北斗卫星导航系统及其应用

摘要：回顾我国卫星导航系统的发展历史，介绍我国两代卫星导航系统的组成、定位过程及服务内容和精度，展现了新一代的北斗卫星导航系统的应用前景。

关键词：北斗卫星导航系统 北斗卫星导航试验系统 2000国家大地坐标系 北斗时 GNSS

北斗卫星导航系统（BeiDou（Compass）Navigation　Satellite　System）是我国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。2011年12月27日，该系统开始试运行服务，到2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。届时，该系统可在全球范围内为各类用户全天候、全天时地提供高精度、高可靠的定位、导航、授时和短报文通信服务，并与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo共同构成全球卫星导航系统（Global　Navigation　Satellite　System，简称GNSS）。

1.　我国卫星导航系统发展历史回顾

1983年，我国开始筹划卫星导航定位系统，1986年初，正式以双星快速定位通信系统为名开始实施整个计划，并由北京跟踪与通信技术研究所负责研发。当时我国专家在研究报告中提出多种卫星导航定位系统的构想，但经过深入评析，多数专家认为，利用2颗或3颗位于地球同步轨道的通信卫星进行导航定位的方案是比较适合的。因为当时我国航天科技实力已具备制造与发射地球同步轨道通信卫星的能力，卫星地面跟踪网也已建立，有相当规模的卫星地面控制处理中心，所以可以利用既有的卫星资源与地面设施；另一方面，当时我国的经济实力和综合国力水平有限，若要发展类似美国GPS的多卫星（由24颗卫星组成空间星座）导航定位系统，则需要大量投资，当时我国尚无此财力。

1986年底我国研发单位就提出了总体技术方案和试验方案，预计只要3年时间，利用在轨的2颗地球同步轨道卫星就可以完成整体演练、导航定位原理验证和系统实用性检验，最终探寻出实现双星导航定位的技术途径。就在我国筹备双星定位系统期间，一些专家发现1982年美国已有3名科学家开始发展一个利用3颗地球同步轨道卫星进行定位的系统，名为GEOSTAR，还获得了多项专利。但是后来因为性能、精度和稳定性更好的GPS全球定位系统发展迅速，使得GEOSTAR系统的研发资金被撤走，并于1991年宣告失败。由于GEOSTAR系统在最后也将三星定位改为双星定位，因此使用双星定位的概念是我国最早提出并实现的。

1989年9月5日凌晨5点，我国科研人员在库尔勒、南宁等地用4个用户机进行第一次定位演练，结果证明，利用双星定位可实现定位、定时和简短通信三大功能，而且比当时GPS的民用码精度高好几倍。1994年1月，双星快速定位通信系统正式命名为“北斗一号双星定位系统”（现更名为北斗卫星导航试验系统），并列为我国“九五计划”要项，这表明北斗卫星导航试验系统建设工程正式启动。双星快速定位通信系统演练试验的成功，为北斗卫星导航试验系统的建设奠定了技术基础。接下来的6年多里，北京跟踪与通信技术研究所又完成地面控制中心等应用系统的总体设计方案，建构了北斗卫星导航试验系统的完整架构。2000年相继发射2颗北斗导航试验卫星，初步建成了北斗卫星导航试验系统，成为世界上继美国和俄罗斯之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家；2003年发射第3颗北斗导航试验卫星，进一步增强了北斗卫星导航试验系统的性能。

随着国家经济实力和综合国力水平不断提升，按照“先区域、后全球”的总体思路，我国在第一代的北斗卫星导航试验系统基础上，于2004年正式启动新一代的全球卫星导航系统――北斗卫星导航系统的建设。从2007年开始发射第1颗中园地球轨道卫星，到2012年10月25日已完成6颗地球静止轨道（GEO）卫星、5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星（其中2颗在轨备用）和5颗中园地球轨道（MEO）卫星的发射，除去1颗GEO卫星在轨维护和1颗MEO卫星在轨试验外，其余14颗卫星均为正常工作卫星，预计今年年底或明年年初即具备在我国及周边地区的区域服务能力。要完全具有全球服务能力需等到2020年32颗卫星全部发射组网之后才能实现。

