北斗卫星导航系统研究现状和进展情况外文翻译资料

北斗卫星导航系统研究现状和进展情况

1、引言

卫星导航系统是重要的空间基础设施，它为人类带来巨大的社会和经济好处。正因领土和领海辽阔，中国这样的发展中国家非常重视自己独立的卫星导航系统的建设，努力探索和开发 具有自主知识产权的卫星导航系统 。早在20世纪60年代末，中国开始开展卫星导航系统的研究。在20世纪70年代末，中国开始探索适合于自己国情情况的卫星导航系统。提出使用单一的，两个或多个卫星，以构成一个区域的导航系统，甚至全球系统的想法。不幸的是，由于种种原因，并没有实现这些想法。在20世纪90年代，在初步研究及测试基础上，逐渐形成建设和发展自主北斗的战略并且制定出三步走的发展规划。第以步是建立包括3颗地球同步轨道（GEO）卫星北斗卫星导航演示系统，旨在完成原理试验，积累经验技术，培训人员，以及向特殊用户提供导航和定位服务。第二步是建设包括5颗地球同步轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和4颗中地球轨道卫星（MEO）的北斗区域卫星导航系统 。北斗区域系统将于2012年底在亚洲和太平洋地区提供定位，导航和授时（PNT）服务。第三步是建造包括35颗卫星（5GEO 3IGSO 27 MEO）的北斗全球卫星导航系统，到2020年底，北斗全球系统将提供两种服务：开放服务和授权服务。前者是指为民用用户提供10米的自由定位精度，20纳秒的计时精度，以及0.2米/秒的速度精度。而后者意味为授权用户提供安全的PNT，通信和完整性信息服务。

2北斗建设进度

在建的北斗系统的基本特征是：（1）开放性。北斗将为用户提供一个自由，开放的服务，欢迎全世界的所有用户使用它。中国将与其他国家在卫星导航方面进行合作，以促进全球导航卫星系统，以及相关技术和行业的发展。（2）自主性。中国将自主开发和运行北斗卫星导航系统。北斗可以独立向用户提供基本服务全球，尤其是对亚太地区提供高性能的服务。 （3）兼容性。中国将努力实现北斗与其他卫星导航系统的兼容和互用，并确保使用者获得满意的服务。为了保障现有用户和行业的利益，北斗的升级将是向后兼容的。（4）进步性。根据中国的实际技术和经济的发展，北斗将遵循一步一步建设和发展的原则为用户提供长期和持续性的服务并保持系统性能的不断改进。按照三步走的发展战略和“先区域后全球的发展思路，北斗已经形成了具有成功的且独特的发展模式的卫星导航系统。北斗的建设进度分为下面三个详细的步骤。

第一步：北斗卫星导航试验系统（也称为北斗-1）的建设始于1994年。自2000年以来，中国已成功发射了3颗卫星。在2003年5月，第三颗GEO卫星的成功推出标志着该系统正式形成。 服务区涵盖70E - 140 E和5 N - 55 N。定位精度低于20米，单程定时精度是100纳秒，以及 双向定时精度为20纳秒。北斗-1能够提供这样的几个基本服务:定位,授时，短报文通信，并发现在测绘，电信，水利，交通，渔业，勘探，森林防火林和国家安全方面的用途。

第二步：北斗区域卫星导航系统（也称为Beidu-2）的建设始于2004年，并将于2012年完成。目前，北斗-2已取得了稳步进展。根据网络发射计划，目前15颗北斗-2号卫星已经成功发射 。地面段已完成设备的开发，安装和调试，并且一切运行正常。该用户段已完成测试终端的开发。系统集成测试已经实施，空间段，地面段和用户段的协调性已确实，系统的精度也得到了评估。该系统再011年底已完成全面测试并且开始在中国大部分地区试运行基础服务。2012年4月，中国成功发射了两颗北斗卫星进入太空。这是自北斗-2在2007年4月第一次发射卫星以来中国第一次使用一个火箭发射两颗导航卫星。2012年9月，为北斗网络的建设中国成功用一个火箭发射另外两个MEO北斗卫星。这些卫星的成功发射，将进一步为北斗-2提高覆盖范围，精度和稳定性。北斗-2计划覆盖从55S到55 N和55 E至180 E的亚太地区。此外，北斗2具有三个导航信号频率，是第一个在世界上实施三频率的卫星导航系统。最新的卫星北斗发射状态（2012年9月）显示示表1。

第三步：北斗全球卫星导航系统的建设于2012年后启动，计划到2020年有具有35颗卫星并可以完全运行的导航星座到位，北斗将提供全球高精度的高可靠性的定位，导航，授时和短报文交流服务。目前，北斗卫星研制和发射计划已经提上日程。

