一、導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)原理區(qū)別
衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已先后發(fā)展了兩大類：
一類衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是采用多普勒測速原理，即利用測量導(dǎo)航信號的多普勒頻移來求出距離變化率進(jìn)行導(dǎo)航定位，但由于這種方式存在不能連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航等一些缺點(diǎn)，所以采用這種原理的衛(wèi)星導(dǎo)航現(xiàn)已基本沒有了。
另一類衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用時(shí)間測距原理，即利用測量導(dǎo)航信號傳播時(shí)間來求出距離進(jìn)行導(dǎo)航定位，目前大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用這種方式，包括三代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星，但即使這樣，它們?nèi)愿鞑幌嗤?
因?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又可分有源(主動式)和無源(被動式)兩種。我國北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用有源方式，即用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)要主動向衛(wèi)星發(fā)送信號，北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用無源和有源相結(jié)合的方式，進(jìn)行無源衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)，用戶只需接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號。美國的“全球定位系統(tǒng)”、俄羅斯的“格洛納斯”、歐洲的“伽利略”等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用無源方式。
1）北斗一號定位原理
北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是通過采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)方式來確定用戶的位置。在平時(shí)，地面中心站經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星不斷向用戶詢問是否需要定位的信號，而用戶終端一般只處于光收聽不發(fā)信息的狀態(tài)。當(dāng)需要定位時(shí)，用戶終端分別經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星向中心站發(fā)送需要定位的申請信號。這時(shí)，地面中心站通過測量信號的往返時(shí)間來算出用戶終端分別到每顆衛(wèi)星的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的，所以可以用這2個(gè)距離測量數(shù)據(jù)進(jìn)一步推算出用戶位置。最后，地面中心站將該定位信號經(jīng)1顆衛(wèi)星傳給用戶終端。
采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)所需衛(wèi)星少，只要2顆衛(wèi)星就行；具有導(dǎo)航定位、發(fā)短報(bào)文和精密授時(shí)等多種功能。但其定位精度不高，系統(tǒng)用戶容量有限。
2）北斗二號和北斗三號定位原理
北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際首次實(shí)現(xiàn)了采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)相結(jié)合的集成體制方式來為用戶導(dǎo)航定位。所謂衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，就是用戶被動測量來自至少4顆在衛(wèi)星時(shí)鐘控制下的導(dǎo)航衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送的無線電導(dǎo)航信號，并根據(jù)這些衛(wèi)星信號的不同傳輸時(shí)間，來測定用戶到這些衛(wèi)星的不同距離，然后通過用戶終端的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到用戶的三維坐標(biāo)與速度。
北斗星座.jpg
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)圖
二、導(dǎo)航覆蓋范圍區(qū)別
根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的信號覆蓋范圍，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可分為區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國的北斗一號、二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本、印度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等屬于前者，美國、俄羅斯、歐洲和我國的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于后者。
三、導(dǎo)航衛(wèi)星軌道不同
導(dǎo)航衛(wèi)星還可根據(jù)衛(wèi)星的軌道高度，分成近地軌道、地球中圓軌道、傾斜地球同步軌道和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星幾種。我國北斗一號為地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星，而北斗二號和三號導(dǎo)航星座都由地球中圓軌道導(dǎo)航衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星組成。目前，美國、俄羅斯和歐洲的導(dǎo)航衛(wèi)星都運(yùn)行在地球中圓軌道，印度和日本的導(dǎo)航衛(wèi)星星座均由傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星組成。
四、北斗三代獨(dú)有的特點(diǎn)
具有高精度、高可靠、高保險(xiǎn)、多功能的“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有一些美國、俄羅斯和歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的性能和特點(diǎn)，例如，其空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，且與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，因此抗遮擋能力強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯；北斗三號可提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度；該衛(wèi)星系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。
