北斗卫星导航系统

简介****

中国自主研制的 BeiDou （COMPASS） 全球卫星导航系统

北斗卫星导航系统示意图

北斗卫星导航系统包括空间段、地基段以及终端段三个组成部分，在空间段中部署有5颗地球同步轨道卫星与30颗非地球同步轨道卫星；地基段则包含了主控中心、注入节点以及若干监测站点；整个系统的终端部分主要包含北斗专用终端设备，并与美国GPS定位系统、俄罗斯GLONASS导航系统以及欧洲GALILEO全球Positioning System 等多套国际知名卫星导航系统兼容运行。

中国此前已顺利完成四颗北斗导航试验卫星及五颗北斗导航系统的发射工作，并计划基于当前组网与试验成果逐步发展成为覆盖全球的卫星导航系统

目标：北斗卫星导航系统的建设目标是 建成一个自主独立的技术先进且覆盖全球的北斗卫星导航系统，并推动整个卫星导航产业链的发展。该系统将为国家Satellite Navigation Application Sector提供完善的体系支撑，并通过推广与保障体系的应用进一步提升其在国民经济和社会各个行业的广泛使用效果。

北斗卫星导航系统示意图

全球共有四套现有的卫星导航系统：包括中国北斗、美国GPS、俄罗斯格洛纳斯以及欧洲伽利略。（Satellite Navigation System）被视为重要的太空基础设施，并对人类社会产生了重大的经济效益。作为发展中国家的国家，在有限资源下大力推动本领域的建设与发展，并致力于开发具有自主知识产权的卫星导航定位技术以提升技术自主权

自2000年以来，中国已启动并完成了四枚‘北斗导航试验卫星’的成功发射工作，并于近期全面启动了这一系统的建设工作（第一代系统）。该系统具备覆盖中国及其周边地区范围内的定位与跟踪能力以及精确时间服务，并已在多个关键领域发挥着重要作用：包括测绘技术发展、电信网络优化、水力资源管理、交通运输效率提升以及渔业资源监测等；此外，在环境保护方面也取得了显著成效——如森林防火预警系统的完善以及国家安全领域的支持作用等

中国的北斗卫星导航系统正致力于建设一个由5颗静止轨道卫星与30颗非静止轨道卫星组成的完整空间段。该系统配备两种基本的服务类型：开放性和授权性（均属于第二代系统的范畴）。其中，在服务区可免费享受定位、测速及授时等各项基础服务；其定位精度可达10米级别，在时间精度方面则可达到50纳秒的标准；速度精度则能够保证在每秒不超过0.2米的误差范围内运行稳定。而授权性服务于有资质的用户提供更为安全可靠的定位、测速、授时及通信功能等高级业务，并可同时获取有关系统整体状态的重要信息

计划于2012年前完成的"北斗"系统将实现亚太地区的全面覆盖；预计将在未来两年内完成对全球范围内的服务。我国正积极推进北斗卫星导航系统的建设工作，并已成功发射了五颗导航卫星。根据整体规划部署，在计划时间内（即到那时），该系统将逐步具备包括亚太地区定位、导航、授时以及短报文通信服务在内的基本能力；最终将构建一个覆盖全球的导航系统。

历程****

卫星导航系统被视为构建现代太空信息网络的关键基础设施，在此过程中扮演着重要角色

北斗卫星导航系统示意图

导航卫星****

第1颗****

2007年4月14日，中国成功发射了第1颗北斗导航卫星。

北斗卫星导航系统示意图

第2颗****

2009年4月15日凌晨时分，在中国位于
西昌卫星发射中心
的
西昌卫星发射中心
，通过"长征三号丙"运载火箭，
成功实施了
第二颗北斗导航系统的组网工程。

该中心负责人阐述了此次发射的北斗导航卫兵标号为COMPASS－G2这一项目的情况。该卫兵是中国北斗星计划中规划的第一颗组网导航卫兵，并被确定为地球同步静止轨道卫兵。此次卫兵的成功发射对整个'北斗星'系统的建设和完善而言具有极其重要的价值。

作为重要的空间基础设施，
卫星导航系统不仅具备高精度的定位能力，
而且能够进行精确的速度测量与时间授时，
具有重大的社会及经济效益。
我国对卫星导航系统的建设给予高度关注，
持续致力于自主知识产权卫星导航系统的研发与探索。
中国的北斗试验系统已在测绘、电信、水利等众多领域发挥重要作用，
特别是在交通管理方面表现突出，
此外还涉及渔业资源开发与环境保护等多个关键领域。
目前，
中国正积极推进北斗卫星导航系统的建设和实施工作。

