北斗卫星定位波束,北斗利用电磁波定位

作者:hacker | 分类:黑客大神 | 浏览:107 | 日期:2022年09月14日

1、北斗三号的新科技采用了哪些新技术？
2、北斗卫星通信盲区形成机理与视域方程的建立与服务
3、北斗定位是什么原理？
4、北斗卫星导航系统的原理
5、北斗卫星的定位原理是什么？有哪些难度呢？
6、北斗卫星导航仪的波束频率是多少

北斗三号的新科技采用了哪些新技术？

北斗三号北斗卫星定位波束的首批组网卫星(2颗)以“一箭双星”的发射方式顺利升空北斗卫星定位波束，它标志着北斗卫星定位波束我国开始正式建造“北斗”全球卫星导航系统。其中采用北斗卫星定位波束了原子钟、星间链路最新的技术。

原子钟——导航系统的心脏

我们都知道，选定一个公认的时刻起点，按照固定的时间间隔累计，这就定义了时间。但问题就在于，这个“固定的间隔”里的“固定”，在不同的时期，人们对它的要求是不一样的。

在1960年以前，人们采用地球自转的间隔作为形成时间的基础，这就是世界时，它满足了当时的需要。后来，人们发现，地球像是喜怒无常的孩子，其自转速度忽快忽慢。最后，一部分科学工作者们不得不抛弃这个并不“固定”的“固定间隔”，因为它只能达到10-7次方的精度，这对于科学研究和进步而言已经是很大的误差了。

这可给科学家出了个难题，既然不能“固定”到底该怎么办？最后，他们想到了一种折中（和稀泥）的办法。

既然对于时间的要求因人而异，那么，我们就创造一种兼有这两种优点的时间尺度好了，于是，一种新的时间尺度——协调世界时（UTC）出现了。

协调世界时的产生要注意两个方面：原子时的秒长和世界时的时刻。如此操作，协调世界时的秒长忠实地反映原子时的秒长，但规定协调世界时与世界时的时刻差保持在0.9秒以内。如果时刻差将要超过0.9秒，就在协调世界时中加上1秒或者减去1秒（即所谓“闰秒”），使用这种 *** 来缩小两者差距。

导航卫星的原子钟之所以被称为卫星的“心脏”，原因很简单。导航的目的在于定位，定位就需要距离，距离就需要用电磁波的传递时间乘以传递速度。

传递时间的精度把握越高，意味着定位精度越高。每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。卫星导航系统的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号，然后计算出在地球上的位置，误差仅为100m左右。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较，通过二者之差计算出远离卫星的距离(真空光速定义值：c0=299792458m/s，假如卫星发射时间比接收时间晚千分之一秒，那么接受装置离卫星的距离就为299337.984m)。

通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间，接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。由此可见，提高其原子钟的精度对卫星导航质量有不可或缺的作用。

北斗三号已经搭载了国内更先进的新一代铷原子钟，北斗卫星导航系统总设计师杨长风说，新一代铷原子钟天稳定度达到10-14量级，“这相当于300万年只有1秒误差”。

而且，原子钟的准确度在得到保证的同时，还需要兼顾稳定度。这就好比说老板说了我们五点半下班，虽然每次都监视着北斗卫星定位波束你加班，但每次都盯到六点，把握得很准，并且不会有上厕所叫外卖的情况。而另外一个部门的经理有时候只盯到五点，有时候又盯到六点半，这都是不可取的。

而北斗三号搭载的原子钟，相较之前的铯原子钟，其稳定性和漂移率等指标都有了极大的提升。虽然功耗上来了，但是保证了更高的精度，付出的努力都是值得的。

星间链路——可靠性与稳定性的突破

卫星导航系统的建设离不开地面基站。地面部分的作用在于观测卫星在轨情况、向导航卫星发布指令及矫正卫星姿态。通过建立基站，我们才能在地面上对卫星进行更好的实时监控。一旦卫星出现故障，更多基站意味着我们能更快对其进行回应并及时处理。这里我们将卫星导航系统在不能应用于导航与定位服务时系统对用户发出警告的能力称为导航系统的完好性。