由于北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星需采用許多新技術(shù)，為此，我國在2015年至2016年陸續(xù)發(fā)射了5顆北斗三號試驗(yàn)衛(wèi)星，驗(yàn)證了以高精度星載原子鐘、星座自主運(yùn)行等為代表的衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)，以輕量化、長壽命、高可靠為典型特征的衛(wèi)星平臺關(guān)鍵技術(shù)，基于星地鏈路、星間鏈路、全新導(dǎo)航信號體制的導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)，以及98%的國產(chǎn)化器件，關(guān)鍵器件均為“中國造”。
從2017年11月5日發(fā)射首批北斗三號(2顆)地球中圓軌道導(dǎo)航衛(wèi)星起，我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。與北斗二號相比，除了服務(wù)區(qū)域由區(qū)域覆蓋擴(kuò)大到全球覆蓋外，北斗三號在精度和可靠性上都有很大的提高。其單星設(shè)計(jì)壽命由以前的8年提高到10至12年，并首次提出“保證服務(wù)不間斷”指標(biāo)。
另外，還有以下重大技術(shù)創(chuàng)新或改進(jìn)。北斗三號中圓地球軌道衛(wèi)星采用了新型的導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺，它具有功率密度大、載荷承載比重高、設(shè)備產(chǎn)品布局靈活、功能拓展適應(yīng)能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)，可為系統(tǒng)后續(xù)功能和需求拓展提供更大的適應(yīng)能力，將實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、授時(shí)和導(dǎo)航的服務(wù)業(yè)務(wù)，兼容天基數(shù)據(jù)傳輸、新業(yè)務(wù)載荷的在軌應(yīng)用，能作為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的廣播節(jié)點(diǎn)。作為世界上**的由3種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗三號未來還將按照國際標(biāo)準(zhǔn)增加全球搜救、全球位置報(bào)告、星基增強(qiáng)等拓展服務(wù)。
北斗三號地球靜止軌道衛(wèi)星與傾斜地球同步軌道衛(wèi)星采用大型衛(wèi)星平臺，它能集成多種載荷，兼容實(shí)現(xiàn)天基增強(qiáng)、可動點(diǎn)波束功率增強(qiáng)、短報(bào)文通信與位置報(bào)告等系統(tǒng)；成為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。
北斗三號衛(wèi)星星座首次配備了相控陣星間鏈路(在衛(wèi)星之間搭建的通信測量鏈路)，解決了境外監(jiān)測衛(wèi)星的難題，成為一大特色。這樣能實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行在境外的衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測、注入功能，并可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向精密測距和通信，從而能夠進(jìn)行多星測量，自主計(jì)算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時(shí)鐘系統(tǒng)，大大減少對地面站的依賴，提高整個(gè)系統(tǒng)的定位和服務(wù)精度。星間鏈路是“北斗”實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵，不僅實(shí)現(xiàn)了北斗衛(wèi)星相互間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，還能相互測距，自動“保持隊(duì)形”，減輕地面管理維護(hù)壓力。所謂自主導(dǎo)航，就是指即使地面站全部失效，30多顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供精準(zhǔn)定位和授時(shí)，地面用戶通過手機(jī)等終端接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，仍舊能進(jìn)行定位及導(dǎo)航。
眾所周知，導(dǎo)航衛(wèi)星上的原子鐘性能對整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能有重要影響。北斗三號衛(wèi)星采用我國新型高精度銣原子鐘和氫原子鐘。與北斗二號衛(wèi)星采用的原子鐘相比，北斗三號上的原子鐘在產(chǎn)品體積、重量方面大幅降低，每天的頻率穩(wěn)定度提高了10倍，綜合指標(biāo)達(dá)到國際**水平。其上的氫原子鐘精度將比北斗二號的星載銣原子鐘提高一個(gè)數(shù)量級。銣原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－14秒量級，氫原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－15秒量級。原子鐘技術(shù)的進(jìn)步，直接推動了“北斗”系統(tǒng)的定位精度由10米量級向米級跨越，測速和授時(shí)精度同步提高一個(gè)量級。
北斗三號進(jìn)一步提升了連續(xù)性、穩(wěn)定性和可用性的指標(biāo)，采用多項(xiàng)新技術(shù)提高了衛(wèi)星的抗干擾能力，非計(jì)劃中斷指標(biāo)為每年0.4次，達(dá)到國際先進(jìn)水平。它采用了多重可靠性“加固”措施，可******限度增強(qiáng)系統(tǒng)的保險(xiǎn)系數(shù)。比如，系統(tǒng)建成后運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量大于服務(wù)必需衛(wèi)星數(shù)，即衛(wèi)星有備份；配備了多臺銣原子鐘，形成“雙保險(xiǎn)”一起提供服務(wù)；還采用了軟件冗余、故障自我診斷和故障自我修復(fù)等多項(xiàng)措施，可保證系統(tǒng)可靠性。
該衛(wèi)星還在世界上首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌自主完好性監(jiān)測功能，這一功能對民航、自動駕駛等生命安全領(lǐng)域用戶來說，具有極強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。它將增加性能更優(yōu)的互操作信號，即與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性更好的信號B1C和B2a信號。其全新的導(dǎo)航信號體制和強(qiáng)大的在軌重構(gòu)功能，也將**地提升用戶體驗(yàn)，因?yàn)橥ㄟ^兼容互操作技術(shù)，可為用戶能在終端上接收多個(gè)信號奠定基礎(chǔ)，給用戶提供多種選擇方案。