3 关键技术的研究进展

3.1导航星座设计

导航星座是卫星导航系统的重要组成部分，因为它为导航定位用户提供空间基准并且直接决定了系统的实施。导航星座设计要获得涉及到大量参数的最优组合。不同参数组合的星座在覆盖面范围和投资成本也不同。导航星座设计的目标是寻找一套星座参数组合，这个组合可能不仅得到在指定覆盖区域中的最佳星座性能，而且还节约系统建设成本和星座长期运行成本。导航星座通过不同的覆盖区域可分为区域导航星座和全球导航星座区域。基于北斗的发展战略“先区域后全球” 的构想，在北斗建设的初始阶段，只有3（2 1）颗GEO卫星作为北斗-1系统导航星座运行。许讨论了在区域导航卫星系统的星座设计中卫星轨道的选择。他专注于卫星定轨精度和卫星利用率问题，比较了它们对区域性卫星导航系统的适用性。结果显示由于高利用率和低成本GEO和IGSO卫星适合区域卫星导航系统。帅等详细地讨论了评估星座性能的指数，星座可用性算法，定位精度可用性算法，以及导航星座参数的设计因素。他们提出了一个区域性星座半解析设计方法，给出了区域导航星座的4设计方案，并通过模拟实验比较它们的性能和定位精度指数。根据他们的研究成果，IGSO卫星有高精度，卫星钟差推断只需要很短的时间，并能获得较高的精度。因此，卫星时钟稳定性要求可适当降低，这是适合中国国情。GEO卫星具有高利用率和卫星通信易用性的优点。虽然他们的定轨精度有些低，对定位精度没有显著地影响。 MEO卫星是非常适用于全球卫星导航系统，但它们在定轨精度，卫星钟差精度和外推时间对于区域卫星导航系统不具显著的优势。因此，北斗-2采用了“5 GEO 5 IGSO 4 MEO”的星座设计方案。 4颗MEO卫星用来扩展到全球系统。考虑到卫星通信以及方便为与北斗-2连接起来 ，北斗全球卫星导航系统采用星座设计“5 GEO 3 IGSO 27 MEO”的方案。

3.2导航信号结构和性能

像GPS，GLONASS和伽利略 一样，由北斗发射导航信号不仅可以为各种用户可以提供稳定的，持续的和高精度的PNT服务，同时也有很强的抗干扰和抗误导功能，并且与其他导航信号兼容和协作。不像在北斗-1中使用的RDSS导航信号结构，北斗2采用 GPS和伽利略使用的RNSS导航信号结构。信号结构设计是卫星导航系统的重要组成部分，它直接影响导航性能 。Tan等人提出了一种适合中国全球导航卫星系统的导航信号结构。他们认为中国的导航信号​​应该有一个大信号带宽；开放的导航信号应与GPS，GLONASS和伽利略导航信号协作;授权的导航信号应在射频兼容共存，并与GPS，GLONASS，伽利略导航授权信号独立工作;为了便于接收机捕获，跟踪和改进测量精度，应设立导频信号;中国的导航信号​​也应该有抗干扰，抗误导的能力。

2009年7月，中国卫星导航定位应用管理中心（CNAGA）在ICG会议公开的北斗导航信号结构的最新状态，如图表2中，共包括三大运营商和10个导航信号。

卫星导航信号的结构决定了其先天的性能。因此，评估北斗导航信号性能是必须的。对于GPS和伽利略导航信号性能，美国和欧盟的相关机构也做了很多的分析评估工作。但可公开获得的文献只讨论了其民用信号的性能而且主要集中在准确度，然而多径和兼容性，授权信号性能，特别是授权信号的抗干扰能力很少提及。此外，考虑到国家安全，GPS和伽利略提出授权信号频谱分离的概念，但没有给出适当的评价方法。为此，唐等人建议从四个方面提出一些导航信号性能评估方法，其中包括精度，抗干扰，抗多径和兼容性（包括安全）。他们还基于最新出版的信号系统参数对比分析了北斗，GPS和伽利略民用信号及它们的授权信号。结果表明，对于民用信号，北斗具有最好的性能;对于授权信号，北斗的精度和抗多径能力与GPS和伽利略相同;但其抗干扰能力是不如的GPS和伽利略的。此外，唐等人对北斗导航B2信号 提出了TD-ALT BOC调制以达到更好的测距精度和抗多径性能。

3.3 兼容性和互用性

对于在多导航卫星系统中资源的利用和共享，兼容性和互用性是重要的内容。2007年在班加罗尔举行的第一个卫星导航供应商论坛会议提出兼容性和互用性的初步概念和定义，2008年在加利福尼亚州举行的第三次供应商论坛会议更新的兼容性和互用性的定义。近年来，国际会议逐渐达成了统一的描述。兼容性是指：当多个全球卫星导航系统和区域增强系统被分别使用或集成使用，它们彼此不能引起不可接受的干扰，而且不能伤害每个单一卫星导航系统及其服务 。互用性是指： 多个全球和区域卫星导航系统的全面利用或地区增强

