大话卫星导航中的信号处理系列文章——北斗导航系统发展的介绍

大话卫星导航中的信号处理系列文章——北斗导航系统发展的介绍 北斗二代 北斗三代总结

) 北斗的发展步骤

北斗一代

在海湾战争之后，导航系统的建设也提上了日程，但我们的经验不足，无法像美国GPS那样一下子选用24颗到30颗卫星呢？只能先打上两颗卫星试试。这就是北斗一代双星定位系统。

2000年到2003年间，中国先后发射了三颗 北斗一号卫星，构成了以两颗卫星为主，一颗为备份的双星定位系统，即北斗一代定位系统。该系统的三颗卫星分布在赤道上空(GEO卫星)。其定位原理于当时GPS的定位原理也不一样，属于有源定位。

有源定位的原理

北斗双星采用有源定位体制，其基本定位原理为三球交汇原理：地面控制中心通过两颗地球静止轨道卫星向用户广播询问信号（出站信号），并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；然后根据中心存储的数字地图或用户自带测高仪测出来的高程算出用户到地心的距离，根据这三个距离就可以通过三球交汇测量原理确定用户位置，并通过出站信号将计算结果告之用户。

这里简单的解释一下：

1、中心站的坐标已知，卫星1的坐标已知，卫星2的坐标已知，则S1和S2的距离是已知的

2、中心站的出站信号经过卫星2广播到用户，用户即刻发回卫星1，卫星1又将信号发回中心站。这一来一回，中心站会记住收发时间查，从而可以解出 S1+R1的距离以及S2+R2的距离

3、S1和S2的距离是已知的； S1+R1的距离以及S2+R2的距离也知道了，那么R1和R2的距离也知道了，再加上地球的半径。就相当于三个球的半径都知道了。用户的位置就是这三个球的交汇出，就是一个点。

特点：1、用户定位结果是通过中心站计算出来然后发给用户，而不是用户自主计算出来的。用户接收机软件设计简单了，但用户却需要一个发射链路，增加了功放等，又增加了硬件射频的复杂度。

2、用户的高程是很难估计的，因此定位的误差比较大，是有100m的范围。

3、有源定位需要主动像中心站申请定位服务，容易暴露目标。

4、其实更像是一个通信系统，用户申请和中心站发送定位结果都是传递信息的过程，自然还可以传递一些其他信息。这也是我们北斗的特色之一，可以"发短信"。

北斗一代是解决了导航系统有无的问题，为下一代导航技术储备技术和经验。同时北斗一代这种可以“发短信”的通信功能一直保留了下来，一直到后面的北斗二代和北斗三代

北斗二代

北斗二号是区域导航系统，服务于中国上空的亚太地区，是中国的第二代卫星导航系统，“北斗卫星导航系统”英文简称BDS，曾用名一词。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与GPS相似。在计划中，整个系统将由16颗卫星组成，其中6颗是静止轨道卫星，在北斗卫星导航系统中，能使用无源时间测距技术为全球提供无线电卫星导航服务（RNSS），也同时也保留了试验系统中的有源时间测距技术，即提供无线电卫星测定服务（RDSS），但仅在亚太地区实现。

北斗二号的服务范围

无源定位的原理

当卫星导航系统使用无源时间测距技术时，用户接收至少4颗导航卫星发出的信号，根据时间信息可获得距离信息，根据三球交汇的原理，用户终端自行可以自行计算其空间位置。此即为GPS所使用的技术，北斗卫星导航系统也使用了此技术来实现全球的卫星定位。

由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

北斗三代

北斗三号全球卫星导航系统（简称：北斗三号系统），由24颗中圆地球轨道卫星、3颗地球静止轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星，共30颗卫星组成。北斗三号是北斗二号区域导航系统的再发展。北斗三号的信号体制考虑了与其他卫星导航信号(、GPS现代化信号体制)等的兼容互操作，定位精度更高。

总结

关于北斗系统的发展，这里粗略的介绍了一下。由于我比较专注于里面的技术细节，特别是接收的技术细节。因此后面着重从信号体制开始细讲，然后就是接收处理技术。

写于2021年11月9日