认识北斗卫星导航

全世界卫星导航系统的构成

可以看到目前拥有全球卫星导航系统的有四个成员，美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯系统、欧盟的伽利略系统，以及中国的北斗卫星导航系统。它们在不同轨道错综交织，组成了一张张导航系统的“天网”。

现在的科学技术是非常的发达了，那么在科学技术非常落后的古代，人们用什么方法来辨别方向呢？一个简单实用的办法是观察天空——白天用太阳辨别方向，日出为东，日落为西，中午太阳在南；夜间则用北斗七星来辨别方向。

北斗七星是由大熊座的七颗明亮的恒星组成的，在北天排列成斗形，常被当作指示方向的重要标志。北斗七星的中国星名（按照由斗口至斗杓（sháo）连线的顺序）分别为天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳和摇光。前四颗称“斗魁”，后三颗称“斗杓”。通过斗口天璇至天枢的连线再延长5倍可以找到北极星。北极星指示的方向便是正北方。

指南针又称指北针，是四大发明之一，其前身是中国的司南。指南针的主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上，磁针的北极指向地球北极，人们利用它的这一性能辨别方向。

最初使用指南针时，可能没有固定的方位盘，后来为了满足使用便利性的需要，集磁针和方位盘于一体的罗盘出现了。罗盘上刻画了二十四个方向，这样一来只要看一看磁针在罗盘上的位置，就能判断出方向来。

三点定位法

平面就是三个圆的交点。当没有导航时，找人可以用这个粗略的方法。

现实生活中，我们不仅要在陆地上定位，还要在海上和空中定位，如飞机在某个时刻处于什么位置，那就是三维情况。采用的方法与前面叙述的完全类似，只是从平面问题变为立体问题

如果同时知道四个点呢？位置就更准确了。

汽车同时接收4颗卫星的信号

卫星定位

卫星定位原理与前面叙述的一样，只是把已知建筑物“搬到了”太空，通过卫星进行导航定位。为了使地球表面绝大部分地区都能接收到卫星信号，对太空中卫星的数量有一定的要求，如美国的全球定位系统（GPS）星座由24颗卫星构成，除了极区之外，地球表面任一位置都能同时接收到4颗以上卫星的信号，以确保定位的精度。

现代城市高楼林立，对卫星信号有遮挡，这种现象称为“城市森林”问题。多种导航定位系统并存，增加导航卫星的数量可在一定程度上缓解这个问题。

卫星定位的原理

卫星定位可以通过三个步骤实现。

1 确定空间的参考点（S），这些参考点就是导航卫星所在位置，在确定的时刻，卫星位置是已知的

2 测量待定点到各个导航卫星的距离（R）

3 根据几何关系，计算待定点的位置（X）

卫星的位置（S）是怎么知道的呢？根据卫星的轨道和地面测控站的数据，就可以确定任一时刻卫星的位置。

怎样确定待定点到卫星的距离（R）呢？

原理就是将电磁波从卫星传输到用户（待定点）所用的时间乘以光速。

在具体操作过程中，卫星和待定点的接收机已经把许多事情都准备好了。导航卫星发射编码信号，接收机接收到的信号会有时间延迟，即下图中所示的Δt；用这个延迟时间乘以光速，就是待定点到卫星的距离。

现在知道了导航定位的原理，下面来了解一下天网四个成员各自的系统。

美国的全球定位系统（GPS）

由空间部分、地面控制部分和用户部分构成。GPS是美国国防部研制和维护的中距离圆形轨道卫星导航系统，它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。

• 全天候，不受任何天气的影响；
• 全球覆盖（覆盖率高达98%）；
• 三维定点定速定时，高精度；
• 快速、省时、高效率；
• 应用广泛、多功能；
• 可移动定位

空间部分由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的倾角为55°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。卫星的轨道高度20200千米，轨道周期11小时58分。

