BDS北斗卫星定位导航系统原理以及定位接收机组成结构

2012年12月27日，北斗卫星导航系统（BDS）正式向亚太大部分地区提供连续无源定位、导航、授时等服务。并了北斗系统空间信号接口控制文件（ICD）正式版，为国内外相关企业参与北斗应用终端的研发提供必要条件，将推动BDS的广泛应用。

BDS现状

北斗卫星导航系统，官方英文名称BeiDou Navigation Satellite System，缩写为BDS。是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统（GNSS）。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

BDS由空间端（空间星座）、地面端（地面控制）和用户终端三部分组成，系统建成后，空间端将包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星；地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站；用户终端包括北斗用户终端以及其他与BDS兼容的终端。截止2012年底，系统已发射了16颗卫星，形成了区域服务能力。2020年左右，系统将全面建成，形成全球服务能力。

BDS现阶段的区域公开服务：

主要功能：定位、测速、授时、短报文通信；

服务区域：中国及周边地区；

性能指标：平面小于10米、高程小于10米；测速精度每秒0.2米；授时精度为单向50纳秒；短报文通信120个汉字/次。

系统全面建成后公开服务的主要性能改善：

服务区域：全球；

定位精度：优于10米，中国及周边优于1米；

授时精度：20纳秒；

BDS的显著特点

相比于GPS，BDS的显著特点是：一是BDS首次定位速度更快，系统建成后首次定位仅需几秒钟，而GPS需要几分钟；二是具有短报文通信功能，在移动通信信号盲区用户可以发送短信，做到不仅自己知道在哪，也能让别人知道他在哪里；三是具备兼容性，兼容美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、欧洲的伽利略系统（GALILEO）。用户使用多模接收机可以单独或同时接收多种卫星导航系统的信号，同时接收时可以提高定位精度。

BDS的公开服务

BDS是军民两用的系统，其服务分为授权服务和公开服务两种。除了军事、国家安全等的授权服务外，BDS的公开服务（也称开放服务）应用于民用领域，将在很多方面改善生产建设、社会生活现状。BDS的民用领域大致可分为行业应用和大众应用两个方面。

在行业应用方面，BDS的前期试验运营，已在气象、交通、通信、规划、测绘、勘探、林业、农业、渔业、金融、电力、物流、抢险救灾、环境保护等各行各业发展了广泛的应用，以后将对各行业进一步产生深远的影响。

在大众服务方面，随着BDS的正式运营，大家所熟知的GPS导航，将逐步过渡到BDS导航，或BDS/GPS双模、多模导航；老人、儿童穿戴带有BDS芯片的服饰、器具，能使家人了解他们的具置；具有BDS芯片的手机、平板电脑等智能终端，能使携带人利用BDS的短电文通信功能，在通信信号盲区实现通信、报警、救援；等等。

BDS民用终端机技术

BDS民用终端包括独立的导航接收、通信、位置报告等，也包括与BDS兼容的其他终端，独立的或与其他设备兼容的导航接收机是最主要的民用终端。

卫星定位导航基本原理

定位导航作为系统的主要功能，其原理并不复杂。地球到卫星之间无线电波的传播速度为光速，根据两点之间电波传播的时间即可计算出两点的距离，这种方法称为时间测距。目前卫星定位导航的时间测距方法有有源时间测距和无源时间测距两种。

所谓有源时间测距，即用户终端主动通过导航卫星向地面主控站发出定位申请，而后地面主控通过卫星发出测距信号，根据信号传输的时间测定用户到两颗卫星的距离，计算出用户的位置，报告给用户终端。有源方式需要用户与卫星、主控的来回通信，占用信道，因此用户数量受到限制。

采用无源时间测距的技术时，用户同时接收至少四颗导航卫星发出的信号，根据信号传输时间测定用户到这些卫星的距离，然后通过数学运算得到用户的三维坐标与速度。卫星与用户的三维坐标通常是以地球质心为原点的直角坐标系，四颗卫星设为A、B、C、D，它们发送的信号中包括各自的坐标信息和时间信息，坐标分别表示为A（xa， ya，za），B（xb， yb，zb ），C（xc， yc， zc ），D（xd， yd， zd ），而用户接收机P的坐标是待求的，用P（x，y，z）表示。首先用时间测距方法测出用户接收机到这四颗卫星的距离，分别为Ra、Rb、Rc、Rd；然后可求解用户的坐标。