2.　北斗卫星导航试验系统

北斗卫星导航试验系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成。空间星座包括3颗地球静止轨道（GEO）卫星（其中1颗为在轨备用卫星），分别定点于东经80°、110.5°和140°赤道上空。地面控制部分由地面控制中心和若干标校站组成，地面控制中心主要承担卫星轨道确定、电离层校正、用户位置计算以及用户短报文信息交换等任务，而标校站则主要对导航卫星进行连续监测，并将所获得的距离观测量和校正参数发送给地面控制中心。用户终端部分由手持型、车载型和指挥型等不同类型的终端组成，具有发射定位申请及接收位置坐标和短报文信息等功能。

北斗卫星导航试验系统的工作原理与其他卫星导航系统不同，其工作过程是地面控制中心不间断地向2颗工作卫星发送询问信号，卫星接收到询问信号并经卫星转发器向服务区用户播发，用户响应其中1颗工作卫星的询问信号，同时向2颗工作卫星发送应答信号，当卫星收到用户响应信号后，经卫星转发器发送回地面控制中心，地面控制中心在收到用户响应信号后，解调出用户申请的服务内容并作出相应处理，如果是定位申请，需要利用数字地图（用以确定高程）计算出用户的三维坐标，再将相关的位置信息或短报文内容发送到工作卫星，工作卫星在收到地面控制中心发来的坐标资料或通信内容后，经卫星转发器发送给用户。从用户终端应答测距信号到接收到定位结果，整个定位时间需要大约1秒钟。

目前，北斗卫星导航试验系统已有3颗卫星超过设计寿命，其中2颗已完全退役，1颗仍在轨运行，现在在轨运行的卫星数为2颗，主要为我国及周边地区提供定位、单双向授时和短报文通信服务，定位精度优于20m，授时精度为单向100ns、双向20ns，短报文通信每次120个汉字。

北斗卫星导航试验系统具有以下其他卫星导航系统所不具备的优势：①　导航与通信的集成可实现多用户信息共享和信息交换，增强了导航和搜索救援的能力；②　可提供单双向授时服务；③　采用码分多址技术，抗干扰能力大大优于其他卫星导航系统。然而，由于该系统的用户终端需要与卫星之间频繁通信，容易暴露用户的位置，所以不利于在军事上使用。其次，北斗卫星导航试验系统采用的是主动式双向测距二维导航，从用户终端应答测距信号到接收到定位结果，整个定位时间大约需要1秒，这样的时间延迟势必导致高速移动平台的定位误差相应增大，所以在高速移动的平台上也不适合使用。另外，由于该系统是主动双向测距的询问――应答系统，用户终端除了要接收由地面控制中心发给卫星的询问信号，还要向卫星发送应答信号，所以整个系统在同一时间服务用户的数量会受到用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率等条件的限制，也就是说，北斗卫星导航试验系统的用户设备容量是有限的，每秒钟只能容纳150个用户，因此北斗试验系统也不适合大规模的应用。

