空间前言技术导论大作业，北斗导航技术发展综述
摘要
- 本文综述了卫星导航系统的基本概念，以及中国北斗导航系统的发展历程，并使用STK软件对北斗导航系统进行了仿真与简要分析。针对北斗三号所采用的先进技术进行了详细的分析介绍，以及未来北斗导航技术的发展方向。
卫星导航系统的基本概念
- 卫星导航技术是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成。
- 导航卫星：卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。
- 地面台站：跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理，通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分。跟踪站用于跟踪和测量卫星的位置坐标。遥测站接收卫星发来的遥测数据，以供地面监视和分析卫星上设备的工作情况。计算中心根据这些信息计算卫星的轨道，预报下一段时间内的轨道参数，确定需要传输给卫星的导航信息，并由注入站向卫星发送。
- 用户定位设备：通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数（距离、距离差和距离变化率等），再由计算机算出用户的位置坐标（二维坐标或三维坐标）和速度矢量分量。
北斗卫星导航系统发展概述
北斗一号
- 上世纪90年代，美国GPS在海湾战争中的成功使用，鉴定了我国建设自主卫星导航系统的决心。在立项初期，考虑到当时的国情，我国选择了“863计划”倡导者陈芳允院士提出的双星定位原理系统，即有源定位，也叫做RDSS（Radio Determination Satellite Service）卫星无线电测定服务。该方案只需要两颗卫星和地面高程数据库就能够实现我国及周边地区的定位，可实现水平20m，高程10m的定位精度，单向100ns，双向20ns的授时精度。
北斗二号
- 虽然北斗一号系统快速构建起了我国的初代导航定位系统，但是由于其有源定位的设计原理，导致其存在定位精度较低，系统用户容量有限，用户在使用时无法保持无线电静默，也无法在高速移动平台上进行使用等缺点，无法应用于军事用途，也与现有的美国GPS、俄罗斯GLONASS定位系统存在较大的差距，所以，有必要研制我国新一代导航定位系统。
北斗二代导航定位系统由5颗静止卫星和30颗非静止卫星构成，定位精度提升至10m，授时精度提升至20ns，切在亚洲地区空间信号连续性与信号可用性均优于GPS定位系统。
北斗三号
- 2017年至2020年，为北斗三代定位系统的建设阶段，该系统由3颗GEO卫星，3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星组成。北斗三代相较北斗二代，技术更先进，建设规模更大，系统性更强。实现了从区域到全球的部署，并在卫星上采用了Ka星间链路，激光通信，氢原子钟等先进技术。
基于STK软件的北斗系统仿真
STK软件简介
- STK软件是由美国AGI公司开发的卫星仿真工具包，是航天工业领域领先的商业化分析软件，可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，用于确定最佳解决方案。
获取卫星星历
- 卫星星历，又称为两行轨道数据，以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系确定飞行体的时间、坐标、方位、速度等各项参数，具有极高的精度。卫星星历能精确计算、预测、描绘、跟踪卫星、飞行体的时间、位置、速度等运行状态；能表达天体、卫星、航天器、导弹、太空垃圾等飞行体的精确参数；能将飞行体置于三维的空间；用时间立体描绘天体的过去、现在和将来。
- 登录celestrak的官方网站（http://celestrak.com/），可获取到最新的北斗导航卫星的最新的星历信息，并导入到STK软件的自建数据库中。
绘制卫星运行仿真图
- 在导入卫星星历后，设定卫星天线类型、覆盖形状、角度、增益后，可获得北斗定位系统的轨道运行图与空间布局图。可以看出，由于导出的星历数据包含北斗一号至三号的所有卫星信息，北斗定位系统在亚洲上空特别是在中国上空，具有较高的覆盖率，能够为国内用户提供更高精度和更高质量的定位服务。在另一方面，也能看出，截止目前，北斗定位系统已实现全球覆盖，在全球范围内均有可见卫星。
卫星可见性与连续性分析
- 为分析北斗导航系统的通信质量和定位精度，可从卫星可见性以及卫星连续性两个角度进行分析，使用STK仿真软件。对于定位系统而言，在定位过程中可见星数越多则定位性能越好，可见卫星数量将直接影响导航性能的好坏。对于定位系统而言，若采用有源定位，只需要两颗卫星可见即可，利用无源定位，则需要4颗卫星才能定位。
- 建立一条以上海为起点，北京为终点的直线航线，设定巡航高度为10000m，并将民航客机的卫星接收机与北斗卫星进行关联，具体设定过程如图所示。
- 通过软件仿真分析，可获得卫星可见性与连续性分析报告。如图3-4所示，可以看出，在京沪直飞航线的仿真分析中，北斗可见卫星数量始终保持在16颗以上，且卫星连续性较好，并无出现反复中断连接，卫星可见数量最高可达到18颗。