应用直角坐标系中两点间距离的表达式，可得：

（x-xa）2+（y-ya）2+（z-za）2 = Ra2 3-1

（x-xb）2+（y-yb）2+（z-zb）2 = Rb2 3-2

（x-xc）2+（y-yc）2+（z-zc）2 = Rc2 3-3

（x-xd）2+（y-yd）2+（z-zd）2 = Rd2 3-4

解方程组求出x，y，z，就得到用户接收机的位置。本来求解3个未知数，有3个方程式即可。但因为是二次方程，由3个方程式求解3个未知数，每个未知数各有两个根，因此，需要用第4个方程，来进一步确定两个根中哪一个是真解。无源时间测距方式中，用户仅单向接收，因此用户数是无限的，所以与GPS一样，BDS的定位导航也采用无源方式。

民用终端的设计依据

BDS民用终端的设计依据是中国卫星导航系统管理办公室的北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件，简称ICD。2012年12月了公开服务信号B1I（1.0版），即频点B1的公开信号（I支路信号）的标准；2013年12月了空间信号接口控制文件公开服务信号（2.0版），该版本修订完善B1I的空间信号接口控制文件进行，同时新增了B2I的信号内容。ICD定义了卫星导航系统空间星座和用户终端之间公开服务信号的相关内容。同样，BDS/GPS兼容接收机的设计还需依据GPS的ICD文件。

B1、B2信号由I、Q 两个支路的“测距码+导航电文”正交调制在载波上构成，载波频率分别为1561.098MHz和1207.140MHz，调制方式为正交相移键控（QPSK）调制。其中I支路为公开服务信号。B2I信号将随着全球系统建设逐步被性能更优的信号取代。

民用导航接收机的构成

导航接收机是应用最广泛的卫星导航系统民用终端。根据ICD文件，接收机首先需要能接收到B1信号的电路，该电路为中心频率是1561.098 MHz的天线和射频放大器，射频放大器通常采用低噪声放大器（LNA）；然后需要下变频电路把接收到的信号的载波频率降为中频，再进行解调。解调后获得测距码和导航电文信号。

测距码和导航电文送到基带电路进行解码、运算和处理，并把结果输出，以达到定位和导航目的。基带电路可以由FPGA等数字逻辑器件和ARM等微处理器组成。用户显示和控制电路：基带电路处理的结果输出给用户显示单元，结合用户内置的地图等地理信息，在用户界面即能直观地显示出位置信息和导航建议。用户界面同时还实现用户的操作和控制。

BDS民用终端的主要技术关卡

从上节导航接收机的结构看，似乎接收终端各部分电路都有现成的技术和器件，另外还有GPS可供借鉴，而仅需根据北斗的信号特性进行调整和软件设计即可。但事实并不如此简单。目前，国内民用导航市场被GPS占领，BDS应用要得到迅速推广，需要解决一些技术关卡。

天线

导航卫星离地球的高度在两三万公里，卫星信号到达地球后非常微弱，例如BDS的B1I支路最小保证电平为-163 dBW[2]，因此不同终端的天线需要有针对性的设计，以达到较高的收发增益。

射频模块、基带模块的集成化

GPS接收机经过几展，射频模块和基带模块已经达到较高的集成度，能集成到手机、平板电脑内。而BDS的电路集成刚刚起步，尺寸、功耗、成本还达不到要求。

兼容性

BDS允许终端与GPS以及GLONASS、GALILEO兼容，该兼容不仅仅是终端能通过切换来接收不同导航系统的信号，而是还要能同时接收多个导航系统的信号。这样做的优势是能提高定位导航的可靠性，同时也能提高精度。而目前GPS终端是不兼容的。虽然BDS的兼容技术目前已经取得突破，但实用上经验积累较少，需要不断研究提高。与个人智能终端的融合BDS只有在大众服务上得到广泛应用，才能与GPS并驾齐驱。尽快使BDS终端与手机、平板电脑等个人智能终端融合，才能使大众服务得以较快推广。

短报文通信

短报文通信是BDS的优势功能，但需要增加终端机的信息采集、编码、调制、射频发射等电路，因此具备此功能的终端机具有收与发的双向通信，与GPS仅有单向接收相比，要复杂得多。而且要做到小型化、便携式，更不是很简单的事。

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