基于“北斗一号”的卫星定位与定时系统设计方案.pdf

基于“北斗一号”的卫星定位与定时 （国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心） 摘 要： “北斗一号”是我国第一代自主的卫星定位系统，可为分布在我国及周边地区的用户 提供定位、短消息通信及定时服务本文对“北斗一号”的组成、工作原理及性能进行简要 的介绍 1 引言 源于军事应用需求的卫星导航定位系统经过长期的发展， 其应用已深入到国民经济的各 个领域，创造了巨大的经济效益，日益成为与交通、能源、通信等并列的国家基础性产业， 是一个国家综合国力的重要体现 “北斗一号”卫星定位系统又名双星定位系统，是我国第 一代自主的卫星导航定位系统该系统于 80 年代中期开始预先研究，1995 年正式启动工程 研制2000 年 10 月和 12 月，两颗工作卫星先后发射成功，地面应用系统设备全部安装到 位，系统初步建成经过两年多的调试和试运行，系统于 2003 年 1 月 1 日正式投入使用 2003 年 5 月第三颗“北斗一号”导航定位卫星（备份星）发射成功，为系统更加可靠的运 行提供了保证 “北斗一号”系统的建成标志着我国成为继美(GPS)、俄(GLONASS)之后第 三个拥有独立的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国防和经济建设将起到积极作 用。

本文将介绍“北斗一号”系统的组成、定位和定时的工作原理、工作流程和性能，并与 GPS 系统进行比较 2 系统组成与功能 “北斗一号”系统是一种新型、全天候、区域性的卫星导航定位系统它由三颗地球同 步卫星（其中一颗为备份星） 、位于北京的地面中心站、分布全国的二十余个标校站和大量 用户机组成；各部分之间由出站链路（地面控制中心─卫星─用户机）和入站链路（用户机 ─卫星─地面控制中心）相连接，如图 1 所示两颗导航工作卫星和一颗备份卫星位于 36000km 赤道上空，分别定点于东经 80°、140°和 110.5°，星上带有转发器，用于转发 地面中心站出站信号和标校站、用户机的入站信号地面中心站接收入站信号，完成定位、 通信和定时信号的处理，发送导航电文，监视和控制整个系统的工作情况标校站为卫星精 密定轨、定位差分处理提供基准测量数据用户机同时具有收发功能，用于接收中心站通过 卫星转发来的信号和向中心站发送定位、通信或定时申请信号，不含定位解算处理器，设备 比较简单 “北斗一号”系统服务区由东经 70 度至东经 145 度，北纬 5 度到北纬 55 度，覆盖我国 和周边地区，包括战略敏感区域，诸如台海、南沙等区域。

系统在服务区内提供三项服务： （1） 定位（导航） ：快速确定用户所在点的地理位置，向用户及主管部门提供导航信 息在标校站覆盖区定位精度可达到 20 米，无标校站覆盖区定位精度优于 100 米 （2） 通信：用户与用户、用户与中心控制系统之间均可实现最多 120 个汉字的双向 简短数字报文通信，并可通过信关站与互联网、移动通信系统互通 （3） 授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值定时精 度可达 100ns（单向授时）和 20ns（双向授时） 上述三大功能在同一信道内完成 图 1 北斗一号系统组成 3 “北斗一号”定位、通信的原理与流程 3.1 定位原理定位原理 “北斗一号”采用三球交会测量原理进行定位（如图 2所示） ： 图 2 “北斗一号”的“三球交会”定位原理 （1） 分别以两颗同步卫星为球心，以卫星到用户接收天线距离为半径，构成两个球 面； （2） 两球面相交得一圆，该圆垂直于赤道平面； （3） 在地球不规则球面的基础上增加用户高程，获得一个“加大”的不规则球面； （4） 圆与不规则球面相交，得两个点，分别位于南北半球，取北半球的点即为用户 机的位置 地面中心站存有全国的地面数字高程库，上述定位解算在地面中心站完成。