卫星主要部件包括星载原子钟（铯钟、铷钟和氢原子钟），天线（有12个单元的多波束定向天线和全向遥测遥控天线）以及太阳能电池板与蓄电池。

其中高精尖的武器是高精度铯原子钟，稳定度为10-13～10-14，具有抗辐射性能，它发射的标准频率信号为GPS定位提供高精度的时间标准。

卫星产生两组电码，一组称为C/A码；一组称为P码，P码频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国国防方面管制，并设有密码，主要为美国国防方服务。C/A码在被人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放作为民用。

地面监控部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站构成，分布于地面的5个地点。

用户设备由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机，手机等）组成。

俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）

由卫星、地面测控站和用户设备三部分组成，目前的系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度19000千米，运行周期11小时15分钟。

在技术方面，GLONASS的抗干扰能力比GPS要好，但其单点定位精确度不及GPS系统。

在技术方面，GLONASS与GPS相比有以下几点不同之处：

• 卫星发射频率不同。基于这个原因，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。
• 坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PZ-90）。
• 时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。

欧盟的伽利略系统（Galileo）

卫星星座由27颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，轨道高度23616千米，轨道倾角为56°。卫星寿命预期在12年以上。

由于伽利略卫星数量多，轨道位置高，覆盖面积将是GPS的2倍，所以其测量精度高，抗干扰性能强，并且能够与GPS、GLONASS系统兼容。

与GPS相比，伽利略系统具有自己的优势。

首先，它是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，这就在无形中极大地提高了导航定位的精度，这是伽利略计划给用户带来的直接好处。

其次，伽利略计划是欧盟自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，可提供高精度、高可靠性的定位服务，实现完全非国防控制、管理，可以实现覆盖全球的导航和定位功能。

伽利略系统还能够和GPS、GLONASS实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用1个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。

再次，伽利略系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时它还能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果通信失败，也能在几秒内通知客户。

与美国的GPS相比，伽利略系统更先进，也更可靠。例如，GPS向别国提供的卫星信号只能发现地面大约10米长的物体，而伽利略系统的卫星则能发现1米长的目标。

中国的北斗卫星导航

北斗卫星导航试验系统

20世纪70年代末，航天专家陈芳允院士提出了利用两颗地球同步轨道通信卫星实现区域快速导航定位的方案设想。1989年，我国利用通信卫星进行验证试验，证明了北斗试验系统技术体制的正确性和可行性。1994年，我国启动了北斗卫星试验系统建设。

2000年10月31日、12月21日，我国先后发射两颗北斗导航试验卫星，分别定点于东经140°和东经80°，建成了北斗卫星试验系统。2003年5月25日，我国发射了第三颗北斗导航试验卫星，定点于东经110.5°，进一步增强了北斗卫星的导航性能。第三颗星为在轨备份卫星。

北斗试验系统由空间卫星、地面主控站（控制中心）与标校站、用户终端设备三大部分组成，它具有快速二维定位、双向简短报文通信和精密授时三大基本功能。该系统基于“二球交会”原理进行定位，即以2颗卫星的已知位置坐标为圆心，各以测定的本星至用户机的距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。地面控制中心存储的电子高程地图库提供1个以地心为球心，以球心至用户机的距离为半径的球面。求解圆弧线与该球面的交点，并根据用户在赤道平面北侧的实际情况，即可获得用户的二维位置坐标。

二维水平定位精度为20米（不设标校站区域该精度为100米），双向授时精度20纳秒（单向授时精度100纳秒），与GPS系统的民用精度基本相当，能满足用户导航定位和授时要求。

北斗试验系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信能力。系统一般用户1次可传输36个汉字，经核准的用户利用连续传送方式1次最多可传送120个汉字。这种双向简短报文通信服务，可有效地满足通信信息量较小，但即时性要求却很高的各类型用户应用系统的要求。这是已广泛应用的国外卫星导航定位系统（如GPS、GLONASS）并不具备。