一般而言，在其他条件类似的情况下，建立的地面基站越多，高轨道卫星越多，其完好性也越大。由于较早起步，GPS在全球已经建立相当规模基站。相比而言，北斗的基站数量少很多。于是，为了加强北斗三号的完好性，我们采用了星间链路的方案。

星间链路的概念并不新鲜，GPS也采用了这一技术，叫做Crosslink。该技术的大概原理是通过卫星间的相互通信，对卫星的运行状态进行实时监控和调整。这就缩减了对地面基站的依赖度，并加强其完好性。通过该技术，GPS星座可以在失去地面支持情况下仍旧维持一段时间的正常运转。

但是GPS的Crosslink采用的是波束角较宽的UHF（Ultra High Frequency）频段。理论上来说，当两个卫星进行通信时，波束角越宽，意味着发送信息的范围就越宽，卫星在发出信息时有更大几率将信息发送给非目标卫星，这样就容易造成信息泄露。而北斗采用Ka星间链路（Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka代表着K的正上方(K-above)，Ka波段大致上的频率范围是30/20GHz。Ka频段具有可用带宽，干扰少，设备体积小的特点。常用于卫星通信），Ka频率高，波束角相对比较小，也就是说能够保证本卫星发出的信号只被想让接收信号的卫星接收，不会发到别的卫星那儿，保密性得到加强。同时，更高的频率也意味着卫星间通信的效率可以更高。所以，北斗三号的性能在未来的发展非常值得世界期待。

北斗卫星定位波束,北斗利用电磁波定位

北斗卫星通信盲区形成机理与视域方程的建立与服务

北斗卫星定位与通讯技术正逐步应用于我国地质调查领域，针对在高海拔区、无人区、森林覆盖区或手机信号盲区从事野外地质工作而言，采用北斗卫星技术可使野外一线工作模式发生变革，尤其体现在应急救援、安全保障、态势管理和信息推送等方面，但由于北斗一号卫星位于赤道面上空，受地球表面弯曲、山体或障碍物遮挡等因素制约而导致通讯报文的收发存在盲区，因此，建立北斗卫星至地球表面任意点间的视域方程可为盲区圈定或卫星捕获提供解算依据。

一、“北斗一号”卫星通讯盲区形成的原因

“北斗一号”地球同步卫星位于赤道面静止轨道，由东星（140°E 、1和2 波束）、西星（80°E、3和4波束）和一颗在轨备份星（110.50°E、5和6波束）组成，具备有源定位、报文通信和授时服务功能，其水平定位精度通常为100m（经标校可达20m），短报文单次传输可达77个字节，卫星距地高度约为35766922m，如图7-28所示。

图7-28 北斗一号卫星运行轨道示意图

由于北斗一号卫星位于赤道面静止轨道上空，受地球表面弯曲、山体或建筑物遮挡等因素制约而导致通讯报文的收发存在盲区（图7-29、图7-30），为获取更佳信号强度需使接收设备处于视域窗口范围内并按一定的倾角和方位直对卫星方向，在常规作业中均采取实地目估的方式对接收设备进行人为调整，致使视域范围无法预知、卫星位置难以确定、天线摆放随机性大。基于此因，推导地球同步卫星视域方程可为“北斗一号”的广泛应用提供解算手段和量化依据。

图7-29 地球弯曲对视域的影响

图7-30 山体遮挡对视域的影响

二、“北斗一号”卫星视域方程的建立

为便于推算视域方程，椭球参照系选用W GS84系统，相关常量的取值、视域参数的几何意义、辅助变量的厘定如图7-31所示。

椭球长半轴a＝6378137m；椭球短半轴b=6356752.3142451793m:G为万有引力常数；m为地球同步卫星质量；M为地球质量；地球自转周期 T=2 h356min4s；圆周率π＝3.1415926535897932；之一宇宙速度v=7.9km/s：卫星s距地高度为H；卫星s的经度为ω；地面任意点p的海拔高度为h; p点经度为λ；p点纬度为φ；p点至卫星s的视域仰角为β；p点至卫星s的方位角为α。

