【定位导航科普篇】北斗卫星导航技术介绍

1、中国北斗卫星导航系统-BDS

北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，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，是继 GPS、GLONASS 之后，第三个成熟的卫星导航系统，也是国家实施“一带一路”建设的重要支撑，北斗系统也走出一条从无到有、从有到优、从有源到无源、从区域到全球的中国特色卫星导航系统建设道路。

中国北斗卫星导航系统“三步走”发展规划

第一步，2000年建成了北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

第二步，建设北斗卫星导航系统，2012年形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。

第三步，2020年北斗卫星导航系统已形成全球覆盖能力。

2、北斗系统组成

北斗卫星导航系统由空间段、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。

静止轨道卫星分别位于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星组成。

北斗系统是由 GEO 卫星、IGSO卫星和 MEO 卫星三种轨道卫星组成的混合导航星座。 根据北斗导航“三步走”战略特点，通过缜密推演、细致计算，在国际上首次将距离地球三万六千千米的地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）运用于卫星导航，设计了世界上第一个“GEO+IGSO+MEO”混合星座。

北斗系统若是要提供有源定位、导航和授时服务，以及短报文通信和位置报告功能的话，则需要星座中有地球静止轨道卫星。事实证明，“GEO+IGSO+MEO”混合星座非常适合北斗卫星导航系统特点，为北斗导航确保“中国特色”、跻身世界一流奠定了坚实基础。

目前，北斗系统提供导航定位和通信数传两大类，以及面向不同区域提供七种服务不同的服务。北斗系统面向全球范围提供定位导航授时、全球短报文通信、国家搜救三种服务，其中无源定位、导航、授时服务均免费，而面向亚太地区提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信四种服务。

3、北斗卫星导航系统空间定位原理

站星距离=信号传播时间 x 光速  三个站星距离+地球表面 = 一点 

在空间中若已经确定A、B、C三点的空间位置，且第四点D到上述三点的距离皆已知的情况下，即可以确定D的空间位置。原理：因为A点位置和AD间距离已知，可以推算出D点一定位于以A为圆心、AD为半径的圆球表面，按照此方法又可以得到以B、C为圆心的另两个圆球，即D点一定在这三个圆球的交汇点上，即三球交汇定位。北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。

4、北斗大事件

1967-2000年，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路；

2000-2003年，中国完成了“北斗卫星导航试验系统”建设，北斗导航试验系统正常运行，成为继美国、俄罗斯后第三个拥有自主卫星导航系统的国家；

2004年，北斗二号卫星导航系统起步；

2006年，中国发展自主卫星导航系统，北斗导航计划全力激活；

2007-2009年，中国发射3颗北斗二号卫星，合法抢占了优势使用频率；

2009年，北斗三号卫星导航系统建设启动；

2012年，中国完成导航定位卫星第二步的规划，建成亚太地区导航定位，北斗1号完成使命，正式退役；

2015年，两颗全球系统试验卫星首次建立起星间链路，并进行中轨道和高轨道间的星间链路试验，这种异轨道面间的试验是北斗系列的首次；

2017年，北斗三号全球组网双星首次发射；

2018年，北斗三号基本系统建成并覆盖“一带一路”国家，开始提供全球服务；

2019年，北斗三号全球系统核心星座部署完成，北斗全球服务能力全面实现；

2020年，中国完成北斗全球卫星导航系统星座部署，完成建设提供全球定位服务；

2035年，中国将建成以北斗为核心的综合定位、导航、授时体系（Positioning, Navigation, and Timing—PNT）

5、北斗卫星导航系统的四大功能及特点

（1）北斗导航装置四大功能：

卫星通信短信功能：将短报文通过“北斗”卫星传送给指挥总机、另一台接收装置、或地面信息控制中心站点。接收装置可以在任意波束下进行正常通信，可由接收装置用户对具体的波束进行指定

数据接口控制功能：“北斗”卫星接收装置具备通用标准数据接口（RS232 串口），可以把接收装置接收到的信号通过通用接口传递出去。

卫星定位功能：接收装置能够可靠实时的输出当前所在的经纬度、高度、速度等导航地理信息，同时按照标准的信息方式显示出来。

系统校时功能：接收装置内部设置有时钟，可以与接收到的导航信息数据包进行自动校对。

（2）北斗导航装置七大服务：

定位导航授时服务：通过 30 颗卫星，免费向全球用户提供服务，全球范围水平定位精度优于 9 米、垂直定位精度优于 10 米，测速精度优于 0.2 米 / 秒、授时精度优于 20 纳秒。