3.　北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统由空间段　（空间星座）、地面段　（地面控制）和用户段　（用户终端）三大部分组成。空间段包括5颗地球静止轨道（GEO）卫星和30颗非地球静止轨道（Non-GEO）卫星。地球静止轨道卫星分别位于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°赤道上空。非地球静止轨道卫星由24颗中圆轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成，其中，中圆轨道高度21，500　km，轨道倾角55°，24颗卫星均匀分布在3个轨道面上，倾斜地球同步轨道高度36，000　km，轨道倾角55°，3颗卫星分别分布在3个倾斜同步轨道面上，　3颗倾斜地球同步轨道卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，相位差120°（北斗工作卫星星座如图1所示）。地面段由主控站、注入站和监测站组成。主控站是导航卫星系统在地面信息处理和运行控制的中心，其主要任务是收集各个监测站采集的卫星信号、观测数据及环境数据，进行时间同步与卫星时钟偏差预报、卫星精密轨道确定与星历参数生成、广域差分改正值计算、电离层模型参数计算以及系统完好性计算等处理，并实现导航卫星系统的任务规划与调度、全系统运行管理与控制等。主控站的主要功能包括建立系统的时间和空间基准，生成导航电文，监测卫星钟等有效载荷，实现对其调整和控制；分析卫星星座性能，支持卫星的轨道维持。卫星导航系统一般有一个主控站即可满足要求，但基于安全等方面的考虑，也可有备份的主控站。我国的北斗卫星导航系统的主控站位于北京。监测站是对空间段卫星实施监测和采集数据的卫星信号接收站。根据任务的不同，可分为时间同步与轨道确定监测站和完好性监测站。监测站的主要任务是跟踪监测导航卫星信号，接收导航卫星电文，测量监测站相对导航卫星的伪距、载波相位和多普勒等观测数据以及监测站周围的气象数据，经预处理后发送给主控站，作为卫星定轨、时间同步、广域差分和完好性监测的依据。为实现高精度和强实时性，要求监测站尽可能全球均匀分布，以实现对导航卫星的全弧段跟踪。目前，北斗卫星导航系统的监测站均位于国内，到2020年将扩展到全球。注入站是指向在轨运行的导航卫星注入导航电文和控制指令的地面无线电发射站，是卫星导航系统地面运行控制的重要组成部分。注入站接收主控站送来的导航电文和卫星控制指令，在主控站的控制下，经射频链路上行发送给进入注入站视野的导航卫星。导航电文通常包括预报的卫星轨道参数（即卫星星历表）、卫星时钟偏差参数以及轨道和钟差的改正参数等。卫星控制指令通常包括有效载荷控制指令和卫星平台控制指令。北斗卫星导航系统有3个注入站，分别位于北京、喀什和三亚，其中北京站与主控站并址。用户段包括各类北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端，主要为用户提供实时导航、定位、测速和授时信息，同时又兼具有位置报告和短报文通信功能。今后，用户终端产品必然由单一定位模式向双模式、三模式和四模式集成的方向发展，因为多模式相对单一定位模式而言，可利用的卫星数更多（四星系统共有120多颗卫星，可同步观测到20―30颗卫星），其定位的精度更好，可靠性更高。

北斗卫星导航系统具有以下优势：①　北斗导航卫星轨道采用混合轨道，任何时间、任何地点都可以保证有更多的可见卫星，而且还有更长的可跟踪时间，所以，导航定位就可以得到更高的精度；②　与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，北斗卫星导航系统增加了短报文通信功能，一次可传送多达120个汉字的信息，可实现用户与用户之间的信息交换和共享，在搜索救援、灾害应急管理及部队指挥调度等方面，应用潜力巨大；③　北斗卫星导航系统具备与GPS、GLONASS和GALILEO的兼容和互操作能力，北斗多模用户机可以接收北斗、GPS、GLONASS和GALILEO的信号，并能实现多系统下的定位，精度和可靠性更高。

4.　应用前景

作为我国第一代的北斗卫星导航试验系统，虽然以试验研究为目的，但在南方冰冻灾害、四川汶川和青海玉树抗震救灾、北京奥运会及上海世博会等许多场合发挥了非常重要的作用。而目前仍在建设中的新一代全球卫星导航系统――北斗卫星导航系统，在各级政府主导、相关部门积极参与下，必将拥有广阔的发展前景，其应用领域将会扩展到社会生产和百姓生活的许多方面。

（1）为农业、林业、旅游、气象、石油、海洋、国土资源、交通运输、灾害监测预报、抗灾救灾和公共安全等提供高效的导航定位服务。

（2）为金融、通信和电力调度等提供高精度的授时服务。

（3）为邮政、旅游和探险等提供短报文通信服务。

（4）为人员、车辆和船舶等遇险报警及救援提供短报文通信和位置报告服务。

（5）为物流网提供定位、跟踪和监控服务。

（6）为航运船舶进出港口和民航飞机进场导引等米级精度要求的用户提供更高精度的广域差分和完好。

（7）利用两台以上精密测量型接收机同时观测北斗卫星发射的B1、B2和B3信号进行相对定位和RTK测量，为基础测绘、工程勘察、城市建设、国土规划及精密工程等提供厘米级甚至毫米级精度的控制点，测绘大比例尺地形图和地籍图，建立大地控制网和地壳形变监测网等。

目前，在交通、民航、通信、海洋、气象、公安、金融、电力、农业、林业、民政减灾、国土资源、旅游和探险等行业率先启动和开展了北斗系统应用示范项目，其中有一些项目已经取得了阶段性成果，在相关行业和部门得到了具体应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。

总之，北斗卫星导航系统作为GNSS的新成员，已被全球导航卫星系统委员会（ICG）确定为GNSS的四大核心供应商之一。随着北斗系统区域服务能力的进一步提升和2020年全球服务的全面实现，其应用必将展现更加广阔而美好的前景。