北斗衛(wèi)星是怎么導(dǎo)航定位的我國第一代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗一號與第二代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗二號以及第三代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗三號在工作原理上有明顯不同之處。北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是通過采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)方式來確定用戶的位置。在平時(shí)，地面中心站經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星不斷向用戶詢問是否需要定位的信號，而用戶終端一般只處于光收聽不發(fā)信息的狀態(tài)。當(dāng)需要定位時(shí)，用戶終端分別經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星向中心站發(fā)送需要定位的申請信號。這時(shí)，地面中心站通過測量信號的往返時(shí)間來算出用戶終端分別到每顆衛(wèi)星的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的，所以可以用這2個(gè)距離測量數(shù)據(jù)進(jìn)一步推算出用戶位置。最后，地面中心站將該定位信號經(jīng)1顆衛(wèi)星傳給用戶終端。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)所需衛(wèi)星少，只要2顆衛(wèi)星就行；具有導(dǎo)航定位、發(fā)短報(bào)文和精密授時(shí)等多種功能。但其定位精度不高，系統(tǒng)用戶容量有限。北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際首次實(shí)現(xiàn)了采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)相結(jié)合的集成體制方式來為用戶導(dǎo)航定位。所謂衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，就是用戶被動測量來自至少4顆在衛(wèi)星時(shí)鐘控制下的導(dǎo)航衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送的無線電導(dǎo)航信號，并根據(jù)這些衛(wèi)星信號的不同傳輸時(shí)間，來測定用戶到這些衛(wèi)星的不同距離，然后通過用戶終端的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到用戶的三維坐標(biāo)與速度。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是我國自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。為了擺脫對GPS 和GLONASS 導(dǎo)航產(chǎn)品的依賴，我國從上世紀(jì)90 年代便開始研制和建設(shè)BDS，并制定了“三步走”的戰(zhàn)略規(guī)劃。1970年，中國開始研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)和方案。1994年，啟動北斗一號系統(tǒng)工程建設(shè)。2000 年，首先建成了北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益；2012 年實(shí)現(xiàn)了對亞太地區(qū)提供定位授時(shí)和短報(bào)文服務(wù)； 2016 年初，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)共有21 顆在軌衛(wèi)星，其中有5 顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。2020年6月23日我國成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第五十五顆導(dǎo)航衛(wèi)星，這標(biāo)志著北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成，具備為全球用戶提供導(dǎo)航、定位及通信服務(wù)的能力，打破GPS 在導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷地位，提高國家的國防軍事力量，捍衛(wèi)國家安全。2035年前計(jì)劃完成第四代低軌道北斗星座建設(shè)目標(biāo)。北斗信號包含B1、B2、B3 三個(gè)頻頻段，其中B1、B2 是民用頻率，B3 是軍用頻率，目前B1 和B2 頻段均已公開，出于政治安全、國防安全、特殊行業(yè)的需求，軍用B3 段僅對國內(nèi)廠商開放，且精度更高。
隨著我國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成和使用，國內(nèi)對衛(wèi)星制導(dǎo)精確打擊武器的需求日益迫切。而在未來GNSS導(dǎo)航戰(zhàn)中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號將會受到各種各樣的電磁干擾，此時(shí)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)極其重要，比如在敵對方的大功率干擾下，如果缺乏相應(yīng)的抗干擾手段，不僅會影響北斗導(dǎo)航精度，甚至使北斗失去導(dǎo)航能力。
相位噪聲和抖動是對同一種現(xiàn)象的兩種不同的定量方式(描述)。抖動是一個(gè)時(shí)域概念，單位是pS或fS。相位噪聲是頻率域的概念，相位噪聲是用偏移頻率fm處1Hz帶寬內(nèi)的矩形的面積, 與整個(gè)功率譜曲線下包含的面積之比表示的，單位為-dBC/Hz。
在晶振的電源輸入端跨接一個(gè)10～100uF的鉭電容或陶瓷電容，供電電壓越低或供電PCB走線越細(xì)，電容的容值應(yīng)相應(yīng)增大以降低將紋波干擾。 除此之外，在晶振的電源輸入端還應(yīng)該跨接一個(gè)0.01uF的陶瓷去耦電容，推薦采取”同層相連”的方法，切不可通過過孔在電源層和地線層相連。
對于OCXO產(chǎn)品還應(yīng)該注意供電系統(tǒng)的功率需大于OCXO的啟動功率并有一定的余量。
由于影響晶振短期穩(wěn)定性的主要因素是溫度變化，在設(shè)計(jì)通盤布局的考慮下，盡量避免將晶振靠近機(jī)箱外殼或靠近溫變較大的部件如風(fēng)扇，還應(yīng)該遠(yuǎn)離大功率射頻器件如射頻功放。 在振動或存在加速度變化的環(huán)境下，還應(yīng)該考慮晶振的受力，確保應(yīng)力分布均勻，并采取有效緩沖等減振措施。
通常人們說的穩(wěn)定度指的是溫度穩(wěn)定度，因?yàn)闇囟确€(wěn)定度是衡量晶振短期穩(wěn)定性的最主要的指標(biāo)。
準(zhǔn)確度指的是在常溫環(huán)境下晶振的輸出頻率fx和中心標(biāo)稱頻率f0比較。公式如下：準(zhǔn)確0度 = (fx- f0) / f0。 影響準(zhǔn)確度的主要因素有晶振出廠準(zhǔn)確度、溫度漂移、電壓特性、負(fù)載特性、老化漂移等。
長期穩(wěn)定度指的是年老化率、10年老化率。