系统可以在用户级上得到比个人使用更好的PNT能力。

关于卫星导航系统的兼容性上的研究更集中导航信号。然等人研究了北斗，GPS和伽利略系统的兼容性，分析了不同波段的北斗信号的频谱密度以及北斗，GPS和伽利略的信号重叠。考虑到星座​​和多普勒效应，他们用频谱分离系数和当量载波噪声比的衰减作为系统的相容性的评价标准。模拟和分析北斗，GPS和伽利略之间的相互干扰。结果表明，不考虑北斗GEO卫星，北斗信号对GPS和伽利略信号的干扰是类似于GPS和伽利略信号对北斗信号的干扰，北斗GEO卫星是北斗信号，导致GPS和伽利略信号干扰较大主因。现在卫星导航系统之间的互用性已成为一个热门的研究热点了。作为重要的GNSS系统之一，北斗也在研究相关的互用性的问题。全球卫星导航系统的互用性由三个方面组成：信号的互用性，坐标系统的互用性和实时系统的互用性。此外，汉等人在研究一个基于微分方程动力系统对于互用性的新的评估算法。

通过在L1/ E1频带用1575.42兆赫的中心频率分别调制的TMBOC和CBOC信号 ，和通过使用不同的调制方法为了实现MBOC功率谱的两个调制信号，GPS和伽利略实现它们之间的互用性的目的。路等人讨论了北斗和GPS和伽利略信号的互用性，他们的研究建议为了实现北斗信号和GPS和伽利略L1 (E1) and L5 (E5a) 频带的互用性的卫星航行系统应该被精选。

坐标系之间的互用性，就是要正确认识GNSS坐标系之间的转换。GPS的坐标系是WGS84（世界大地坐标系统），WGS84和ITRF（国际地球参考框架）有一个相同的定义， 并与ITRF2000在厘米级一致。伽利略的坐标系直接是ITRF2000。北斗的坐标系统是2000中国大地坐标系（CGCS2000） 。 CGCS2000的实现被称为CTRF2000。 CTRF2000在2000.0时代提出，参考了ITRF97。 CTRF2000由三级框架点组成。在第一级都有28个连续运行参考站，这些站形成CTRF2000的基本骨架，精度约为3毫米;第二级是由约3厘米水平的精度的来自2000全国GPS大地控制网的超过2500多个点组成的;第三级是由纬度和经度的精度约0.3米、大地测量精度高度低于0.5米的来自国家天文大地网的大约50000个点组成的。第一级和第二级的CTRF2000与ITRF之间的对应关系是大约几厘米。因此，对于卫星导航的大多数用户，可以不考虑坐标北斗，GPS和伽利略系统之间的转换。即便如此，与比较GPS和伽利略相比，北斗的坐标系统仍然有待改进。Zou等研究了CTRF2000的跟踪站分布的影响，提出了一些改进意见。

基于时间测量的全球卫星导航系统必须建立并包吃一个统一的时间基准，称时标系统。时间系统的兼容性和互用性是在不同的全球导航卫星系统的兼容性和互用性中的重要部分。 GPS时间系统GPST溯源到美国海军天文台（USNO）的协调世界时； GLONASS采用协调世界时，可溯源至协调世界时（SU）；伽利略时标系统是GTS;北斗时标系统被称为BDT，由北斗2时频系统建立和维护，采用国际原子秒（SI）为基本单位，用“一周秒”，“周”，并通过北斗导航信息连续计数，传送; BDT没有闰秒，时间初始为2006年1月1日（星期日）

协调世界时00小时00米分的00秒。其中GPS，伽利略以及GLONASS时间的互用性可以通过在传送消息中添加不同系统之间的时间差信息处理得很好。北斗系统时间互用性也可以通过在其传送消息加上时间差信息来进行。

3.4精密定轨

与GPS，GLONASS和伽利略相比，北斗不仅有MEO卫星，而且还含有GEO和IGSO卫星，这也为北斗卫星定轨带来了一些新的问题。GEO卫星在区域卫星导航系统的发挥显著的作用，但 GEO卫星精密定轨遇到巨大的困难：（1）GEO卫星轨道是非常高的，但跟踪站被安放在一个相对小的范围内。结果是，在GEO卫星观测时有不佳的几何形状。 （2）GEO卫星和地面跟踪站位于相对静止的位置。站点的几何形状的微小变化会造成一定的系统误差，这些很难被解决和分离。（3）为了保持GEO卫星的轨道，频繁轨道变动是需要的，这使 GEO卫星轨道的预测变得困难。为了解决这三个问题，周等人提出了通过使用激光观测解决射电观测中的设备延迟以保证精密定轨和轨道快速恢复的新方法 。郭等讨论了联合GEO的精密定轨策略，它结合了伪数据和C波段传输范围的数据。与此相反，毛等人指出GEO / IGSO联合定轨方法可以有效解决GEO卫星观测的几何形状问题。周等人还研究了包含3颗GEO卫星和2颗IGSO的混合星座的定轨问题。李等人同时使用GPS和北斗观测以获得精确的北斗轨道。对于定轨的滤波算法。徐等人提出了一种为一颗移动的GEO卫星定轨的由双向滤波器与自适应滤波器结合的双向自适应卡尔曼滤波器。

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