北斗导航系统简介

一、概述
2000年十月和十二月，中国两次成功发射“北斗”导航试验卫星，为中国“北斗”导航系统建设奠定了基础。“北斗”导航系统为全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，主要为公路、铁路交通及海上作业等领域提供导航定位服务。    “北斗导航试验卫星”由中国航天科技集团空间技术研究院研制。 北斗卫星导航定位系统目前是由定位于赤道上空的两颗地球同步卫星、地面中心站、用户终端三部分组成的。定位可以由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行定位后将位置信息广播出去由该用户获取，也可以由中心站主动进行指定用户的定位，定位后不将位置信息发送给用户，而由中心站保存。    北斗导航系统在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段，上行为L频段（频率1610～1626．5MHz），下行为S频段（频率2483．5～2500MHz）；登记的卫星位置为赤道面东经80度、140度和110．5度（最后一个为备份星星位）。
二、定位原理
北斗系统由2颗经度上相距60度的地球静止卫星（GEO）对用户双向测距，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是：以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。    如果不附加其它信息，仅凭定位于赤道上空的同步轨道上的两颗卫星所提供的测距数据是难以有效解算目标位置的三维坐标分量的。经过分析，当下列条件满足时，可以通过适当的数学运算确定出目标位置：
1）已知目标所处位置的大地纬度；
2）已知目标位置的大地高程，及其在某一给定时刻位于赤道平面的南侧或北侧；
3）目标处于匀速运动状态，且已知其起始位置；
4）目标处于匀变速运动状态，且已知其初始位置的坐标分量；
5）可以建立起目标的运动学/动力学模型，并可确定其初态。、
在双星定位系统中，结合数字地面高程，满足条件2），并已知目标在赤道平面北侧，具体的定位过程是：首先由中心发出信号，分别经两颗卫星反射传至接收部分，再由接收部分反射两颗卫星分别传回中心站，中心站计算出两种途径所需时间t1，t2，再经过计算即可完成定位，计算过程如下：
c×t1=2（r1+R1）(1)
c×t2=2（r2+R2）(2)
由于卫星1、卫星2是地球同步卫星，所以两颗卫星和中心站的地心坐标都是已知的而根据数字地面高程，接收部分的高程也是可知的，因此，（1）、（2）中R1、R2是已知的，C 是光速，这样就只剩下两个未知数r1、r2，可以通过两个方程解出。

其中，只有x、y两个未知数。至此，就可能确定接收机的二维位置，定位精度在15米左右。
三、系统功能
目前该系统可提供四大功能：快速定位；实时导航；简短通信；精密授时。
1、快速定位
地面中心站发出的测距信号（具体为格式化的帧结构及其伪码）含有时间信息，经过卫星-用户终端站-卫星，再回到中心站，由出入站信号的时间差可计算出距离。
优先级最高的用户，从用户终端站发射应答信号到用户终端站到定位结果，可在1s之内完成。定位精度高，一般为几十米，可提高到10m以内。
2、实时导航
对运动用户提供前进距离和方位的业务称之为导航。由于本系统的全部数据处理集中于地面中心站，中心站有庞大的数字化地图数据库和各种丰富的数字化信息资源，地面中心站根据用户终端站的定位信息，参考地图数据库可迅速地计算出用户前进目标的距离和方位，可对用户终端站发出防碰撞的紧急报警，可通知有关部门对出事地点进行紧急营救等等。
快速定位、数字化地图库加高速计算机处理，从而使神州天鸿系统具备了实时导航的能力。
3、简短通信
实现无线电通信的基本条件是： 线路要是双向的，每一端既能发射又能接收；
双方各有特定识别码，即不会送错又不会被第三者所接收；
通信电文预先约定，能够互相译出。
本系统的地面中心站和用户终端站收发机具备这几个条件，因为系统是双向闭合环路，每个终端站收发机都有专用识别码。终端站收发机随机地响应某一时刻的询问信号（又叫测距信号），响应信号和询问信号的帧格式结构中都有通信信息段。终端站想向领导机关请求指示，或想与某终端站联系时，用收发机的信息键盘键入对方地址码（专用识别码）和通信电文，随响应信号送入地面中心站。地面中心站收到这个终端站的响应信号后，译出要联系的终端站地址和通信电文。中心站把通信电文放入要联系的终端站能够解出通信码的信息中，随询问信号发射出去，对应终端站或领导机关便可得到通信信息。非对应地址码的终端站解不出通信段内容，只出现干扰噪声。需要回答的终端站，只需重复上述过程。伪码相关接收保证了通信只在特定终端站之间进行。通信信息段的容量决定了通信的速度和可参加通信的终端站数量。实际上，定位终端站的位置数据也是作为通信信息发给终端站的。注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息。
