北斗卫星导航系统

简介
北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。

北斗卫星导航系统示意图
北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。
中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和五颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。
目标：北斗卫星导航系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

北斗卫星导航系统示意图
目前全世界有4套卫星导航系统：中国北斗、美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”、欧洲“伽利略”卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会经济效益。中国作为发展中国家，拥有广阔的领土和海域，高度重视卫星导航系统的建设，努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。
2000年以来，中国已成功发射了4颗“北斗导航试验卫星”，建成北斗导航试验系统（第一代系统）。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和ＧＰＳ广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。
中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米／秒。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。
中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。我国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射五颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
历程
卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。

北斗卫星导航系统示意图
导航卫星
第1颗
2007年4月14日，中国成功发射了第1颗北斗导航卫星。

北斗卫星导航系统示意图
第2颗
2009年4月15日零时16分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。
中国卫星导航工程中心负责人介绍，这次发射的北斗导航卫星（COMPASS－G2），是中国北斗卫星导航系统（COMPASS，中文音译名称BeiDou）建设计划中的第二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。这颗卫星的成功发射，对于北斗卫星导航系统建设具有十分重要的意义。
卫星导航系统是重要的空间基础设施，可提供高精度的定位、测速和授时服务，能带来巨大的社会和经济效益。我国高度重视卫星导航系统的建设，一直努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。中国已建成的北斗导航试验系统，在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域发挥着重要作用。目前，正在实施建设北斗卫星导航系统。
这次发射的卫星和运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第116次飞行。
第3颗
2010年1月17日0时12分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第三颗北斗导航卫星送入预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步，卫星组网正按计划稳步推进。
据中国卫星导航工程中心负责人介绍，我国正在实施北斗卫星导航系统（ＣＯＭＰＡＳＳ，中文音译名称为ＢｅｉＤｏｕ）建设工作，规划相继发射５颗静止轨道卫星和３０颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。此前，已成功发射了两颗北斗导航卫星，这一颗卫星为静止轨道卫星。按照建设规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。２０２０年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

北斗卫星导航系统示意图
第4颗
2010年6月2日晚23时53分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第四颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统组网建设又迈出重要一步,中国卫星导航系统专项管理办公室负责人表示，目前，中国北斗导航卫星已进入密集发射组网阶段。
北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，其建设目标为：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。
第5颗
2010年8月1日5时30分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功发射第五颗北斗导航卫星。
这是一颗倾斜地球同步轨道卫星，也是中国今年连续发射的第3颗北斗导航系统组网卫星。 据中国卫星导航系统专项管理办公室负责人介绍，北斗卫星导航系统(英文简称COMPASS，中文音译名称BeiDou)作为中国独立发展、自主运行的全球卫星导航系统，是国家正在建设的重要空间信息基础设施，可广泛用于经济社会的各个领域。
中国北斗卫星导航系统能够提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，具有导航和通信相结合的服务特色。该系统经过19年的发展，在测绘、渔业、交通运输、电信、水利、森林防火、减灾救灾和国家安全等诸多领域得到应用，已产生显著的经济效益和社会效益，特别是在四川汶川、青海玉树抗震救灾中发挥出非常重要的作用。
按照“三步走”的发展战略，中国北斗卫星导航系统将于2012年前具备亚太地区区域服务能力，2020年左右，建成由30余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的、覆盖全球的大型航天系统。北斗卫星导航系统技术复杂、规模庞大，它的建设应用，将实现中国航天从单星研制向组批生产、从保单星成功向保组网成功、从以卫星为核心向以系统为核心、从面向行业用户向面向大众用户的历史性转型，开启中国航天事业的新征程。
此次发射的卫星及其运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。本次卫星发射也是中国“长征”系列运载火箭第126次航天飞行。
工作原理
北斗卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。
短报文通信：一次可传送多达120个汉字的讯息。
精密授时：精度达10纳秒。
定位精度：水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。
系统容量：每小时540000户。