两点定位的缺点在于系统的有源定位体制使用户定位的隐蔽性、实时性较差，用户容量受限。

即用户需要发射信号，这种工作方式使用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在国防方面是不利的。另外，北斗试验系统对地面控制中心的依赖性大，一旦其地面中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

此外北斗试验系统从用户发出定位申请，到收到定位结果，整个定位响应时间最快为1秒，即用户终端机最快可在1秒后完成定位。这1秒的定位时延对飞机、导弹等高速运动的用户来说是比较长的。

北斗的卫星轨道比较特殊，因此有必要先了解下卫星轨道。

人造卫星依靠地球的引力运行，当卫星具有了一定的速度时，便可以绕着地球做圆周运动，而不会从天上“掉下来”。

根据卫星运行的高度，卫星轨道分为以下3类。

• 低轨道（Low Earth Orbit, LEO）：卫星飞行高度小于2000千米；
• 中高轨道（Medium Earth Orbit, MEO）：卫星飞行高度在2000～35786千米之间；
• 高轨道（High Earth Orbit, HEO）：卫星飞行高度大于等于35786千米。

卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角称为轨道倾角，它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。

除以上3种卫星轨道外，还有两种特殊的轨道：当轨道高度为35786千米时，卫星的运行周期和地球的自转周期相同，这种轨道称为地球同步轨道。

如果地球同步轨道的倾角为0°，则卫星正好在地球赤道上空，以与地球自转相同的角速度绕地球飞行，从地面上看，好像是静止的，这种卫星轨道称为地球静止轨道（Geostationary Orbit, GEO），它是地球同步轨道的特例。地球静止轨道只有一条。

如果地球同步轨道的倾角不为0°，则称为倾斜地球同步轨道（InclinedGeosynchronous Orbit, IGSO）。

考虑到北斗卫星导航试验系统的不足，我国第二代无源全球卫星导航系统，即北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）应运而生。

北斗卫星导航系统

北斗系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成。

间星座部分由5颗地球静止轨道（GEO）卫星和30颗非地球静止轨道卫星组成。GEO卫星分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。

非地球静止轨道卫星由27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。其中，MEO卫星轨道高度21500千米，轨道倾角55°，均匀分布在3个轨道面上；IGSO卫星轨道高度35786千米，均匀分布在3个倾斜地球同步轨道面上，轨道倾角55°,3颗IGSO卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，相位差120°。

地面控制部分由若干主控站、注入站和监测站组成。

用户终端部分是指各类北斗系统用户终端，以及与其他卫星导航系统兼容的终端（华为mate50 ）

地球静止轨道（GEO）是轨道高度为35786千米，卫星的运行周期和地球的自转周期相同，轨道倾角为0°的轨道。在这样轨道上的卫星有很多优点，在区域卫星导航系统中可充分利用。由于GEO位置很高，每颗卫星可覆盖地球表面的42%，而每颗中轨的GPS卫星只能覆盖37.9%，所以采用GEO卫星可减少星座的卫星数量。

IGSO轨道卫星克服了GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题，可以对高纬度地区进行有效的信号增强。3颗IGSO卫星轨道最北到北纬55°，可在我国领土范围内进行有效的精度增强，同时也可克服高纬度地区始终是低仰角的问题。

北斗提供的服务

北斗系统的开放服务面向全球范围，定位精度10米、授时精度20纳秒、测速精度0.2米/秒；授权服务包括全球范围更高性能的导航定位服务。北斗系统还提供亚太地区的广域差分服务和短报文通信服务，其中广域差分服务精度1米，短报文通信服务能力为每次120个汉字。

北斗系统在B1、B2和B3三个频段上发射三路开放服务导航信号、三路授权服务导航信号。

北斗系统的系统时间称北斗时（BDT）。北斗时属原子时，起算历元时间是2006年1月1日0时0分0秒（UTC，协调世界时）。BDT溯源到中国协调世界时UTC（NTSC，国家授时中心），与UTC的时差控制准确度小于100纳秒。