3.2 定位流程定位流程 “北斗一号”采用集中式信号处理，定位、通信和双向定时都必须通过中心站进行，由 中心站判断用户请求的业务类型，并执行相应的操作定位的工作流程是： （1）中心站持续不断地以特定的频率发射具有超帧、分帧结构的伪码扩频的连续波信 号，此信号经两颗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 （2） 用户机接收出站信号， 以出站信号的某一帧时标为起始时刻向卫星发射入站信号， 卫星转发至中心站这一过程可视为将出站信号反射回中心站对非地面用户，入站信息中 同时包含用户机高程信息 （3）中心站测得信号往返时间，除于 2，扣除卫星到中心站这一已知时延，再经必要 的电离层修正、对流层修正和设备时延修正，即可求出卫星到用户机距离中心站同时解调 出用户高程信息，利用三球交会原理计算用户位置 （4）中心站将用户位置信息加密后加入出站广播电文中，通过卫星发送给用户 （5）用户接收出站信号，解调出定位信息 从以上流程可以知道， 用户机从发射定位申请到收到定位结果， 必须至少等待信号经用 户机－卫星－地面中心站－卫星－用户机所需的约 0.5 秒的传输延迟因此， “北斗一号” 用户机主要应用于中、低动态用户的定位。

同时，受系统容量限制，用户申请定位的频度最 高为 1 秒 1 次 3.3 通信流程通信流程 短消息通信是“北斗一号”的一大特色，可为用户机与用户机、用户机与地面中心站之 间提供每次最多 120 个汉字或 1680 比特的短消息通信服务 每个用户机都有唯一的一个 ID 号，并采用 1 户 1 密的加密方式，通信均需经过地面中心站转发其流程是： （1）短消息发送方首先将包含接收方 ID 号和通信内容的通信申请信号加密后通过卫 星转发入站； 地面中心站接收到通信申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文 中，经卫星广播给用户； 接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通信 与定位功能相似，短消息通信的传输时延约 0.5 秒，通信的最高频度也是 1 秒 1 次 4 北斗一号的定时功能 定时是指接收机通过某种方式获得本地时间与北斗标准时间的钟差， 然后调整本地时钟 使时差控制在一定的精度范围内精密定时在以通信、电力、控制等工业领域和国防领域有 着广泛和重要的应用 “北斗一号”为用户机提供两种定时方式：单向定时和双向定时单向定时的精度为 100ns，双向定时的精度为 20ns。

在单向定时模式下，用户机不需要与地面中心站进行交互， 只需接收导航电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步；双向定 时模式下，用户机与中心站进行交互，向中心站发射定时申请信号，由中心站来计算用户机 的时差， 再通过出站信号经卫星转发给用户， 用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对 齐 4.1 单向定时单向定时 单向定时的时序关系如图 3所示，北斗时间为中心控制站精确保持的标准北斗时间，用 户钟时间为用户钟的钟面时间，若两者不同步存在钟差 U tΔ，则北斗时间和用户钟时间虽然 读数相同均为，其出现时刻却是不同的单向定时就是用户机通过接收导航电文及相关 信息，由用户机自主计算出钟差并修正本地时间，使本地时间和北斗时间同步 BD t U tΔ 地面中心站在出站广播信号的每一超帧周期内的第一帧数据段发送标准北斗时间（天、 时、分信号与时间修正数据）和卫星的位置信息，同时把时标信息通过一种特殊的方式 调制在出站信号中，经过中心站到卫星的传输延迟 BD t up τ、卫星到用户机的延迟 down τ以及其它 各种延迟 other τ（如对流层、电离层、sagnac效应等）之后传送到用户机，也就是说用户机在 本地钟面时间为 BD t delay τ+观测到卫星时间为 BD t由图 3的关系可知： ， Uotherdownupdelay tΔ+++=ττττ 或 )( otherdownupdelayU tττττ++−=Δ (1) 式(1)中， delay τ由用户机测量接收信号和本地信号的时标之间的时延获得， up τ、 down τ和 other τ则根据导航电文中的卫星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先获取的自身位置信 息计算。