选定xoy平面为赤道面，x轴指向起始经度；z轴与旋转椭球体自转轴保持一致；e点为p点沿法线方向投影至椭球切平面处的交点； *** 为过p点的法线向量与赤道面的交点；r为e点至原点o的距离；过p点的法截面与切平面的交线为ef；过p点且平行于切平面与os相交与q点；t 为切平面与过p点的子午面交汇处。为便于建立统一的数学模型，暂将大地水准面用椭球体切平面代替，两者差异（垂线偏差）对视域参数的计算结果影响不大。

图7-31 参考椭球与视域参数几何关系图

为便于排版，中间推导过程省略，直接给出计算公式：

1）地面点到卫星的视域仰角β（若h=0，则纬圈81°1 6'0.172 6＂以上均为绝对盲区）

，其中：

基于3S技术的野外地质调查工作管理与服务关键技术研究及应用示范

当β≤0 时视为绝对盲区：当β＞0 时，若地面点与卫星连线之间有障碍物遮挡，该点便视为盲点。

2）地面点到卫星的距离s

基于3S技术的野外地质调查工作管理与服务关键技术研究及应用示范

3）地面点到卫星的真北方位角α（±由λ－ω的正负号决定）

基于3S技术的野外地质调查工作管理与服务关键技术研究及应用示范

式中±当λ－ω＞0时取正，否则取负。

三、“北斗一号”卫星视域方程解算与接口函数

为便于采用上述公式对地面任意点进行视域解算或盲区分析，特提供C＃语言编写的函数源代码，运行结果以XM L格式返回。

XElementSynchronousSatellite（

double longitude,/指定点的经度（弧度制）

double latitude,/指定点的纬度（弧度制）

double elevation,/指定点的海拔高度（米制）

double a,/长半轴可取W GS84:6378137 m

double b,/短半轴可取W GS84:6356752.3142451793m

double satellitelongitude,/卫星经度（弧度制）

double height）/卫/星距地高度，可取35766922 m

{double r=1/M ath.Sqrt（M ath.Pow（M ath.Cos（latitude）/a,2）+M ath.Pow（M ath.Sin（latitude）/b,2））;

double sin _get_1=M ath.Sqrt（1+M ath.Pow（b/a,4）/M ath.Pow（M ath.Tan（latitude）,2）;//正弦函数的倒数

doubleeg=double.IsInfinity（sin_egt_1）？a:r*M ath.Sin（latitude）*sin_egt_1;/当地面点位于赤道线时

doubleog=double.IsInfi itny（sin_egt_1）?0:r*M ath.Cos（latitude+M ath.Atan2（M ath.Pow（b/a,2）,M ath.Tan（latitude））*sin_egt_l;

double et=eg*Math.Tan（latitude）*Math.Pow（a/b,2）;

doublegt=eg/M ath.Sin（M ath.Atan2（Mat.hPow（b/a,2）,M ath.Tan（latitude））;

doublogs=Math.Sqr（Maht.Pow（og,2）+M ath.Pow（a+height,2）-2*og*（a+height）*M ath.Cos（longitude-satellitelongitude）;

double angle_pgs=M ath.Acos（r*（a+height）*M ath.Cos（latitude）*M ath.Cos（longitude-satellitelongitude）-r*og*M ath.Cos（latitude）-og*（a+height）*M ath.Cos（longitude-satellitelongitude）+og*og）/Matb.Sqrt（M ath.Pow（a+height,2）+og*og-2*og*（a+height）*M ath.Cos（longitude-satellitelongitude）*（r* r+og *og-2 * r*og *Math.Cos（latitude））））;

double ps=M at.hSqrt（M ath.Pow（eg+elevation,）＋2gs*gs-2*gs*（eg+elevation）.M ath.Cos（angle_pgs））;//p点到卫星的距离，返回米制

double delta=Math.Asin（eg+elevation）＊Maht.Sin（angle_pgs）/ps）;

