北斗卫星导航系统探究

史徐行

（陕西省西安市第八中学，西安 710001）

北斗卫星导航系统探究

史徐行

（陕西省西安市第八中学，西安 710001）

本文从卫星导航谈起，就我国北斗卫星导航系统的原理和发展做了简要介绍，并分析了其相关技术和应用，最后对北斗卫星导航系统的未来发展做出了展望。

卫星导航；北斗卫星导航系统；三星定位

1 卫星导航技术

从船只到飞机，从汽车到火车，现代交通工具的发展可谓日新月异，要想安全、快捷地到达目的地，准确、及时、便捷的导航系统是必不可少的。导航的种类繁多，如天文导航、无线电导航、惯性导航、地磁导航等，随着空间技术的发展，人们找到了一种理想的导航工具，即利用地球卫星进行导航。卫星导航可以为陆地、海洋、空中和空间的目标提供导航定位服务，且不受气象条件和航行距离的限制，导航精度比较高，所以被广泛的运用于现代生产生活之中。

1.1 导航的概念和方法

导航技术是将用户从起始点导引到目的地的技术，其是集定位和导向于一身的高科技技术。为航行体提供实时的位置信息是导航系统的基本任务，所以，导航是一种广义的动态定位。能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体的位置、速度、航向等即时运动状态的体统称为导航系统。

目前广泛使用的导航方式主要有航标方法、航位推算法、天文导航、惯性导航、无线电导航、卫星定位导航。

1.2 航行体对导航系统的要求

导航的基本作用是为运载体航行提供服务，它所提供的服务应该满足航行所提出的特定要求。现代导航不仅要解决航行目的性，更要满足航行的安全性、服务连续性和有效性。一般来说，要衡量一个导航系统的优劣，必须考虑其精度、覆盖范围、信息及时率、可用性、可靠性、多值性、导航信息的维数等。

1.3 导航卫星的分类

⊙ 导航卫星按导航方法分为多普勒测速导航卫星和时间测距导航卫星。

⊙ 根据用户是否需要向卫星发射信号，分为主动式导航卫星和被动式导航卫星，例如“子午仪”卫星和GPS卫星均属于被动式导航卫星。

⊙ 按照轨道高度还可分为低轨道、中高轨道和地球同步轨道导航卫星。

⊙ 按照用途不同又可分为军用导航卫星和民用导航卫星，例如现在我国的北斗导航系统为军用卫星，日常汽车所用的全球定位系统（GPS）则为民用卫星。

⊙ 按照覆盖区域分为全球和区域导航定位卫星。

2 北斗卫星导航系统的发展

2.1 北斗卫星导航系统简介

目前，全球范围内美国主导的全球定位系统GPS和俄罗斯主导的GLONASS已经成功建立并投入使用，民用和军用均有涉及。作为超级大国的追赶者，我国和欧盟也在本世纪初先后开展了自主的卫星导航系统建设，而印度也随后启动了IRNSS导航系统的研究工作。可见，随着各国在经济、科技、军事等各个领域的竞争，卫星导航这一尖端技术也会被越来越多的国家所重视和发展。

北斗卫星导航系统（COMPASS，中文音译名称BeiDou），又被称为“北斗二号”，是继北斗卫星导航试验系统（也就是北斗一号）之后我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统于2004年启动，并计划在2020年完成整体系统的构建，届时北斗二号将向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务。

北斗卫星导航系统可以捕捉其多星座的精确信息，一来可以利用这些丰富的导航信息来提高用户在导航过程中的精确性、可靠性和功能性，也可以根据用户反馈的信息来调整自身的运行状态和相关参数，构成一个良性循环的闭环系统。中国卫星导航系统管理办公室负责北斗卫星导航系统的调度、管理和维护相关工作，确保北斗可以安全稳定地为全球使用者提供可靠的定位和导航服务。

2.2 北斗卫星导航系统的发展

北斗卫星导航系统的研究早在上世纪末就已经展开，开始时只是为军用所考量。随着美国逐渐强大，苏联解体，东亚局势也显得变幻莫测，此时国我国把建立自己的卫星导航系统提上日程。而正式建立这一系统是按照三步走的策略执行的：

（1）从2000年到2003年，第一步已经实现，这几年我国共计发射了三颗北斗导航试验卫星，北斗导航试验系统应运而生，其工作范围可以覆盖我国绝大部分的区域，我国也成为继美国、俄罗斯之后又一个拥有自主导航系统的国家，我国的综合实力得到重要提升。

（2）从2004年到2012年，我国已经多次发射了多颗北斗导航卫星，进入了密集发射组网的重要阶段，此阶段北斗导航系统可以实现覆盖亚太的定位、导航、授时和短报文传输等多功能的服务能力。

（3）第三步到2020左右，再发射多颗地球同步和非同步卫星，建设成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星所组成的覆盖全球的北斗卫星导航系统，此时北斗卫星导航系统已经具有全球范围内的导航能力。

