北斗卫星导航系统介绍

北斗卫星导航系统

导言

2020年3月9日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第五十四颗导航卫星。距离北斗三号系统建成，仅一步之遥。从双星导航定位到54颗北斗嵌满星空，中国北斗走过了28载问天路。作为北斗的受益者，我们需要去了解这一段历史，看看我国北斗如何一步一步走向成功，走向未来。

概况介绍

北斗卫星导航系统（英文名称：BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。（1）空间段。北斗系统空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成混合导航星座。（2）地面段。北斗系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站。（3）用户段。北斗系统用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。该系统是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

发展背景

（1） 国际背景
1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星sputnik。尽管这颗卫星构架十分简单，但却给了美国海军很多的启示。在此之前，美国海军采用一种陆基双曲无线电导航系统对军舰进行海上定位，但其作用范围小、定位精度低且仅支持二维定位。美国海军敏锐地感知到卫星定位的优势与潜力，与美国国防部高级研究计划局共同研究海军导航定位系统并成功开发出了世界上第一个卫星导航系统——子午（Transit）卫星系统。在子午卫星系统的基础上，经过20年的研究建设，美国完成了其全球导航卫星系统的研制工作；当时正值冷战期间，前苏联紧追不舍，也提出了建设导航卫星系统的设想，也顺利完成了GLONASS系统的建设工作。
（2）国内背景
1970年我国发射了第一颗人造地球卫星—东方红一号。此后我国一直对卫星导航系统的建设进行研究、论证。但由于我国经济、技术等条件的限制，难以发展类似于美国和苏联的全球定位系统，“先区域、后全球”是当时最符合中国国情的。1990年海湾战争爆发，美国军队将GPS系统应用于军事作战，压倒性地取得战争的胜利，让中国开始意识到卫星导航系统的重要价值。1983年，以陈芳允院士为代表的专家学者提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想，通过大量理论和技术上的研究工作，双星定位系统的概念逐步明晰。1994年，基于陈芳允院士的方案，我国启动了北斗卫星导航系统的建设。