- 以同样的参数对于GPS导航定位系统镜像可见性与连续性分析，仿真报告如图3-5所示。从报告可以看出，GPS的卫星连续性略差于北斗定位系统，卫星可见数量最少为13颗，最多为16颗。
北斗三号先进技术分析
星间链路
- 卫星导航系统，实现对地面用户的服务，不仅要依靠天上的卫星，同时还要依靠地面的运行控制系统，也就是我们通常所说的地面站。地面站要不断的对卫星进行轨道测量，对轨道位置进行确定，才能将准确无误的导航电文投入实际应用。
- 传统星间定位系统采用三颗卫星对另一颗卫星进行精确位置进行定位。而采用了星间链路技术后，两颗卫星之间相互测距后，把卫星之间相互测距的信息通过星间通讯，就统一传到地面站，地面站通过星间的测量信息，和星地的测量信息，联合进行精密的定轨解算，这样就能极大地提高定轨的精度。
- 间链路就好比在各个卫星之间搭建起了一条通信网络，将地面站与卫星之间的通信扩展到卫星与卫星之间的通信。也就是说地面站只要对某一颗北斗卫星下了指令，那么这一指令就能够在卫星之间接连不断的传递下去，所有的卫星都能够按照这一指令运行，从而使得整个星座的运行能够保持准确无误。目前已实现基于国内站实现全球星座的运行管理。
- 其所采用的解算方法为，联合使用L下行双频伪距测量数据和L下行载波相位测量数据进行卫星轨道的解算；境内卫星钟采用星地双向测量数据进行标定，境外卫星钟差采用星间相对时钟差和境内卫星钟差进行联合标定。
氢原子钟
- 在北斗三号卫星系统中，采用了氢钟和铷钟的方案。相比铷原子钟，氢原子钟在重要技术指标，如频率稳定度、频率准确度及日漂移率等方面具有明显优势。星载氢钟的应用可使北斗导航系统实现更高的定位精度、全球覆盖及较长的自主导航能力，显著降低北斗导航系统全球应用时的校时压力。
目前北斗定位系统中最好的星载氢钟性能水平与GPS铷钟，Galileo氢钟的性能水平基本持平；但相较世界其他三大导航系统采用的时钟系统，BD氢钟的重量高于GPS的铷钟和GaliLeo氢钟。
全球位置报告运行流程
- 全球短报文通信服务由北斗MEO卫星提供接入服务，用户依据自身位置选择对应的MEO卫星接入，用户处于境外时，可通过北斗星间链路系统实现与国内地面站之间的联系，从而确保了该服务在全球范围内均可使用。
抗干扰技术
- 导航战概念始于1997年，正是第五次台海危机平息后的不久。危机高潮阶段，人民解放军曾两次（1995年7月21-28日、1996年3月8-25日）举行大规模演习。在此期间，人民解放军第二炮兵部队（现已更名为“人民解放军火箭军”），曾数度利用全球卫星定位系统的支持，展示了其通过无准备发射阵位快速发射短程导弹战术突袭特定目标的能力。
- 为了应对导航战提出的更好要求，北斗三号采用了脉冲干扰抑制技术以消除时域脉冲干扰；窄带干扰抑制技术进行FFT频域双路重叠变换；宽带干扰抑制技术以消除宽带噪声干扰。
120W大功率高效固态放大技术
- 在北斗三号上采用了我国自行研制的120W大功率高效固态放大器，技术自主可控，不受制于人。所使用的GaN固态功放，三阶交调等非线性指标优于行放6dB以上，杂散优于行放15至20dB，地面加速试验寿命大于15年相当。
国产龙芯CPU处理器
- 龙芯1E（简称LS1E）芯片设算录标是以龙芯1号处理器为运计所心的高性能应用处理器SOC，提供所断控制处、定时处、RS232 串口控制处、浮点处理器、PCI 和存储处接口（存储处接口支持 SDRAM 和 Flash ROM）。 可靠性计算以龙芯处器理、外围 IP 为设算基础，同时对各子模块进行结构级可靠性加固。
- 使用龙芯CPU，解决了我国国产航天处理器的空白，避免了PROM禁限运的风险，具备较高的抗单粒子性能，具备在轨重构和自主逻辑恢复的功能，具备较高的运行性能。
北斗导航的发展方向
更高的定位精度
- 在北斗导航定位系统中，误差的来源有如下的几个方面：1.轨道误差；2.钟误差；3电离层误差；4.对流层误差；5.多径误差；6.接收机误差；7.信号误差。针对所存在的多种误差，可采用RTD实时动态伪码相位差分的方式提高地位精度，能够实现实时动态亚米级的定位精度，但缺点是需要建设地面基准站，且定位精度会随着距离定位站的距离加大而恶化；也可采用网络RTK即网络实时动态载波相位差分技术，通过控制中心为用户返回的三个最近参考站数据，通过内插算法对于用户的位置进行修正，但该方法需要在有网络连接的情况下才可使用，且需要在地面部署大量的基准站；也可使用PPP精密单点定位技术，该技术不需要自己建设参考站，通过使用IGS等机构提供的免费参考站数据，结合双频接收机模型与对流层模型，也可实现高精度的定位。
综合PNT技术
- 所谓综合PNT技术，即基于多种不同原理的PNT信息源，经过多源数据融合，生成时空基准统一的且具有抗干扰、防欺骗、稳健可用、连续、可靠的PNT服务信息。通过高集成度且低功耗的传感器，通过不同原理获取到不同种类的信息源，再进行自适应多源信息融合，从而获得时空基准统一的PNT服务。
- 例如，北斗室内+室外无缝导航的应用。通过北斗定位技术+WIFI、RFID、蓝牙5.0、UWB、红外、超声波等室内定位技术，从而实现室内和室外的无缝导航连接，使得导航无处不在，提高定位精度和定位覆盖率，使得北斗定位技术能够更为广泛的使用。