第一步是2003年左右实现北斗一号,也叫北斗双星系统的建设,主要解决我国卫星导航系统的有无问题,在这个过程中主要是由3颗卫星构成的,其中有一颗是备份星,如果双星中有一颗卫星发生故障的话可以与另一颗星依然组成双星定位系统。

 

北斗卫星数量比GPS数量多,而北斗是区域性导航GPS是全球性导航?第二步是2012年左右实现北斗二号,也叫北斗区域系统的建设,这个系统主要解决我国和周边地区的导航定位问题。第三步是2020年左右实现北斗全球系统的建设,也叫做北斗三号系统的建设,真正实现全球覆盖,而北斗全球系统中规划的卫星数目是35颗,包括5颗GEO卫星、27颗MEO卫星和3颗IGSO卫星。

 

北斗卫星数量比GPS数量多,而北斗是区域性导航GPS是全球性导航?另外,在北斗二号系统建设完成,到北斗三号系统开始组网建设之前,北斗系统发射了5颗试验星,对北斗三号的新体制等关键技术进行试验。

 

解答八

卫星排布方式不同。

GPS是有6条轨道面,每条轨道有4颗卫星,所以共24颗。

俄罗斯的GOLONASS与美国的GPS排布类似。

欧洲的伽利略系统,是3条轨道面,每条轨道9颗卫星,所以是27颗卫星。

我们的北斗脱胎于欧洲的伽利略系统,所以也是27颗卫星。

我国考虑到北斗网需要一定时间建立(原来认为是20年),在初期组网不完整时,可能无法使用。所以设置了3颗过渡时期的卫星,这样卫星数不够时也能先服务我国的区域,一共不到10颗我国国土范围就能有完整信号。这3颗过渡主要是用在斜向同步轨道上。

另外北斗不同于伽利略系统的是,增加一个地球同步轨道,这条轨道上设立了5颗卫星。北斗之所以要设这5颗卫星,则是因为增加了通讯功能,就是有应答机制。这样北斗能让不同目标间,相互通知对方自己的位置。

这个功能很重要,比如物流系统,很多货柜可能是被自动机械搬运,而操控人员在自己的车辆上巡检。那么如果系统都安装北斗芯片,操控人员可以方便知道各货柜都在哪里,都是怎么个运动轨迹。GPS做不到,只能知道自己车辆的位置。

最后27+3+5=35颗。

 
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