北斗系统基础知识0（专家解析：北斗卫星导航通信系统起源与发展工作原理）

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内容       ：北斗系统起源及工作原理

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摘要

       北斗卫星导航系统是我国自行研制， 正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星定位与通信系统（BDS）。系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端. 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.其定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。下面从几个角度探密北斗卫星通信系统。

一、北斗卫星导航通信系统起源与发展

  我国北斗卫星导航系统起源于八十年代中期，预先研究阶段，当时考虑主要是为战略需求而开发建设的。实行了分三步走计划，第一步为卫星导航试验阶段，第二步为国内及亚太地区导航服务，第三步是全球覆盖全天候服务。第一代导航系统“北斗卫星导航试验系统”于1995年正式启动工程研制，并在2003年正式开始提供较为完整的区域卫星导航。2003年之后，第二代“北斗卫星导航系统”开始建构，计划于2020年建成并覆盖全球，总共由35颗卫星组成。2012年12月27日，北斗卫星导航系统正式向亚太大部分地区正式提供区域服务。截至目前，整个系统中已有16颗卫星投入使用。

  1、“北斗一号”卫星定位系统又名双星定位系统，是我国第一代自主的卫星导航定位系统。该系统两颗工作卫星于2000年10月和12月，先后发射成功，地面应用系统设备全部安装到位，系统初步建成。2003年1月1日正式投入使用，2003年5月第三颗“北斗一号”导航定位卫星（备份星）发射成功，为系统更加可靠的运行提供了保证。“北斗一号”系统的建成标志着我国成为继美(GPS)、俄(GLONASS)之后第三个拥有独立的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国防和经济建设将起到积极作用。
 “北斗一号”系统是一种新型、全天候、区域性的卫星导航定位系统。系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。
  “北斗一号”系统服务区由东经70度至东经145度，北纬5度到北纬55度，覆盖我国和周边地区，包括战略敏感区域，诸如台海、南沙等区域。系统在服务区内提供三项服务。
     （1）定位（导航）：快速确定用户所在点的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。在标校站覆盖区定位精度可达到20米，无标校站覆盖区定位精度优于100米。

（2）通信：用户与用户、用户与中心控制系统之间均可实现最多120个汉字的双向简短数字报文通信，并可通过信关站与互联网、移动通信系统互通。

（3）授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。定时精度可达100ns（单向授时）和20ns（双向授时）。
  “北斗一号”采用三球交会测量原理进行定位：分别以两颗同步卫星为球心，以卫星到用户接收天线距离为半径，构成两个球面；两球面相交得一圆，该圆垂直于赤道平面；在地球不规则球面的基础上增加用户高程，获得一个“加大”的不规则球面；圆与不规则球面相交，得两个点，分别位于南北半球，取北半球的点即为用户机的位置。上述定位解算在地面中心站完成。
  “北斗一号”导航试验卫星系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分
功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。
  “北斗一号”卫星导航系统与GPS系统相比具有卫星数量少、投资小、用户设备处理简单等优点，并能实现一定区域的导航定位、通讯、定时等多种用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位定时的需求。缺点是不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位，且需提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量受一定限制。

   2、“ 北斗二号” 卫星导航系统：2004年8月31日，我国拥有自主知识产权的“北斗二号”卫星导航系统立项，于2008年前后建成。“北斗二号”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，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米／秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
  “北斗二号”卫星导航系统克服了“北斗一号”系统存在的缺点，同时具备通信功能，其建设目标是为我国及周边地区的我军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。“北斗”全球卫星导航系统建成后，我国军队也将拥有自主的全球卫星导航手段，车辆、单兵、舰船乃至高速移动的飞机和导弹都可以应用。可以预见，“北斗”将成为一个具有重大战略意义的兵力倍增器。

二、北斗卫星导航通讯系统基本工作原理

1、第一代北斗卫星定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，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，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。
   2、第二代北斗卫星导航系统的基本工作原理是：空间段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，用户接收到至少4颗卫星信号后，进行伪距测量和定位解算，最后得到定位结果。同时为了保持地面运控系统各站之间时间同步，以及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。分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行监测，采集各类观测数据后将其发送至主控站，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。
   北斗卫星导航系统经过１９年的发展，第二代北斗导航系统虽然仍为区域卫星导航系统，但服务区比北斗导航试验系统扩大了很多，具有连续实时三维定位测速能力，授权服务在增强服务基础上，进一步提供RDSS功能和信号功率增强服务。目前，卫星导航定位的应用范围和行业不断扩展，全国卫星导航应用市场规模以每两年翻一番的速度快速增长。这一系统在测绘、渔业、交通运输、电信、水利、森林防火、减灾救灾和国家安全等诸多领域得到应用，产生了显著的经济效益和社会效益，特别是在四川汶川、青海玉树抗震救灾中发挥了非常重要的作用。

