【卫星工程系列】全球导航卫星系统-北斗

按照“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则，遵循先区域、后全球的总体思路，我国北斗卫星导航系统（BDS）按三步走发展规划稳步有序推进：第一步，1994 年启动北斗卫星导航试验系统建设，并于 2000 年形成区域有源服务能力；第二步，2004 年启动北斗卫星导航系统建设，2012 年形成区域无源服务能力；第三步，2020 年北斗卫星导航系统形成全球无源服务能力。

我国自行研制的第一颗导航定位卫星——北斗导航试验卫星，于 2000 年 11 月 1 日凌晨 0 时 02 分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。2000 年 12 月 22 日凌晨 0 时 20 分，第二颗北斗导航试验卫星在西昌卫星发射中心发射成功。这两颗试验卫星构成了我国北斗双星导航系统。2003 年 5 月 25 日又发射了卫星导航系统的备份星，它与前两颗卫星组成了完整的卫星导航系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。北斗用户询问，用户应答的基本原理为空间球面交会测量原理。地面中心站通过两颗卫星向用户图，由地面控制中心站测量并计算出用户到两颗卫星的距离；然后根据地面控制中心站的已知地心坐标计算出用户站到地心的距离，再根据两颗卫星和地面控制中心站的已知地心坐标，解出用户的三维位置，由卫星发给用户。

我国的北斗双星导航系统综合了天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台，可以在任何时间、定位服务区域内的任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。北斗双星导航系统是国际上首次实现区域导航系统，填补了我国导航卫星领域的空白，使中国成为世界上继美、俄之后自主建立导航系统的国家。

北斗双星导航系统的服务区域为东经 70°~145°、北纬 5°~55°范围，定位精度为平面 20 m、高程 10 m。北斗双星导航系统具有快速定位、短报文通信、精密授时三大功能。

2007 年 4 月 14 日，我国成功发射了北斗二代系统首颗试验卫星 COMPASS - M1，拉开了北斗全球卫星导航系统组网建设的序幕。2012 年 10 月，北斗区域卫星导航系统组网完成并正式开通。区域系统在中国区域可为用户提供 10 m 的三维位置服务精度、50 ns 的授时精度和 0.2 m/s 的测速精度。北斗区域系统空间部分由 5 颗相隔 60°的地球静止轨道（GEO）卫星、5 颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和 4 颗中圆地球轨道卫星（MEO）构成。

北斗全球卫星导航系统设计由 5 颗地球静止轨道（GEO）卫星、30 颗非静止地球轨道卫星（IGSO 卫星和 MEO 卫星）组成。截至 2018 年底，北斗卫星导航系统在轨工作卫星星座由 5 颗 GEO 卫星、7 颗 IGSO 卫星和 21 颗 MEO 卫星组成，实现了定位、导航和授时的全球覆盖。GEO 卫星的轨道高度为 35786 km，分别定点于东经 58.75°、80°、110.5°、140°、160°。IGSO 卫星的轨道高度为 35786 km，轨道倾角为 55°，分别在 3 个轨道面内，其中，第一轨道面 3 颗卫星升交点经度分别为东经 95°、112°和 118°，第二个轨道面 2 颗卫星升交点经度为东经 95°和 118°，第三个轨道面 2 颗卫星升交点经度为东经 95°和 118°。MEO 卫星的轨道高度为 21528 km，轨道倾角为 55°，分布在 3 个轨道面上。2019 年 9 月，北斗卫星导航系统正式向全球提供服务，在轨 39 颗卫星中包括 21 颗北斗三号卫星，有 18 颗于中圆地球轨道、1 颗于地球静止轨道、2 颗于倾斜地球同步轨道。随着北斗地基增强系统提供服务，北斗卫星导航系统可提供米级、亚米级、分米级，甚至厘米级的服务，定位精度将与美国 GPS 相媲美。

北斗卫星导航系统提供 4 个公开服务信号：B1I 信号，中心频率为 1561.098 MHz；B3I 信号，中心频率为 1268.52 MHz；B1c 信号，中心频率为 1575.42 MHz；B2a 信号，中心频率为 1176.45 MHz。

北斗卫星导航系统可与其他全球导航卫星系统（GNSS）实现兼容与互操作。北斗卫星导航系统使用的无线电频率符合国际电信联盟公约，并受其保护。北斗卫星导航系统与其他 GNSS 不产生有害干扰，可实现射频兼容；用户通过联合使用北斗和其他 GNSS 的公开服务信号，能享有更好的服务性能，且不显著增加复杂性和用户成本，可实现互操作；北斗时源于协调世界时，并在导航电文中播发北斗系统与其他 GNSS 的时间信息；北斗坐标系与国际地球参考框架（international terrestrial reference frame,ITRF）保持一致。

确定一个星座的导航信号，最主要的信号，是位置精度衰减因子（position dilution of precision,PDOP）和 PDOP＜3 的可实施性。PDOP 值越小，卫星导航系统的定位精度越高，卫星轨道最北到达 55°，卫星轨道的区域仅到达北纬 26°（我国福州一线）。系统提供开放服务和授权服务两种服务方式。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务；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。

北斗卫星导航系统应用具有五大优势：同时具备定位与通信功能，无须其他通信系统支持，融合北斗导航定位系统和卫星导航增强系统两大资源，提供更丰富的增值服务；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；定位解算都集中在地面控制中心站，特别适合于大范围移动目标监控与管理自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。北斗三号全球卫星导航系统于 2020 年 7 月 31 日正式开通。