3 北斗卫星导航系统的原理

3.1 北斗卫星导航系统系统构成

整个北斗卫星导航系统是由空间部分、地面控制部分和用户部分三大部分所组成的，三部分相互关联、缺一不可。

3.1.1 空间部分

空间部分由是由35颗卫星所组成的，第二代北斗卫星导航系统的空间部分将在第一代基础上逐步扩展为具有5颗静轨道卫星、30颗非静止轨道卫星组成的导航星座，其中24颗中高轨道卫星设置在3个轨道平面上，轨道倾角35°，轨道高度21500km，周期为12h55min。静止轨道卫星（GEOS）的5个定点位置分别为东经58.75°、80.00°、110.50°、140.00°、160.00°。倾斜同步轨道卫星（IGOS）运行于倾角为55度的轨道面上。北斗卫星均配备有无线电导航卫星服务载荷，其中GEOS还配有无线电定位卫星服务载荷。

3.1.2 地面控制部分

地面控制部分由主控站、注入站和监测站组成，各种地面站的功能各不相同。

主控站主要功能是收集和处理本站和各监测站的跟踪测量数据，计算卫星的轨道和时钟参数，将预测的卫星距离、钟差、状态数据以及大气传播改正参数编制成导航电文传送到注入站，进而输送到导航卫星。

监测站配有精密的铯钟和伪距测量接收器，主要任务是为指控站提供卫星测量数据。

注入站的主要任务是将主控站发送来的导航电文用S波段发射到相应的卫星上。如果地面站发生故障，各卫星的导航信息还可以使用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

3.1.3 用户部分

用户部分主要是各种类型的GPS接收机。接收机通常包含天线单元和接收单元。接收机的主要功能是接收卫星发射的信号并利用本机产生的伪随机代码取得激励观测值和导航电文。此外，它还根据导航点电文提供的卫星位置和钟差修正信息，计算接收机的位置。用户接收机有许多种类：按照动态频率高低可分为低动态接收机和高动态接收机；按所使用信号种类和精度可分为单频粗码接收机和双频精码接收机；按功能作用可分为测量型、授时型、导航型和姿态接收型。

3.2 北斗卫星导航系统定位导航原理

北斗导航系统的原理与GPS的原理类似，大概为：定位卫星连续向地球表面发射经过编码调制的电磁波信号，信号中含有卫星信号准确的发射时间，以及不同时间卫星在空间中的准确位置；卫星导航接收器接收到卫星的信号之后，测量信号的到达时间，计算卫星和用户之间的距离；用导航算法（最小二乘法或滤波估计方法）解出用户的位置。所以，准确地计算卫星的位置、测量卫星和用户之间的距离和解算用户的位置是北斗系统定位导航的关键技术。其定位原理如图1所示。

图1 北斗导航系统定位原理图

此外，北斗导航系统还可以准确地解出用户的三维速度，其与载波结合还可以进行高精度定位和姿态确定问题。

3.3 北斗卫星导航系统的应用

自从北斗验证系统开通以来，北斗系统的应用范围迅速拓展，用户机生产规模不断扩大，北斗注册用户快速增长。北斗卫星导航系统是我国具有自主知识产权的卫星导航系统，有着广泛的应用潜力，除了军事国防领域，比如公安保卫、遇险抢救、巡逻搜索、车载导航、交通管制和各种灾害的播报等都有着广泛的应用，并且在个人导航、娱乐设施等方面都有着巨大的用户量，是我国推动我国信息产业发展的亮点和新的经济增长点，必将带动我国的高新技术进入新的时代。

4 北斗卫星导航系统的未来展望

北斗导航系统作为我国具有自主知识产权的新一代卫星导航系统，有着不可替代的优点，为我国现代化建设和国防建设做出了杰出贡献。但是由于北斗卫星导航系统起步较晚，技术还不太成熟，在可靠性和稳定性方面不及已经发展了几十年的GPS和GLONASS，而且用户端优化不足，导致用户流失严重，其发展也存在严峻的挑战。北斗导航系统要想成为全球先进的导航系统，需要做到以下几点：首先在频率兼容方面，要实现北斗导航系统和其它导航系统以及奇特电磁波的频率的兼容，解决频率资源短缺问题；在建设控制站方面，未来北斗要克服阻力在全球均匀建站，这也是很难实现的；最后在市场竞争方面，对于已经进入市场的GPS系统来说，其霸主地位很难被撼动，这就要看北斗导航系统能否做出颠覆性的功能。北斗卫星导航系统的政策法规和技术标准有待进一步完善，管理与服务观念有待进一步加强。但是可以预期，经过我国广大卫星导航科技工作者和用户的共同努力，北斗导航体系和应用技术都有望取得新的突破。

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.015

TN96文献标示码：A

1672-7274（2017）10-0040-03