三、北斗卫星导航通讯系统技术服务特点及技术应用范围

   （一）北斗卫星导航通讯系统技术服务特点

   1、信号盲区能发送短信：北斗卫星导航系统同时具备空间定位、时间基准授时和短报文通信功能特点：解决了海洋陆地，通信阻断地区抢险救灾应急指挥中的定位与通信难题。据统计，在汶川救援期间，搜救部队用技术应用范围北斗发了74万条短信，为地震救援搭建了一个既能显示位置信息又能保持调度信息传递顺畅的指挥平台。
   2、船舶动态监控特点：北斗目前最大的民用领域是海洋渔业应用终端，在海洋渔业领域已形成规模，入网用户已过几百万户。北斗能够有效帮助对渔船实施动态监控、应急救援和防台救灾。北斗在海洋渔业的应用还包括为渔船发布天气预报和预警，提供渔业信息等。
   3、高精度测量特点：北斗系统用户端之一是高精度测量接收机，这个接收机非常敏感，它能感受到厘米级以下的变形，一辆重型卡车从大桥上驶过，桥梁变形多少？这微小的变形，通过肉眼肯定无法判断，而高精度测量接收机则可以精确地告诉你。同时还可以监测周边国家军事动态。为突发事件准备提供预先时间。
   4、车辆管理：北斗还能管“公车私用”。凡是装了“北斗”系统的公车，在节假日的时候都是放在单位里面的。比如在周六、周日，有人要开公务车，车内系统会提醒“今天是休息日，如果要使用的话要办理手续”。而且车启动之后，监督系统就会自动生成信息发给监督系统的管理员。
   5、高清度授时：即向地球报告最精确的时间，是卫星导航系统所能提供的主要功能之一。通过北斗自主设备授时具有国家安全层面的重大意义。安装相关芯片的“北斗手表”即可实现通过北斗来授时。的时间精度在千万分之一秒，且永远不需要校时。
   6、共存兼容：北斗导航与GPS共存，与之互补。兼容北斗和GPS的终端，类似于“一机双卡”的手机，可在一台导航仪上自动切换，从而提高定位精度。
   7、北斗作战指挥控制块负责国家安全不能替代：部队行动作战指挥，高精尖武器导航等，如果采用GPS就等于公开或瘫痪你的军事行动（因为GPS是美国国家所有，他可以随欲操作控制你的运用与瘫痪你的行动）所以必须使用独有的导航系统来控制国家安全。

  （二）北斗卫星导航通讯系统技术实际应用范围

   1、军事领域
  “北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。这项功能用在军事上，意味着可主动进行各级部队的定位，也就是说各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统，除了可供自身定位导航外，高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执行有相当大的助益。换言之，可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。
   2、民用领域
  （1）个人位置服务
   当你进入不熟悉的地方时，你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。
  （2）气象应用服务
   北斗导航卫星气象应用的开展，可以促进我国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测，也可以提高空间天气预警业务水平，提升我国气象防灾减灾的能力。
  （3）道路交通管理
   卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用于道路交通管理。
  （4）铁路智能交通
   卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。例如，在铁路运输领域，通过安装卫星导航终端设备，可极大缩短列车行驶间隔时间，降低运输成本，有效提高运输效率。未来，北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精度的定位、测速、授时服务，促进铁路交通的现代化，实现传统调度向智能交通管理的转型。
  （5）海运和水运
   海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一，也是卫星导航最早应用的领域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备，使海上和水路运输更为高效和安全。北斗卫星导航系统将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。同时，北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。
  （6）航空运输
  当飞机在机场跑道着陆时，最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。利用卫星导航精确定位与测速的优势，可实时确定飞机的瞬时位置，有效减小飞机之间的安全距离，甚至在大雾天气情况下，可以实现自动盲降，极大提高飞行安全和机场运营效率。通过将北斗卫星导航系统与其他系统的有效结合，将为航空运输提供更多的安全保障。
  （7）应急救援
  卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。在发生地震、洪灾等重大灾害时，救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。北斗卫星导航系统除导航定位外，还具备短报文通信功能，通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况，有效缩短救援搜寻时间，提高抢险救灾时效，大大减少人民生命财产损失。