这次发射的任务是由中国航天科技集团公司所属的中国空间技术研究院与中国运载火箭技术研究院共同完成的。它属于长征系列运载火箭序列中的第十一十六次执行行动。

第3颗****

2010年1月17日凌晨零时十二分，在西昌卫星发射中心，“长征三号丙”运载火箭搭载了第三颗北斗导航卫星并将其送入预定轨道。此次发射标志着我国北斗卫星导航系统工程建设迈出了关键一步，并推动了该系统的持续进展与完善规划。

据中国 satellite 导航工程中心负责人透露，在推进北斗 satellite 导航系统 (COMPASS) 建设方面我国已经展开了相关工作。规划依次发射了五颗静止轨道 satellite 以及三十颗非静止轨道 satellite ，最终目标是建成覆盖全球范围的北斗 satellite 导航系统。已成功发射两颗北斗导航 satellite ，这一颗 satellite 属于静止轨道 satellite 范畴。按照建设规划 [BFS.]左右 ，首先将提供亚太地区范围内的 navigation 服务、授时服务以及短报文通信能力 。２０２０年左右建成覆盖全球的北斗 satellite 导航系统

北斗卫星导航系统示意图

第4颗****

当天晚上七点半左右，在西昌卫星发射中心使用"长征三号丙"运载火箭完成了对第四颗北斗导航星的成功发射。这一事件表明北斗星全球定位系统网络建设取得了重大进展。相关负责人指出,当前,中国的北斗导航星进入密集发射和组网阶段。

中国正积极推进自主研制并投入使用的全球范围内的新型卫星导航系统‘北斗’工程，并致力于使其成为一项长期稳定的运行机制。该系统的建设旨在打造一个全面覆盖地球且兼具独立性与兼容性的‘北斗’卫星导航新体系，并将其逐步推广至国民经济和社会各个领域，在此过程中将推动整个卫星导航产业生态的发展。这一工程不仅将提升国家在航天领域的科技实力与国际影响力，并将在未来实现对国民经济社会各行业的广泛而深入的应用与发展。”

第5颗****

2010年8月1日上午五点半，在我国的西昌卫星发射中心，“长征三号甲”运载火箭完成了对第五颗北斗导航卫星的首次发射任务

这颗静止轨道倾角卫星同时也是今年内第3次成功发射的组网卫 biscuit. 据中国卫星导航系统管理办公室主任透露, BeiDou 卫星导航系统是中国自主研发、独立运行的第一代全球性导航系统,被视为我国即将构建的关键空间信息网络基础架构,广泛应用于社会经济发展领域的各个方面.

中国北斗卫星导航系统具备提供精准、稳定的定位、导航和授时服务的能力，并整合了导航与通信功能。经过近二十年的发展历程，在测绘、渔业、交通运输、电信、水利等多个领域得到了广泛应用并取得了显著的社会经济效益和/or/e经济价值，在四川汶川、青海玉树等发生地震等自然灾害时发挥了极其重要的作用。

遵循"三步走"的战略方针

此次发射所使用的卫星以及其搭载的运载火箭均由中国航天科技集团公司所属的中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院负责研发。本次卫星发射也是继中国'长征'系列运载火箭总共执行过的第126次航天任务之一。

工作原理****

北斗系统的运行流程如下：首先由中心控制系统向运行中的卫星I与卫星II同步发射询问信号；这些信号通过星载中继器传递至服务区内用户的接收端口并引发相应回应；随后接收方会将此回应数据重新转发回中心控制系统进行处理；针对定位请求而言，在解码过程中系统会测算两个关键的时间差值：一个是来自中心控制室发射至目标卫星再经该卫接收用户的总时延；另一个则是从控制室发射至另一颗目标卫的时间差；通过这两个时差值系统可以分别计算出用户的距离信息以及到两颗目标卫的距离之和；由此即可确定用户的地理位置位于第一颗卫球心所对应的球面与两卫焦点所界定椭圆面相交形成的几何轨迹上；与此同时系统还会根据存储于计算机中的数字地形图获取用户的高程数据从而进一步推断出用户位于某一平行基准椭球面附近的位置状态；最终经过上述多方面的数据融合运算后系统就能精确地计算出用户的三维空间坐标位置这一信息随后会被加密编码后以广播形式发送至各服务接收终端。

短报文通信：一次可传送多达120个汉字的讯息。

精密授时：精度达10纳秒。

定位精度：采用高精度算法实现水平方向定位精度达到100米（σ为单位根）。标校站点建立后定位精度提升至约20米（类似差分GPS状态）。工作频率：运行频率设定为2491.75兆赫兹（参考相关技术参数）。

