中国北斗卫星导航系统：轻松学科学

“北斗”卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10 m，测速精度0.2 m/s，授时精度为10 ns。

2012年12月27日，“北斗”卫星导航系统空间信号接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。

2013年12月27日，“北斗”卫星导航系统正式提供区域服务一周年新闻发布会，在国务院新闻办公室新闻发布厅召开，正式发布了《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0 版）》两个系统文件。

2014年11月23日，国际海事组织海上安全委员会审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函，这标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得面向海事应用的国际合法地位。中国的卫星导航系统已获得国际海事组织的认可。图5-1-1为北斗卫星导航系统三种轨道卫星示意图。

图5-1-1 北斗卫星导航系统三种轨道卫星示意图

北斗卫星导航系统空间段由 5 颗静止轨道卫星和 30颗非静止轨道卫星组成。目前，中国已成功发射19颗“北斗”导航卫星，预计 2020 年左右，建成覆盖全球的导航系统。

卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为了更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统（图5-1-2）建设。

北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：

图5-1-2 北斗卫星导航系统

1. 开放性

北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互相操作，推动卫星导航技术与产业的发展。

2. 自主性

中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。(www.xing528.com)

卫星导航原理：校正卫星的轨道位置和系统时间。位于地面的主控站与其运控段一起，至少每天一次对每颗卫星注入校正数据。注入数据包括：星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的，可在几个星期内保持有效。

卫星导航工作原理：卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差，称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。北斗卫星工作原理如图5-1-3所示。

图5-1-3 北斗卫星工作原理图

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，民用的定位精度只有数十米量级。为提高定位精度，普遍采用差分定位技术（如 DGPS、DGNSS），建立地面基准站 （差分台）进行卫星观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分定位技术，定位精度可提高到米级。如图5-1-4所示。

图5-1-4 北斗卫星导航系统定位

这是该系统向其目标迈出的重要一步：被全世界接受，可媲美美国全球定位系统（GPS）。

在2014年11月17日至21日的会议上，联合国负责制定国际海运标准的国际海事组织海上安全委员会，正式将中国的北斗系统纳入全球无线电导航系统。这意味着继美国的GPS和俄罗斯的GLONASS后，中国的导航系统已成为第三个被联合国认可的海上卫星导航系统。专门研究中国太空项目和信息战争的加州大学专家凯文·波尔彼得表示，这是“承认北斗系统能在其覆盖范围内提供足够精确的定位信息”。如图5-1-5所示。

图5-1-5 北斗卫星系统构成图

定位效果分析是导航系统性能评估的重要内容。此前，由于受地域限制，对北斗卫星导航系统全球大范围的定位效果分析只能通过仿真手段。武汉大学测绘学院和中国南极测绘研究中心杜玉军、王泽民等科研人员，在2011—2012年中国第28次南极科学考察期间，沿途大范围采集了北斗和GPS连续实测数据，跨度北至中国天津，南至南极内陆昆仑站。同时还采集了中国南极中山站的静态观测数据。对比分析不同区域静态定位效果，在武汉也进行了静态观测。

科研人员利用严谨的分析研究方法，从信噪比、多路径、可见卫星数、精度因子、定位精度等多个方面，对比分析了北斗和GPS在航线上不同区域、尤其是在远洋及南极地区不同运动状态下的定位效果。

结果表明，北斗系统信号质量总体上与GPS相当。在45°以内的中低纬地区，北斗动态定位精度与GPS相当，水平和高程方向分别可达10米和20米左右；北斗静态定位水平方向精度为米级，也与GPS相当，高程方向10米左右，较GPS略差；在中高纬度地区，由于北斗可见卫星数较少、卫星分布较差，定位精度较差或无法定位。

“现阶段的北斗已经实现区域定位，但还不具备全球定位能力，北斗与GPS在定位效果上的差异，主要是由卫星数量和分布造成的。”武汉大学中国南极测绘研究中心副主任王泽民教授说，“截至研究数据采集结束时，北斗系统在轨卫星数为 11 颗。上个月，我国成功发射了新一代北斗导航卫星，北斗系统在轨卫星数达到了 17 颗。随着北斗系统全球组网拉开帷幕，相信今后的实测数据一定会更加精彩。”