double beta=M ath.PI/2-angle_pgs-delta;//p点到卫星的仰角，返回弧度制

doubleangle_ogs=Math.Acos（og*og+gs*gs-M ath.Pow（a+height,2）/）（2*og*gs）;）

if（double.IsNaN（angle_ogs）angle_ogs=M ath.PI;/当/卫星、地面点、地心、旋转轴在同一平面时

double alpha=M ath.PI+M ath.Sign（longitude-satel tellongiitude）*M ath.Atan2（gt*Math.Tan（M ath.PI-angle_ogs）,et）;//p点到卫星的方位角，返回弧度制

feilds=new XElemen（t”beta”，beta*180/Math.PI）;s eallite.tAdd（fields）;

XElement satellite=new XElemen（t〝satellite〞）;

XElementfields=new XElemen（t〝alpha〞，alpha*180/M ath.PI;）satellite.Add（fields）;

fields=new XElemen（t”distance”，ps）;satellite.Add（fields;）

returnsatellite;）

中国地质调查局西安地质调查中心服务器提供了该函数REST模式调用接口，地址为：{SATELLITELONGI UTDE｝＆lng={LONGITUDE｝＆lat={LATITUDE｝＆ele=v{ELEVATIoN｝＆fromat={XMLOR *** ON｝，外界可根据指定的地球同步卫星经度（satellitelng）和地面点的经度（lng）、纬度（lat）和海拔高度（elev：米制）并指定相应的输出格式（format=0为json、format＝非0为xml）获取W GS84系统下地球同步卫星的视域仰角（beta）、真北方位角（alpha）和视距（distance）。

典型地域视域参数计算见表7-3。

表7-3 典型地域视域参数计算表

四、视域方程的应用与结论

通过在不具备常规通信（手机、对讲机、卫星 *** 等）条件的区域（如：无人区、高山峡谷、森林覆盖区等）对北斗一号卫星手持终端设备进行实地测试并针对西安地质调查中心承担的区域地质调查、矿产远景调查和地质灾害详查、区域物化探扫面等野外项目进行多次示范，结果表明北斗一号卫星导航与通信能否在野外地质工作人员之间、野外人员与项目组驻地之间、野外人员与管理机构之间建立起“星级”服务通道取决于卫星终端设备是否处于视域范围之内。

事实上，北斗一号卫星在地球表面形成的通讯视域窗口是东星、西星和备份星视域空间的合集（图7-32）。若设海拔高度等于零，经视域仰角公式计算得出每颗卫星沿赤道线在地表的视域跨度约为162°35'28＂，还可得知受地球曲率影响使得纬度±81°16'0.16＂、西经°17 '43.95＂和东经221°17'43.9＂5 围范以外的区域均为绝对盲区。

图7.32 北斗一号卫星视域窗口

经实地验证，北斗一号卫星通讯盲区在山地和丘陵地貌单元中普遍存在。很显然，星下盲区的圈定仅通过野外测试或目估是无济于事的，推荐的做法是编制相应的计算机软件，利用视域方程对目标区域内DEM（数字高程模型）逐点计算其仰角，然后判断该点与卫星连线之间所有像素的海拔高度是否低于该仰角视线，从而确定该点是否为盲点。由此可见，视域方程数学模型的建立为解决此类问题提供了理论依据和实现手段。

利用视域方程，现已完成秦岭局部地区（东星）盲区分布图的圈定工作，如图7-33所示。

图7-33 秦岭局部地区盲区分布图

北斗定位是什么原理？

基于北斗模块、北斗卫星信号的室外定位称之为北斗定位。北斗模块的定位原理：

和GPS模块一样，北斗模块被称为用户部分，它像“收音机”捕获并跟踪卫星的信号，根据数据按一定的方式进行定位计算，最终得到用户的经纬度、高度、速度、时间等信息。SKYLAB针对车载、工控及消费类应用推出北斗卫星定位波束了一系列高品质北斗模块，支持多系统联合定位以及单系统独立定位，具有高定位精度，超低功耗，尺寸小巧等特性。