系统容量：每小时540000户。

北斗卫星导航系统示意图

建设原则****

北斗卫星导航系统的建设和开发进程中

北斗卫星导航系统的建设、发展和应用逐步向全世界展示其建设和发展的成果。该系统将向全球范围内的用户群体提供高质量的服务，并致力于深化与其他国家的合作关系，并推动技术经验的交流。通过增进不同卫星导航系统的协同工作能力，在促进各相关领域技术进步的同时也将进一步提升整个行业的整体水平。

2、自主性。中国致力于自主开发并持续运营北斗卫星导航系统；该系统能够完全独立地向全球提供定位、导航和授时服务。

在国际卫星定位系统联合执行机构（ICG）和国际电联（ITU）的框架下，在全球范围内推动北斗卫星导航系统的互联互通与互操作性目标的实现，在这一过程中确保了各类终端用户均能便捷获取最新定位服务成果

4、渐近性。中国将稳步实施北斗卫星导航系统的建设和发展计划，并致力于完善系统建设和服务质量保障工作，确保各阶段服务的连续性和稳定性。

与GPS系统比较****

覆盖范围： 北斗定位与导航系统是中国本土区域内的位置寻测与引导系统。其服务区域涵盖东经70度至140度之间以及北纬5度至55度之间的广大地区。而GPS定位与导航系统则是一个全球性的全天时实时监控网络，在任意地理位置都可以随时接收到六到九颗运行中的卫星信号（理论上最大可达十颗以上的同步接收能力）。

北斗卫星导航系统优点示意图

卫星数量和轨道特性： 北斗导航系统布设于地球赤道平面上共部署了两颗地球同步卫星运行于其上，在该类卫星运行过程中其轨道倾角约为60度。而GPS则采用了更为复杂的分布策略，在六个不同的圆形工作轨带上布置了总共24枚导航卫星组内共布设了24枚运行于各自的工作轨带上。其中 GPS 导航系统的同步卫星属于准同步轨道类型 其绕地运行周期精确稳定地维持在11小时58分钟整。

定位原理： 卫星导航系统的自驱式双路平面定位技术与地面控制单元协同工作。该系统通过中央控制系统对用户的坐标进行精确计算模块处理，并输出三维空间位置信息。相比之下GPS采用无源型伪代码单向定位技术，仅靠接收机自主完成信号解析获取空间位置信息。北斗一号系统的工作模式导致A/B两点问题：一方面在实现用户自主定位置时牺牲了信号隐蔽性特性，在军事领域应用受限；另一方面由于必须配备发射装置导致体积重量成本效能等多方面的不利因素存在

定位性能：北斗系统在空间定位方面表现优异，其位置测定能达到大约几十米的精确度，在时间基准方面则可实现每百亿年误差量级的超低误差水平。当前全球卫星导航系统的P码型号的空间测定能力已从最初的16米优化至6米水平，并进一步提升至12米范围内。对于C/A信号，则经历了从25至100米长度缩减至仅需12米的过程。该系统的持续精进使授时性能显著超越行业平均水平

用户容量： 北斗导航系统基于其采用主动双向测距技术构成的特点，在设计时就考虑到用户体验的需求。在这一过程中不仅需要确保接收端能够正常接收来自地面中心控制系统的各种查询指令，并且在实际运行中还必须通过发送相应应答信息来确认接收到的信息。这种相互间的通信机制使得该系统的承载能力主要受信道阻塞率、查询速率以及用户的响应频率等因素制约，并且由此也决定了北斗导航系统的用户的数量必定会受到一定的限制。相比之下GPS 卫星定位系统的应用模式则是单向测距技术基础之上，在这种架构下只要接收方能够正常接收到来自导航卫星的数据包就能完成定位计算工作因此在理论上支持无限多终端的同时运行效率也得到了充分保证

生存能力：与现有的导航定位卫星系统相仿，“北斗一号”也是以中心控制系统和卫星为基础运行的。然而，“北斗一号”的依赖性显著高于其他同类系统，这是因为其核心的定位解算功能位于其中而非由终端设备处理完成。为了减轻系统的易损性问题，“北斗一号”采用了更为可靠的模块化设计策略。其设计原理上就杜绝了这一故障模式的可能性。

实时性： 在北斗一号系统中，“北斗一号”用户的定位申请需要返回至中心控制系统进行解算。随后返回给用户的数据运算过程中需要地球静止卫星往返一次，并配合卫星转发功能运行。由于中心控制系统的运算处理时间较长，在此期间导致定位误差增大。值得注意的是，在卫星导航系统方面，“北斗一号”也具备一些独特功能特性——其独有的短信通信功能与GPS系统不同。

服务介绍： 北斗卫星导航系统旨在为全球范围内的用户提供高质量的定位能力、速度测量技术及同步精度保障。这些核心功能主要涉及开放性服务于全球范围内的用户免费授予定位能力、速度测量技术及同步精度保障两大类。其中针对无付费需求的核心模块——开放性服务于全球范围内的用户免费授予定位能力、速度测量技术及同步精度保障（达到厘米级的高度准确度），以及针对有付费需求的核心模块——权威认证系列产品（达到微秒级的时间基准保障）。