4、精密授时
授时与通信、定位是在同一信道中完成的。地面中心站的铯钟产生标准时间和标准频率，通过询问信号将时标的时间码送给终端站。授时终端站与普通定位和通信终端站的不同之处在于有一个解码器和一个计数器。解码器解出询问信号的时间码，计数器记录时间码的时标与终端站钟的钟差。由于信号空间传播的时间延迟，计数器记录的钟差是伪钟差。通过终端站的响应信号，地面中心站计算出时延，连同UTC(世界协调时)与UT1（授时终端站当地时）的改正数一起送给终端站，终端站便可将伪钟差减时延而得到终端站钟的UTC标准时间，或再加改正数得到UT1标准时间。
本系统的伪码频率为8MHZ，即码元宽度为125ns，以二十五分之一的量化精度测量，则最小时间测量可到5ns。因而测量值可小于10-8s，是高精度的时间信息。根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步,提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。
四、系统特点
暂缺
五、未来展望
可以肯定的说，北斗导航定位系统的双星定位，只是初步实验阶段，以后除了发射同步卫星外，还要发射多颗极轨卫星，以实现北斗系统的全球定位和实用化。 中国第二代导航卫星系统设想如下：    1．第二代导航卫星系统的体制
第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是：第二代用户机可免发上行信号，不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息，而是直接接收卫星单程测距信号自己定位，系统的用户容量不受限制，并可提高用户位置隐蔽性。其代价是：测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证，所有用户机使用稳定度较低的石英钟，其时钟误差作为未知数和用户的三维未知位置参数一起由4个以上的卫星测距方程来求解。这就要求用户在每一时刻至少可见4颗以上几何位置合适的卫星进行测距，从而使得星座所需卫星数量大大增多，系统投资将显著增加。建立高精度卫星轨道基准和卫星时间基准是新卫星导航系统技术的核心，需要开展深入的研究工作。为了获取对中国未来的导航频率的国际保护，需要加快向国际电联申请和协调。
中国第二代导航卫星系统复杂，全系统的设计研制和运行管理尚缺少经验，但中国对卫星的测控技术已有一定基础。北斗导航系统和广域差分系统的研发直接为中国第二代导航系统的研制和运行锻炼了技术队伍和积累了经验，各地面台、站设施等可在第一代导航卫星系统已有设备基础上进行扩建，卫星平台、运载火箭、双向数据移动通信等均可以继承或采用成熟技术。国内GPS的广泛应用为中国未来的卫星导航提供了应用基础和广阔的市场。发展新一代导航卫星系统不仅是必要的，而且在技术、经济上也是可行的。
2．第二代导航卫星系统发展途径
（1）充分保证民用导航精度
提供双频信号以消除电离层引起的误差，不实施SA干扰降低导航精度，C／A码公众自由使用并与国际格式兼容，不收费用；对授权用户提供双频和广域差分信息，以进一步提高导航精度和提供准实时完好性信息。GPS广泛开发民间应用，形成重要产业，其军民用之比已达1∶20。由于民用接收机的普及、批量生产和商业竞争，民用产品的数字化、小型化和性能大大提高，价格显著下降，反过来又促进了GPS的军事应用，更大程度地满足了需求。相反，俄罗斯没有开发民用市场，军用接收机只生产了2000部，价格昂贵，性能不高。因此，中国在建立第二代导航系统的同时，应发挥中国导航C／A码精度高、含有亚洲区域加强系统的优势，首先开发国内民用市场，开发出批量生产的廉价国产导航接收机，普及国内民间应用，逐步取代进口产品，形成产业，进而开发中外导航信号双模式兼容、并可接受区域加强的高精度高可用性接收机，进一步拓宽需高安全性的中外用户在亚洲的应用市场，逐步建立中国导航系统今后持续发展的物质基础，为将来发展全球性的国际市场做好准备。建议中国指定相应领导部门加强民用卫星导航的开发和应用工作的管理。