此系列模块能够在维持更低系统功耗的同时拥有更大灵敏度，内部Flash可以进行程序升级以支持不同的应用。拥有额外的前置LAN用于优化RF性能，易于与天线集成，且前置SAW滤波器加强了抗干扰性能。

SKYLAB基于MT3333芯片研发生产的北斗模块属于内置北斗模块，在实际使用中，将北斗模块嵌入到产品的PCB板上即可。北斗模块的应用关键在于串口通信协议的制定，也就是模块的相关输入输出协议格式。它主要包括数据类型与信息格式，其中数据类型主要有二进制信息和NMEA-0183协议。北斗模块根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。

通过内置北斗模块的移动终端产品，如支持北斗定位的儿童手表、车载导航、无人机等定位终端产品。家长通过管理后台可以实时知道小孩行踪北斗卫星定位波束；在外训练的驾校教练车，学校通过北斗卫星，掌握教练和学员的情况；自然条件复杂多变地方的桥梁、隧道，千里之外的监控室可以随时掌握地下微小的变化，及时发现安全隐患，避免事故发生……

SKYLAB北斗定位模块是集北斗GPS定位功能的小尺寸定位模块，型号如下：SKG09D/SKG12D/SKG17D。北斗模块集成度高、功耗低、兼容接收GPS/BDS/GLONASS/GALILEO卫星导航信号，可以实现载体的实时定位、授时、测速等功能，非常适合系统大规模应用的需求。

北斗卫星导航系统的原理

北斗卫星导航系统的原理是基准站接受卫星导航信号后，会通过数据处理系统形成相应的信息，再由卫星、广播、移动通信等手段将信息实时发送至应用终端，实现定位服务。北斗卫星导航定位系统的定位精度为10米，测速精度为0.2米/秒，授时精度为10纳秒。

北斗导航为是我国自主建设的卫星导航定位系统，和美国的GPS、欧洲伽利略（GALILEO）、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）都属于全球卫星导航系统（NGSS）。

北斗导航系统的构成。

北斗卫星导航定位系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。据《兰州晚报》报道，空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成；地面段包括基准站、主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站；

用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。北斗卫星导航定位系统将通过这三部分实现精准定位。

以上内容参考人民网——北斗卫星导航定位系统：精准定位就是它的最强技能

北斗卫星的定位原理是什么？有哪些难度呢？

引言：我们国家的北斗卫星导航系统是非常好的，而且比较安全。很多人都想知道北斗卫星的定位原理是什么，他们存在哪些难度呢？接下来跟着小编一起去了解一下吧。

一、北斗卫星定位的原理是什么

其实北斗卫星定位的原理是通过一些卫星的距离计算出用户的距离进行定位的。我们要知道用户到卫星之间的距离之和，这个时候就要知道第1颗卫星在球心的一个球面，这个时候会有两颗卫星为一个交点，在一个为椭圆球面的平面之上，形成一个交线，这个时候就能计算出用户的所在位置。而且中间会有一些中心控制系统，会有一些存储在计算机内的素质这个时候进行一个地图的查找，就可以将用户的位置准确的计算出来，也可以知道用户在某一地点与地球的一个焦点。所以这个时候通过中心控制系统，可最终计算出用户所在点的三维坐标，根据这个坐标系就可以发送信号给用户，用户就能查找到他自己所在位置。

二、北斗卫星定位系统需要一些难度的跨越

人们使用北斗卫星定位系统的时候是非常容易的，但是科研人员在 *** 之前是需要有一些难度的跨越，才能让北斗卫星定位系统变得更加完善。首先我们要知道卫星定位，它中间可能会有一个到达时间差的概念，所以科研人员就要跨越这个难度去计算出到达时间差的一些概念。首先我们需要知道到达时间差的概念是什么，就是利用每一颗卫星的精确位置。从而来发送出一些导航信息，就获得一些卫星上面的接收信息这个时候到达的时间差就叫做到达时间差。而且也要知道卫星的位置，精准可知要懂得接收对卫星观测，而且还要计算卫星到接收机之间的距离，从而计算出准确的位置。