发展历程

（1）北斗一号系统
中国在2000年10月和12月共发射2颗地球静止轨道卫星，建成北斗一号系统并投入使用。该系统中采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第3颗地球静止轨道卫星（该颗卫星是导航定位系统的备份星），它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息进一步增强系统性能。这也标志着我国成为世界上第三个建立完善的卫星导航系统的国家。
与此同时，欧盟国家为了不过度依赖美国的GPS，打算开始研发欧盟独立的导航系统，并向中国抛出了“橄榄枝”。中国为此项目研发给予2.7亿美元的资金援助，但在研发过程中遭受不公的待遇，如无法进入计划决策机构、核心技术的研究对中国保密、技术合作开发上故意设置阻碍。在投入与收获极度不平衡的情况下，中国开始把研发注意力转移到沉寂多年的“北斗”系统中。在经过一代北斗人的不懈努力，2007年发射的第四颗“北斗”一号导航卫星，替换了退役的卫星，沉寂的“北斗”系统开始被激活。2007年底，中国成功发射了第一颗“中轨道”导航系统卫星，即作为早期系统的备份，有开展相关导航定位实验，标志着“北斗”系统在技术和规划上的重大突破。“北斗”一号系统的覆盖范围是北纬5°-55°，东经70°-140°之间地区，其定位精度为水平精度100米（1σ），设立标校站之后为20米(类似GPS差分状态)。工作频率：2491.75MHz。是一种利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。作为中国独立自主设计的卫星导航系统，不同于其他导航定位系统采用的卫星发射伪测距码的办法，北斗一号系统创造性地提出双星定位的卫星实现方法，打破了国外技术垄断，建立起国际上首个基于双星定位原理的区域有源卫星定位系统——北斗导航卫星试验系统。同时，北斗系统推出的授权服务和短报文通信受到了北斗一代用户的热烈欢迎，授权服务要求用户须事先在系统中注册，北斗方可提供定位服务，在使用中系统会自动识别出用户的位置并报告给指挥调度系统；并提供120个字的短报文通信功能，这使得北斗系统不仅可以让别人知道你在哪儿，还可以让自己知道别人在哪个地方。但北斗一号系统也存在着一定的缺点：系统采用的是有源定位方案，使其定位消耗功率大，在军事上容易暴露位置遭受打击；为了实现双星定位而采用的地球同步轨道太高，影响了系统的定位性能；在定位过程中，用户需向卫星发送信号，由用户之外的中心控制系统完成卫星与用户之间的距离测量并计算出用户的位置，然后由卫星将计算出来的位置发给用户。这种基于中心控制系统的定位解算方案在从用户机发出定位请求到收到定位数据大约需要1秒钟，耗时相对长，无法在高速移动平台上使用，这限制了它在航空和陆地运输上的应用，同时也限制了用户的容量，使得卫星每秒能提供的用户数限制在54万人。
（2）北斗二号系统
2004年8月，中国启动了北斗二号系统工程建设。2012年年底，完成14颗卫星（5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号系统技术体制基础上，增加无源定位体制，采取广播式服务也保留了位置报告、短报文通信服务，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务，成为国际卫星导航系统四大服务商之一。北斗二号系统采用无源定位体制，即空间卫星接收地面运控系统上行注入的导航电文及参数，并且连续向地面用户发播卫星导航信号，用户接收到不少于4颗卫星信号后，进行伪距测量与定位解算，得到定位结果。为了保持地面运控系统各站之间、地面站与卫星之间时间同步，通过站间和星地时间比对观测与处理，完成地面站间和卫星与地面站间时间同步。其分布国土内的监测站点负责对其负责范围内的卫星进行监测，采集各类观测数据后发送至主控站，由主控站完成卫星轨道精密确定及其它导航参数的确定、广域差分信息和完好性信息处理，形成上行注入的导航电文及参数。北斗二号系统突破了区域混合导航星座构建、高精度时空基准建立的关键技术，实现星载原子钟国产化，在国际上首次实现混合星座区域卫星导航系统。区域系统建成后，各项技术指标均与GPS等国际先进水平相当。
（3）北斗三号系统
在前两代星座的肩膀上，北斗三号系统工程于2009年12月正式立项，研发建设工作开始冲刺和领跑，截止2020年3月9日，我国已成功发射北斗系统第五十四颗导航卫星。北斗三号系统由24颗中圆地球轨道、3颗地球静止轨道和3颗倾斜地球同步轨道，共30颗卫星组成，目前发射的是第29颗组网卫星，同时也是第2颗地球静止轨道卫星，该类卫星在星基增强、短报文通信、精密单点定位等特色服务上发挥关键作用。5月份，将按计划发射最后一颗地球静止轨道卫星。届时，北斗三号全球星座部署将全面完成。
与北斗二号相比，除了服务区域由区域覆盖扩大到全球覆盖外，北斗三号在精度和可靠性上都有很大的提高。他可以提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。目前，北斗三号卫星空间信号精度均值为0.41m。在当前星座条件下，B1I、B3I信号，定位精度水平约3.6m，高程约6.6m，测速精度约0.05m/s，授时精度9.8ns（95%置信度），亚太地区精度提升约30%；B1C、B2a信号，定位精度水平约2.4m，高程约4.3m，测速精度约0.06m/s，授时精度19.9ns（95%置信度）。其单星设计寿命由以前的8年提高到10至12年，并首次提出“保证服务不间断”指标。
北斗三号中圆地球轨道卫星采用了新型的导航卫星专用平台，它具有功率密度大、载荷承载比重高、设备产品布局灵活、功能拓展适应能力强等技术特点，可为系统后续功能和需求拓展提供更大的适应能力，将实现卫星导航系统的定位、授时和导航的服务业务，兼容天基数据传输、新业务载荷的在轨应用，能作为天基数据传输网络的广播节点。
北斗三号地球静止轨道卫星与倾斜地球同步轨道卫星采用大型卫星平台，它能集成多种载荷，兼容实现天基增强、可动点波束功率增强、短报文通信与位置报告等系统;成为天基数据传输网络的中心节点。
北斗三号空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区特点更为突出。我国很难像GPS那样，在全球大范围建立地面站。为保证在国内地面站也能对境外卫星进行操控，卫星星座首次配备了相控阵星间链路(在卫星之间搭建的通信测量链路)，解决了境外监测卫星的难题，这样能实现对运行在境外的卫星进行监测、注入功能，并可实现卫星之间的双向精密测距和通信，从而能够进行多星测量，自主计算并修正卫星的轨道位置和时钟系统，大大减少对地面站的依赖，提高整个系统的定位和服务精度。
导航卫星上的原子钟性能对整个卫星导航系统的性能有重要影响。北斗三号卫星采用我国新型高精度铷原子钟和氢原子钟。与北斗二号卫星上原子钟相比，北斗三号采用的原子钟在产品体积、重量方面大幅降低，每天的频率稳定度提高了10倍，综合指标达到国际领先水平。原子钟技术的进步，直接推动了“北斗”系统的定位精度由10米量级向米级跨越，测速和授时精度同步提高一个量级。该卫星还在世界上首次实现了卫星的在轨自主完好性监测功能，这一功能对民航、自动驾驶等生命安全领域用户来说，具有极强的实用价值。

北斗卫星系统在中国的优势

1. 北斗导航卫星是第一个采用三频定位的卫星系统，通过三个不同频率的信号可以有效消除定位的时候产生的误差，并且多个频率的信号可以在某一个频率信号出现问题的时候改用其他信号，提高定位系统的可靠性和抗干扰能力。卫星定位精度更高。
2. 北斗具有短报互文的功能。这个功能简单来说就是用卫星来发短信，不像现在普通消费者手中的手机那样，必须要周围有移动运营商的通讯基站才可以发短信。这项应用在实际中作用是非常大的，因为北斗的短报互文功能，你不仅可以知道你在哪里，你还可以告诉其他人你在哪里。
3. 安全、方便。北斗最大的好处在于这是中国人独立自主研发的。中国的军队可以依靠北斗来给武器和载具提供定位导航，不再依赖于GPS服务。
4. 有源定位和无源定位。有源定位是需要用户的接收机自己来发射信号来与卫星通讯，无源定位则不需要，北斗定位第二代采用的是无源定位。当用户的上空卫星数量很少时，仍然可以定位。目前，北斗卫星导航系统已经具备短报文通讯服务，这项功能在全球定位系统中是一次技术的突破，而美国的GPS只能是单向通讯，而中国的北斗已经实现了双向性的通讯功能，这一功能在处理重大事件中使用性相当高
5. 北斗卫星导航系统的建设，满足中国国家安全与经济社会发展需求；同时发展的北斗相关产业，可以极大地满足中国经济社会发展和民生改善。目前，随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域。

附录

参考资料

[1]罗晶心. 北斗卫星导航系统现状及通信中的应用[C]. 中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心.第十一届中国卫星导航年会论文集——S01 卫星导航行业应用.中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心:中科北斗汇(北京)科技有限公司,2020:57-61.
[2]北斗官方网站：http://beidou.gov.cn
[3]百度百科 https://baike.baidu.com
[4]北斗卫星导航系统发展报告(4.0版)