帶你認識中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

喬雪峰

近日，中國再次一箭雙星，北斗家族又增加了兩個新成員。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的逐步完善，以及應(yīng)用技術(shù)的不斷提升，加強北斗品牌建設(shè)，讓北斗系統(tǒng)深入人心，使得絕大部分中國人都知道北斗的內(nèi)容和核心，成為我們義不容辭的使命和責任。

全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)

美國GPS，俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略、中國北斗，并稱世界四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

GPS是英文GIoba1 PositioNlng System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。GPS起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用。20世紀70年代，美國陸海空三軍聯(lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)CJPS。主要目的是為陸海空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導航服務(wù)，并用于情報搜集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。

格洛納斯（GLONASS），是俄語“全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的縮寫。格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)作用類似于美國的GPS、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)最早開發(fā)于蘇聯(lián)時期，后由俄羅斯繼續(xù)該計劃。俄羅斯1993年開始獨自建立本國的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2007年開始運營，當時只開放俄羅斯境內(nèi)衛(wèi)星定位及導航服務(wù)。到2009年，其服務(wù)范圍已經(jīng)拓展到全球。該系統(tǒng)主要服務(wù)內(nèi)容包括確定陸地、海上及空中目標的坐標及運動速度信息等。

伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo satellite navigation svstem），是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，該計劃于1999年2月由歐洲委員會公布，歐洲委員會和歐空局共同負責。系統(tǒng)由軌道高度為23616km的30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星軌道高度約2.4萬公里，位于3個傾角為56度的軌道平面內(nèi)。2014年明，伽利略全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)第二批一顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，太空中已有的6顆正式的伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星，可以組成網(wǎng)絡(luò)，初步發(fā)揮地面精確定位的功能。該項目總共將發(fā)射32顆衛(wèi)星，總投入達34億歐元。因各成員國存在分歧，計劃已幾經(jīng)推遲。

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite Svstem，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GAIIIEO，是聯(lián)合國衛(wèi)星導航委員會已認定的供應(yīng)商。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務(wù)，并具短報文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

中國北斗之路

中國從上個世紀70年代就開始布局衛(wèi)星導航計劃，七五規(guī)劃中提出了“新四星”。80年代初期，以成芳允院士為首的專家團體提出了雙星定位方案，這是當時公認的最優(yōu)方案，但因經(jīng)濟條件等種種原因又擱置了十年。1991年，海灣戰(zhàn)爭中美國GPS在作戰(zhàn)中的應(yīng)用非常成功，也就是從這一刻開始，中國的決策層開始深刻意識到衛(wèi)星導航系統(tǒng)在未來戰(zhàn)爭中的重要作用，被擱置十年的雙星定位方案又開始啟動。

中國選擇研發(fā)北斗，GPS帶來的軍事壓力是主要因素。眾所周知，雖然GPS對全球免費開放了民用系統(tǒng)，但是軍用系統(tǒng)的精度是民用系統(tǒng)無法比擬的。而且所謂免費開放，事實上源于GPS自身特定原因，因為它是單向通訊衛(wèi)星，也就是只管發(fā)射信號，到底誰接收了，它根本不知道。因為民用領(lǐng)域?qū)τ诩夹g(shù)的簡單化和接收設(shè)備的便捷化要求，使得它的加密非常容易被破解，因此精明的美國人索性大度地讓全球共享民用系統(tǒng)，從而在國家軟實力方面更勝一籌。隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在軍事方面和民事方面的應(yīng)用日漸廣泛，中國作為發(fā)展中的大國，自然不能對此無動于衷，合起趕超成為唯一出路。

北斗一代選擇了雙星定位路線，那么靜止的高軌道是必然選擇。既然這兩顆衛(wèi)星是靜止軌道的，自然可以與國際通信衛(wèi)星一樣完成通信任務(wù)，于是既能定位又能通信就被設(shè)計成為了北斗一代的技術(shù)特點，而GPS等其它定位導航系統(tǒng)都是不支持通信功能的。但是由于這兩顆星的軌道很高，導致了地面被測物體與衛(wèi)星的相對速度很低，于是多普勒效應(yīng)就不明顯，其定位精度自然遠遠比不過GPS，而通訊功能又比不過海事衛(wèi)星，于是中國又提出了北斗二代計劃。

北斗二代計劃在2020年前發(fā)射35顆衛(wèi)星，形成全球性的定位導航系統(tǒng)，比GPS還多5顆。多出的這5顆是在赤道上空的靜止高軌道衛(wèi)星，主要是完成短信任務(wù)的，其它30顆跟美國GPS的30顆一樣，都是中軌道的運動衛(wèi)星。雖然現(xiàn)在還沒有把35顆衛(wèi)星打全，但亞太地區(qū)的北斗二代定位導航網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建并投入使用。GPS和北斗的中軌道運動衛(wèi)星都是30顆，它們各在太空上織就了一張網(wǎng)，GPS網(wǎng)眼最密處是在美國上空，北斗二代網(wǎng)眼最密處在中國上空。因此，加拿大和墨西哥當然會選擇GPS，而對于亞太國家來說北斗卻更有優(yōu)勢。