这样式(1)等式右边的所有量均已知，从而可以计算出本地时间与系统标准时间的 钟差 Δ up τ down τ other τ delay τ 图 3 北斗时间单向测量示意图 一般来说，对已知精密坐标的固定用户，观测 1 颗卫星，就可以实现精密的时间测量或 者同步若观测 2 颗卫星或者更多卫星，则提供了更多的观测量，提高了定时的稳健性 4.2 双向定时双向定时 双向定时的所有信息处理都在中心控制站进行，用户机只需把接收的时标信号返回即 可为了说明方便，我们给出了双向定时的简化模型，如图 4所示中心站系统在T0 时刻 发送时标信号ST0， 该时标信号经过延迟 1 τ后到达卫星， 经卫星转发器转发后经 2 τ到达定时 用户机，用户机对接收到的信号进行的处理也可看做信号转发，经 3 τ的播时延到达卫星， 卫星把接收的信号转发，经 4 传 τ的传播时延传送回中心站系统也即表示时间T0 的时标信号 ST0，最终在T0 + 1 τ+ 2 τ+ 3 τ+ 4 τ时重刻新回到中心站系统 中心站系统把接收时标信号的时 间与发射时刻相差，得到双向传播时延 1 τ+ 2 τ+ 3 τ+ 4 τ，除以 2 得到从中心站到用户机的单 向传播时延。

中心站把这个单向传播时延发送给用户机， 定时用户机接收到的时标信号及单 向传播时延计算出本地钟与中心控制系统时间的差值εΔ，修正本地钟，使之与中心控制系 统的时间同步 图 4 双向定时的简化工作原理 4.3 双向定时和单向定时的对比双向定时和单向定时的对比 （1）从双向定时和单向定时的原理介绍中可以看出，双向定时和单向定时的主要差别 在于从中心站系统到用户机传播时延的获取方式： 单向定时用系统广播的卫星位置信息按照 一定的计算模型由用户机自主计算单向传播时延，卫星位置误差、建模误差（对流层模型、 电离层模型等）都会影响该时延的估计精度，从而影响最终的定时精度；双向定时无需知道 用户机位置和卫星位置， 通过来回双向传播时间除以 2 的方式获取， 更精确的反映了各种延 迟信息，因此其估计精度较高在北斗系统中单向定时精度的系统设计值为 100ns，双向定 时为 20ns，实际定时用户机的性能通常优于该指标 （2）单向定时需要事先计算用户机的位置，若位置未知，则需先发送定位请求来获得 位置信息双向定时无需知道用户机的位置，所有处理都有中心站系统完成 （3）单向定时由于采用被动方式进行，不占用系统容量（位置信息未知时，需要一次 定位操作） 。

而双向定时是通过与中心站交互的方式来进行定时，因此会占用系统容量，受 到一定的限制 针对双向定时和单向定时的这些特点， 在实际使用中可以两者独立工作， 也可以组合工 作， 以发挥最佳的性能 也即在通常情况下用单向定时的方式来保持定时用户机和中心站系 统的时间同步， 在一个比较长的周期间隔进行一次双向定时， 以修正各个环节中可能引入的 偏差也就是用尽可能少的双向定时与单向定时配合使用，达到接近双向定时的精度 5 结束语 “北斗一号”卫星导航系统与 GPS 系统相比具有卫星数量少、投资小、用户设备处理 简单等优点，并能实现一定区域的导航定位、通讯、定时等多种用途，可满足当前我国陆、 海、空运输导航定位定时的需求缺点是不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二 维主动式定位，且需提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量 受一定限制 我国的“北斗二号”卫星导航系统已于 2004 年 8 月 31 日立项，将在 2008 年前后建成 “北斗二号”卫星导航系统将克服“北斗一号”系统存在的缺点，同时具备通信功能，其建 设目标是为我国及周边地区的我军民用户提供陆、海、空导航定位服务，为航天用户提供定 位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。

参考文献 1. “北斗一号”地面应用系统总。