为了使北斗卫星导航系统更好地服务于全球范围内的用户需求。
推动北斗卫星导航系统的兼容性与互操作性发展。
促进 satellite positioning, navigation, and timing services 的广泛运用。
中国愿与其他国家携手合作，在该领域实现共同发展。

系统优劣势****

优势 ：

相比美国的GPS（http://baike.baidu.com/view/7773.htm）和俄罗斯的GLONASS而言，在本研究中我们增添了通讯功能

2、全天候快速定位，与GPS精度相当。

3、安全可靠，保密性强。

劣势：****

1、北斗系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。

北斗系统是一种区域性定位系统，并仅限于服务于中国及其周边地区的定位需求

应用优势****

同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；

覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；

该系统专为 bulk enterprise users 和 independent regional data collectors 设计, 能够实现 wide-ranging business monitoring and risk management 以及 efficient data transmission services.

独特的中心节点式定位处理与指挥型用户提供者设计方案能够实现对'您身处何方'以及'您位于何处'这两个问题的有效解答

自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。

应用领域****

北斗导航定位系统覆盖范围包括中国及其周边国家和地区，在该区域内无论是在哪个时间和地点都可以为用户提供精确的地理经纬度位置信息，并提供双向短报文通信和精密授时服务。该系统广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输以及海上作业等多个领域，并同时适用于军队、公安、海关等具有特殊指挥调度需求的部门。

挑战美国****GPS

5月19日，在第十五届中国卫星导航大会上, 中国首次全面展示其高精度定位与授时技术. 在会上, 西安卫星测距研究所所长孙家栋院士正式公布, 其研究团队已成功研发出覆盖欧洲. 美国及亚洲主要国家的...系统的完整组网方案.

在本次年会上,北斗卫星导航系统工程副总设计师谭述森研究员发表了重要讲话,他指出,目前全球共有四大卫星导航系统体系处于运行或建设之中,其中包括美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略以及中国的北斗系统.其中GPS已实现全面覆盖,其他国家仍处正处在建设阶段中.未来十年将是这一领域的关键发展时期.根据预测,到2020年左右,全球范围内将并存四大卫星导航系统体系,届时将有100多颗卫星服务于世界民众.这种多元共存的局面对人类社会而言无疑是一项巨大福祉,也将极大提升生活的便利性.然而,这一领域的竞争态势异常激烈,'先进技术和卓越性能'的 Navigation 系统将会占据主导地位,'技术与性能相对落后'的产品则将在市场中逐渐被淘汰边缘化.

谭述森研究员指出，在目前国际上已广泛采纳的美国GPS卫星导航系统的应用领域中，北斗系统未来的发展面临三大关键挑战：首先，在保持高精度导航能力方面要求极高，在卫星上必须安装具备高稳定性和高精度的原子钟设备。目前而言，“我们与美国在这一技术领域的差距尚存”，为此需要加大自主研发力度。“其次，在战略资源获取方面由于美国作为世界唯一的超级大国拥有雄厚经济实力并掌握其他国家难以企及的战略资源资源库这些都可以确保‘实现在全球范围内布设卫星监控网络’目标。”而中国只能实现本国内区域范围内的卫星布网这对于后续卫星运行中的测控维护工作构成了显著障碍。“再次由于GPS系统自问世近30年来积累了海量空间实验数据其中最具价值的是太阳光压变化对于卫星运行所造成影响的重要数据已经建立起了精确的数据模型其精度表现优异‘而中国的北斗系统仍处于探索阶段仍需依靠不断努力推进发展’。”

孙家栋向记者表明，在与其他系统相比中，北斗卫星导航系统的突出创新在于其巧妙地将导航与通信融为一体。具体来说，在功能设计上它既可以实现船员通过车载设备自主定位——无论是海面航行还是 ashore作业——也可以让岸上工作人员通过监控系统掌握渔船的位置

孙家栋表示，在当前阶段GPS在我国的应用率已经达到约95%，而北斗卫星导航系统的首要客户群体主要是相关国家机关及大型企业。展望未来随着北斗系统的持续发展其服务范围将进一步扩大不仅限于现有的应用领域还将延伸至国家电力金融通讯等多个重要行业与大众生活深度结合成为推动社会经济发展的重要力量。经过十年的发展北斗卫星导航系统将成为由几十颗卫星组成的大型航天系统其建设与应用将彻底实现我国航天事业从单星体制向组网体制的转变从以卫星为中心向以系统为中心的转变以及从面向行业用户向大众用户的历史性跨越