北斗二代定位原理

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化）；以及北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離，由于含有接收機衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對OA碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機對收到的衛(wèi)星信號，進行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優(yōu)于米級的定位精度也只能采用相位觀測值。

按定位方式，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進行相對定位。

在北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機。

八大應(yīng)用領(lǐng)域

自北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供服務(wù)以來，我國衛(wèi)星導航應(yīng)用在理論研究、應(yīng)用技術(shù)研發(fā)、接收機制造及應(yīng)用與服務(wù)等方面取得了長足進步。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，已形成了基礎(chǔ)產(chǎn)品、應(yīng)用終端、系統(tǒng)應(yīng)用和運營服務(wù)比較完整的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)體系。國產(chǎn)北斗核心芯片、模塊等關(guān)鍵技術(shù)全面突破，性能指標與國際同類產(chǎn)品相當。相關(guān)產(chǎn)品已逐步使用推廣到交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)等諸多領(lǐng)域，正在產(chǎn)生廣泛的社會和經(jīng)濟效益。特別是在南方冰凍災(zāi)害、四川汶川、蘆山和青海玉樹抗震救災(zāi)、北京奧運會以及上海世博會期間發(fā)揮了重要作用。

在交通運輸方面，北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于重點運輸過程監(jiān)控管理、公路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控、港口高精度實時定位調(diào)度監(jiān)控等領(lǐng)域；在海洋漁業(yè)方面，基于北斗系統(tǒng)，為漁業(yè)管理部門提供船位監(jiān)控、緊急救援、信息發(fā)布、漁船出入港管理等服務(wù)；在水文監(jiān)測方面，成功應(yīng)用于多山地域水文測報信息的實時傳輸，提高災(zāi)情預(yù)報的準確性，為制訂防洪抗旱調(diào)度方案提供重要支持；在氣象預(yù)報方面，成功研制一系列氣象測報型北斗終端設(shè)備，啟動“大氣海洋和空間監(jiān)測預(yù)警示范應(yīng)用”，形成實用可行的系統(tǒng)應(yīng)用解決方案，實現(xiàn)氣象站之間的數(shù)字報文自動傳輸；在森林防火方面，成功應(yīng)用于森林防火，定位與短報文通信功能在實際應(yīng)用中發(fā)揮了較大作用；在通信時統(tǒng)方面，成功開展北斗雙向授時應(yīng)用示范，突破光纖拉遠等關(guān)鍵技術(shù)，研制出一體化衛(wèi)星授時系統(tǒng)；在電力調(diào)度方面，成功開展基于北斗的電力時間同步應(yīng)用示范，為電力事故分析、電力預(yù)警系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等高精度時間應(yīng)用創(chuàng)造了條件；在救災(zāi)減災(zāi)方面，基于北斗系統(tǒng)的導航定位、短報文通信以及位置報告功能，提供全國范圍的實時救災(zāi)指揮調(diào)度、應(yīng)急通信、災(zāi)情信息快速上報與共享等服務(wù)，顯著提高了災(zāi)害應(yīng)急救援的快速反應(yīng)能力和決策能力。

北斗系統(tǒng)建設(shè)歷程

2000年10月，北斗導航系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星正式送入軌道。

2003年12月，北斗一號系統(tǒng)正式開始向國內(nèi)用戶提供服務(wù)。

2004年9月，北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)工程正式立項。

2007年4月，首顆中圓軌道衛(wèi)星被送入太空。

2012年10月，北斗系統(tǒng)成功發(fā)射第16顆衛(wèi)星，完成衛(wèi)星組網(wǎng)。

2012年12月，北斗二號系統(tǒng)正式開通運行，服務(wù)區(qū)域覆蓋亞太地區(qū)。

2013年12月，《北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》和《北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件（2.0版）》兩個系統(tǒng)文件發(fā)布。

2014年9月，北斗地基增強系統(tǒng)工程建設(shè)正式啟動，該系統(tǒng)將構(gòu)建全國一張網(wǎng)，實現(xiàn)部門間、地區(qū)間、軍民用戶間資源統(tǒng)籌、數(shù)據(jù)共享。

2015年3月31日，我國首顆新一代北斗導航衛(wèi)星順利入軌，標志著北斗系統(tǒng)由區(qū)域運行向全球拓展的正式啟動實施。