（2）以建立全球导航系统为长远目标，分步实施
中国的卫星导航系统究竟应该是区域的还是全球的，这是中国导航界专家广泛关注的一个重要问题。当前为了首先确保在国内及附近海域的需求（少数国际民航飞机和航海船只除外），并力求减少初期一次性投资额度，在近期内仍以建成北半球约120度经度范围内的区域系统为宜。但从长远发展打算，中国经济和科学技术的发展离不开卫星导航，低轨飞行器的定轨也要求有全球导航系统支撑，要认真考虑中国区域系统今后顺利发展成为全球系统的可能性。这也有利于和俄罗斯、欧洲一起打破美国GPS独霸世界的局面，有利于民用方面今后开发导航产业的国际市场，满足国际航空、航海和航天器全球导航的需要。因此，从前瞻性考虑，建议以建立全球导航系统为长远目标，按技术经济条件采取先区域后全球的两步实施方针。实现这一方针的可行性在于当前区域系统必须和未来全球系统在体制上兼容，区域星座可以扩展为全球星座，今后可根据中国国力和实际需要，随着后续卫星的发射，以最小的代价平稳地发展成全球系统。这一技术途径的可行性在于寻找到合适的卫星星座，下面为可考虑的几种区域星座轨道类型。
1地球静止轨道（GEO）：卫星星座可一天24小时静止在规定的赤道位置上空，提供本区域导航服务，卫星利用率高。这就是北斗导航系统采用的星座，而且地球静止卫星也广泛应用于全球导航系统的区域增强系统。由于地球静止轨道卫星都处于赤道面内，受导航定位所需几何构形的限制，每个用户只能最多利用2颗相间隔30度以上经度的卫星。全区域究竟布设几颗地球静止轨道卫星则取决于导航服务区域大小，但单用地球静止轨道卫星是不够的，还必须有相对于地球移动的高纬度卫星参与导航星座。
2大椭圆轨道卫星星座：最典型的是俄罗斯用于高纬度地区广播卫星的"闪电"12小时卫星轨道。这是一种大偏心率（通常取0．7左右）轨道，轨道倾角63．43度，其远地点在北半球本国高纬度上空，星下点轨迹移动缓慢，5日内可保持近10小时有效运行。一个轨道面内均匀分布3颗星，即可保持一个高纬度星位的连续存在。其近地点在南半球，停留时间很短，卫星高度很低，用户可见区域范围小，对用户的导航贡献小。另有一个远地点在地球背面，经度上远离服务区，本区域系统不能加以利用。另外，这种轨道的卫星高度变化剧烈，对信道设计很不利。因此，对大椭圆轨道不予考虑。
3倾斜地球同步轨道（IGSO）：卫星星座的轨道倾角为55～63．43度的24小时地球同步轨道，即所谓的大"8"字形轨道，中心位于赤道某设定的经度上，高度与地球静止轨道卫星相同，卫星星下点24小时轨迹在本服务区内南北来回运动，也是一种利用效率较高的区域星座，但只限于在本经度区域内使用。在立足于国内台站测控的条件下，中国采用9颗倾斜地球同步轨道卫星与4颗地球静止轨道卫星相结合可以建立区域导航系统，但接近服务区边缘处因卫星定轨精度下降导致导航精度明显恶化。欧洲曾对这种轨道星座方案作了多年研究，并企图在全球寻找几个区域系统联网成全球系统的合作伙伴未果，最终放弃了这种方案。如果中国采用这种轨道星座，将来发展成为全球系统是不可能的。
4中高度圆轨道（MEO）卫星星座：这是一种周期为12小时，倾角为55～63．43度的轨道，是经过GPS和GLONASS系统成功运行证明性能优良的全球星座轨道。分析计算证明，24颗倾角为55度的MEO卫星分布在3个轨道面内，可满足全球导航精度（3个倾角为54．74度的轨道面通过地心相互正交，卫星在全球分布最均匀，明显优于GPS的6个轨道面）。这种单一由MEO卫星组成的星座必须布满全部24颗卫星才能有效地投入运行，如要满足民航可用性要求和精密近进，则必须增加地球静止轨道卫星（GEO）进行区域加强，或大量增加MEO卫星。由于每一MEO卫星星下点轨迹历经全球，其优点是可立足于本国国土内测控所有卫星。中国服务区地处北纬55度以南（实际上南半球地区同样可以服务），东西经度范围很大，占全球1／3，平均每颗星约有2／3的时间可为本区域系统内的用户服务。采用其12颗星的子星座与4颗地球静止轨道卫星相结合（12MEO＋4GEO），可满足区域系统的导航要求。如果后续布满24颗卫星，则发展成为高精度区域加强的全球系统，可达到民航精密近进导航要求。下表为各类轨道星座HDOP与VDOP值的比较，其中HDOP为水平几何放大因子，VDOP为垂直几何放大因子，它们和测距精度相乘可分别获得水平与垂直定位精度。比较数据表明所建议的轨道和GLONASS型轨道都可满足要求。前者，全球星座的精度更好；后者，所有中高度圆轨道卫星都历经同一星下点轨迹，有利于消除地球重力异常对星座内各卫星影响的差异，同一地面站可以分时监控到所有轨道面的卫星。