北斗卫星导航系统示意图
建设原则
北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：
1、开放性。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。
2、自主性。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。
3、兼容性。在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。
4、渐进性。中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。
与GPS系统比较
覆盖范围：北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。

北斗卫星导航系统优点示意图
卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。GPS导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。
定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。
定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度目前约20ns。
用户容量：北斗导航系统由于是主动双向测距的询问--应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。
生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号” 系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。
实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。
服务介绍：北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
为使北斗卫星导航系统更好地为全球服务，加强北斗卫星导航系统与其它卫星导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用，中国愿意与其它国家合作，共同发展卫星导航事业。
系统优劣势
优势：
1、和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，增加了通讯功能。
2、全天候快速定位，与GPS精度相当。
3、安全可靠，保密性强。
劣势：
1、北斗系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。
2、北斗系统属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务。
应用优势
同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；
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；
特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；
独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”；
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。
应用领域
北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国家和地区，它可以在服务区域内任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度信息，并提供双向短报文通信和精密授时服务。北斗系统可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位。
挑战美国GPS
5月19日，中国首届卫星导航学术年会在北京召开。在会议上，北斗卫星导航系统总设计师孙家栋院士宣布，中国的北斗卫星导航系统将在2020年左右建成覆盖全球的卫星导航系统。
在年会现场，北斗卫星导航系统工程副总设计师谭述森研究员告诉记者，目前，世界上已经建成和正在建设的共有4大卫星导航系统，分别为美国的GPS卫星导航系统、俄罗斯的Glonass卫星导航系统、欧盟的伽利略卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统。除了GPS系统已经建成外，其他几个系统仍然处于建设阶段，而未来10年是各系统建设的关键时期。“也就是说，在2020年左右，我们的生活中将出现4大卫星导航系统并存的情况，共有100多颗卫星在空中为全球的民众提供卫星导航服务。”这种局面的出现，对于全人类来说是巨大的福祉，我们的生活将变得更加便利。但是，卫星导航系统领域的竞争也会异常激烈，“技术和性能领先的系统将成为主导，而技术性能落后的系统将被逐渐边缘化。”
谭述森研究员表示，与现在在世界上被广为接受的美国GPS卫星导航系统相比，北斗在未来的设计应用上主要存在3大难点。第一，如果要保持卫星导航的高精度，卫星上必须配有高稳定性、高精度的原子钟，“在原子钟的技术精度和稳定性上，我们和美国还有差距，需要花大力气进行自主研发。”第二，作为当今世界唯一的超级大国，美国拥有雄厚的经济实力，并掌握着其他国家难以企及的战略资源。这些都可以保证美国实现在全球范围内布控卫星监控网络。而中国则只能在本国区域内布网，这对于卫星上天后的测控和维护是一大难点。第三，GPS在问世的近30年时间里积累了大量的空间实验数据，而其中最重要的太阳光压变化对于卫星所产生影响的数据，已经建立起数据模型，精度很高。“而中国的北斗系统还处于起步阶段，还需要在摸索中前进。”
孙家栋向记者表示，与其他系统相比，北斗卫星导航系统最大的创新在于其把导航与通信紧密地结合起来。“也就是说，既能知道‘我在哪里’，也能知道‘你在哪里’。”以海洋渔业为例，“我在哪里”使渔民通过船载设备实现自主定位；“你在哪里”则使岸上的人通过监控知道渔船在哪里。
孙家栋告诉记者，现在，GPS在我国的占有率达到了95％左右，而北斗卫星导航系统的主要用户还是一些相关的国家机关和大型企业。在未来，随着北斗系统的发展，其用户的范围也将越来越广，将拓展到国家的电力、金融、通讯等各个领域，与普通百姓的生活将密切相关。而10年后，北斗卫星导航系统将是一个由30余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的大型航天系统，其建设应用将实现我国航天从单星研制向组批生产、从保单星向保组网成功、从以卫星为核心向以系统为核心、从面向行业用户向面向大众用户的历史性转型。