北斗系统与GPS对比

• 北斗系统的混合轨道适合一箭多星发射，并便于轨道及卫星的维护和管理，而GPS-2不具备；
• 北斗卫星在地球上任何地方、任何时间的可见数量和可见时间以及所测卫星的空间几何分布均优于GPS-2。
• 北斗系统与GPS-2均采用3频信号体制，工作频率较为接近，测距码都有粗码（民用码）和精码（非民用码）之分，二者的信号功率和抗干扰能力相当，但北斗系统信号的设计体制要优于GPS-2。
• 北斗系统与GPS-2的卫星上都装有激光反射镜和铷原子钟，精密定轨精度相当。
• 北斗系统的定位精度优于10米，实际上在有效降低卫星星历误差和卫星钟差的前提下，利用双频电离层改正模型对大气延迟进行实时精确的改正后，北斗系统用户的单点定位精度有望能提高到5米，甚至更高，从而超过GPS-2宣称的定位精度为5～10米的水平。
• 北斗系统在5颗地球静止轨道（GEO）卫星上采用卫星无线电导航和卫星无线电测定的双重体制，不仅能与其他轨道卫星一起提供无源定位服务，还能由这5颗GEO卫星向区域用户提供有源定位、位置报告和短报文通信服务（这5颗GEO卫星还兼有太空基站的作用，能向我国及周边地区用户提供精度优于1米的广域差分服务），而GPS采用单一的卫星无线电导航体制，所以只能为全球用户提供导航、定位、测速和授时服务。
• 北斗系统与GPS-2具有很强的兼容共用能力。

咱们之前提到卫星的高精尖武器就是原子时钟。

原子由原子核和电子组成，电子绕原子核高速旋转，有不同的旋转轨道。电子在不同的旋转轨道上具有不同的能量，这些能量是不连续的，称为能级。电子在不同的能级之间可以跃迁，当电子从一个高“能量态”跃迁至低“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波的频率就是人们所说的共振频率。同一种原子的同一种跃迁的共振频率是一定的，例如铯133的一个共振频率为9192631770赫兹。由于共振频率非常稳定，利用它制作的计时仪器就可以非常准确了。

平时看到的石英表，就是利用石英的震荡频率是每秒32768次，刚好是2的15次方，这对于二进制就很友好，因为电路就是0和1，所以采用石英做时钟计数，每当它数到32768次时，电路就会传出信号，让秒针往前走一秒。

现在用在原子钟里的元素有氢、铯和铷等，它们制成的原子钟分别以这些元素的名字命名，如铯原子钟等。

1967年，第13届国际计量大会上通过了以无干扰的铯133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁辐射的9192631770个周期的持续时间为1秒的定义，这就是原子秒，也就是我们所说的1秒。

由中国航天科工集团公司第二研究院203所研制的星载铷原子钟，作为关系到整个卫星系统导航定位精度的核心部件，为北斗精确导航定位提供了重要保障。这些原子钟实现了元器件100%国产化，日稳定度已经达到10-15量级，属国内领先水平，国际先进水平，已经超越了伽利略卫星系统中所使用的铷原子钟，并能够与GPS系统中的铷原子钟相媲美。它为北斗系统提供了可靠的高精度频率基准，保证了卫星的定位精度和测速精度。

未来精度更高的原子钟的工作物质是超冷原子，预计基于超冷原子的光钟的精度可达10万亿年误差为1秒，比目前的铯原子钟的精度高10万亿倍。高精度冷原子钟也是未来的超快振荡器，它的振荡频率达每秒100万亿次，是目前个人计算机速度的10万倍！

至于北斗的应用，可以说是在国民生活的各个领域都得到了极大的应用，让普通大众得到了实惠。

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