中国北斗卫星导航定位系统概述

北斗卫星导航系统﹝Bei Dou Navigation Satellite System﹞(英文简称“COMPASS”，中文音译名称“BD”或“Beidou”)是中国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，包括北斗一号和北斗二号两代导航系统。其中北斗一号用于中国及其周边地区的区域导航系统，北斗二号是类似美国GPS的全球卫星导航系统。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。该系统主要服务国民经济建设，旨在为中国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及国家安全等诸多领域提供高效的导航定位服务。与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO并称为全球四大卫星定位系统。2011年12月27日，北斗卫星导航系统开始试运行服务。2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。

1. 北斗一号卫星导航定位系统

卫星导航定位系统涉及政治、经济、军事等众多领域，对维护国家利益有重大战略意义。我国2000年以来，已经发射了4颗北斗导航试验卫星，组成了具有完全自主知识产权的第一代北斗导航定位卫星试验系统——北斗一号。该系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。该系统建成后，主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航定位服务，将对我国国民经济和国防建设起到有力的推动作用。第一代北斗一号卫星导航定位系统由3颗地球静止轨道卫星组成，其中两颗工作，一颗在轨备用。登记的卫星位置为赤道面东经80°、140°、110.5°(备用)。登记的频段是: 上行为L频段(1610～1626.5MHz)，下行为S频段(2483.5～2500MHz)。

北斗一号导航定位系统的定位基本原理是空间球面角会测量原理。就是以两颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机的距离为半径，形成两个球面，用户机必然位于这两个球面的交线的圆弧上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心，以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面的交点，并已知目标在北半球，即可获得用户的二维位置。如图1.6所示。定位过程采用了主动式定位方法，地面中心站通过两颗卫星向用户广播询问信号，根据用户的应答信号，测量并计算出用户到两颗卫星的距离; 然后根据地面中心的数字地图，由中心站计算出用户到地心的距离，根据卫星1、卫星2和地面中心站的已知坐标，以及已知用户目标在赤道平面的北侧，中心站便可计算出用户的三维位置，用户的高程则由数字地面高程求出。用户的三维位置由卫星加密后播发给用户。北斗导航定位系统有以下三大功能:

(1)快速定位

北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实施定位服务。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，可提供数十纳秒级的时间同步精度。

图1.6 双星定位原理示意图

(2)简短通信

北斗导航系统用户终端具有双向短报文通信能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。

(3)精密授时

北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。

2. 北斗二号卫星导航定位系统

为了满足我国国民经济和国防建设的发展要求，我国在2007年初发射两颗北斗静止轨道导航卫星，2008年左右满足中国及周边地区用户的卫星导航的需求，并进行组网试验。初步建设成由5颗静止轨道卫星、30颗非静止轨道卫星组成的卫星导航定位系统，并逐步扩展为全球导航定位卫星系统(北斗二号)。北斗二号卫星导航系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。

(1)空间段

空间段包括五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星。地球静止轨道卫星分别位于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗同步轨道卫星组成。

(2)地面段

地面段包括主控站、卫星导航注入站和监测站等若干个地面站。主控站主要任务是收集各个监测站段观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星段跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。

(3)用户段

用户段包括北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。系统采用卫星无线电测定(RDSS)与卫星无线电导航(RNSS)集成体制，既能像GPS、GLONASS、GALILEO系统一样，为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告以及短报文通信功能。按照用户的应用环境和功能，北斗用户终端机可分为以下几种类型:

①基本型: 是用于一般车辆、船舶及便携等用户的导航定位应用，可接收和发送定位及通信信息，与中心站及其他用户终端机双向通信。(www.xing528.com)

②通信型: 适用于野外作业、水文预报、环境监测等各类数据采集和数据传输用户，可接收和发送短信息、报文，与中心站及其他用户终端机双向或单向通信。

③授时型: 适用于授时、校时、时间同步等用户，可提供数十纳秒级的时间同步精度。

④指挥型: 适用于小型指挥中心的调度指挥、监控管理等用户，具有鉴别、指挥其下属其他北斗用户终端机的功能。可与下属用户机及中心站进行通信，接收下属用户报文，并向下属用户发送指令。

⑤多模型用户机: 既能利用北斗系统导航定位或通信信息，又可以利用GPS系统或GPS增强系统的卫星信号导航定位。适用于对位置信息要求比较高的用户。

3. 北斗导航定位系统与GPS系统的比较

(1)覆盖范围

北斗导航定位系统目前是覆盖我国本土的区域性系统。覆盖范围是东经70°～145°，北纬5°～55°的地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度±10m。而GPS系统是覆盖全球、全天候的导航定位系统。

(2)卫星数量与轨道特性

北斗导航系统的两颗卫星为地球同步卫星，分别定点在东经80°和140°的赤道平面上空，赤道角距约60°。GPS卫星为24颗，分布在6个轨道平面上，轨道倾角55°，赤道面角距60°，且为准同步轨道，绕地一周11h58min。

(3)定位原理

北斗导航系统是主动式双向报文通信二维导航，即由地面控制中心系统解算后播发给用户。这种工作原理带来两方面问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利; 二是由于用户设备必须包含发射机，导致在体积、价格、功耗、质量方面处于不利地位。GPS属于被动式单向通信伪码测距三维导航，用户只需接收卫星信号便可独立解算自己的位置，保密性强。

(4)定位精度

北斗导航系统的定位精度为10m，授时精度为50ns，测速精度为0.2m/s。GPS的定位精度P码目前已由16m提高到6m，C/A码目前已由25～100m提高到12m，授时精度为20ns。

(5)用户容量

北斗导航系统是双向通信的询问—应答系统，用户容量取决于允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。系统能容纳用户数约为每小时540000户。因为GPS是被动式定位，故没有用户限制，或者说可容纳无限用户。

(6)生存能力

和所有导航系统一样，北斗导航系统也是基于地面控制中心和卫星来实现导航定位的。但北斗系统对控制中心的依赖性，要比其他系统大得多。一旦控制中心受损，整个系统就会瘫痪。因此，GPS系统正在发展卫星间的横向数据链技术，目的是万一主控站被毁，GPS卫星仍可以独立运行。

(7)实时性

北斗一号用户的定位申请要送回系统控制中心，中心解算出用户的三维为之后再发回用户，时间延迟较长。因此，对于高速运动物体，就加大了定位的误差。此外，北斗导航系统所具有的短信通信功能又是GPS系统所不具备的。