国际搜救服务：通过 6 颗中圆地球轨道卫星，旨在向全球用户提供符合国际标准的遇险报警公益服务。创新设计返向链路，为求救者提供遇险搜救请求确认服务。

全球短报文通信服务：北斗系统是世界上首个具备全球短报文通信服务能力的卫星导航系统，通过 14 颗中圆地球轨道卫星，为特定用户提供全球随遇接入服务，最大单次报文长度 560 比特（40 个汉字）。

区域短报文通信服务：北斗系统是世界上首个面向授权用户提供区域短报文通信服务的卫星导航系统，通过 3 颗地球静止轨道卫星，为中国及周边地区用户提供数据传输服务，最大单次报文长度 14000 比特（1000 个汉字），具备文字、图片、语音等传输能力。

星基增强服务：创新集成设计星基增强服务，通过 3 颗地球静止轨道卫星，旨在向中国及周边地区用户提供符合国际标准的Ⅰ类精密进近服务，支持单频及双频多星座两种增强服务模式，可为交通运输领域提供安全保障。

精密单点定位服务：创新集成设计精密单点定位服务，通过 3 颗地球静止轨道卫星，免费向中国及周边地区用户提供定位精度水平优于 30 厘米、高程优于 60 厘米，收敛时间优于 30 分钟的高精度定位增强服务。

地基增强服务：建成地面站全国一张网，向行业和大众用户提供实时米级、分米级、厘米级和事后毫米级高精度定位增强服务。

6、北斗卫星的优势：
首先是通导一体化。利用卫星定位系统进行短报文数据传输是我国北斗卫星导航系统的首创，拓展了卫星定位系统的应用领域，因此，通导一体是北斗导航系统独有特色。

其他卫星导航系统仅能无源定位，因而用户只能知道“我在哪”，而北斗用户不但自己知道“我在哪”，还能告诉别人“我在哪”以及“在干什么”。比如突发地震、海上遇险时，在其他通信手段失效的情况下，北斗短报文通信可以成为传递求救信息、拯救生命的最后保险。在救灾减灾、野外救援、远洋渔业等行业领域发挥了重要作用。此前这类应用需要专业设备才可达成，目前，可将短报文芯片集成到智能手机，这就意味着仅通过智能手机即可采用短报文通信功能，使用户可以在紧急情况下通过北斗卫星信号传递信息，实现了智能手机卫星通信能力。

其次是星间链路。这是北斗三号全球组网卫星突出的亮点之一，极大地提高了卫星独立运转的能力，各卫星可以通过星载设备相互通讯，彼此实时共享位置，很快就能知道所有卫星与自己的相对位置。如此一来，不仅扩大了覆盖范围，还极大提高了效率，独自组网，成为地面网的备份。该技术最大的优势是，不再依靠卫星地面站，就可以实现全天候全天时通讯。如果没有这一项能力的支撑，就需要经过地面站的统一指挥，一个一个地对单颗卫星发布指令，因此就需要建设遍布全球的地面站。

7、北斗定位应用领域

精确定时：电力、通信、金融、基站、交通

工程施工：道路、桥梁、隧道的施工

勘探测绘：野外勘探及城区规划

车辆导航：车辆调度、监控系统、车辆防盗系统

船舶导航：远洋导航、港口/内河引水

飞机导航：航线导航、进场着陆控制

个人导航：个人旅游及野外探险

精准农业：农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整

 GNSS定位导航模块的选择还可以根据卫星接收机类型来确定：单GPS模块，GPS+北斗模块，北斗三号定位模块，惯导模块，RTK模块等。北斗定位模块，北斗G-Mouse是天工测控针对车载、工控及消费类应用，借助丰富的RF应用设计/EMC/ESD异常问题处理经验，自主研发整套GNSS产品产测软件推出的一系列高品质工业级单频/双频/多频多模北斗模块、北斗三号定位模块和双频北斗模块（多模）、RTK北斗模块、北斗授时模块、北斗惯导模块、天线一体化北斗模块，北斗G-Mouse。支持多系统联合定位以及单系统独立定位，可以实现载体的实时定位、授时、测速等功能，能够满足各行业领域的定位导航应用。