為什麼不能用通信衛星進行導航定位？

北斗導航系統的短報文功能在通信衛星里不是相當於發簡訊嗎？為什麼要再建立一套系統專門用來導航和定位？

用通信衛星可以實現導航定位，而且，中國還真有這麼一個系統，叫做中國區域導航系統，China Area Positioning System，簡稱CAPS。對於非這一專業內的人來說，GPS已經成了衛星導航的代稱了，對北斗的發展歷程都不熟悉，更不用說CAPS。這裡為大家普及下關於北斗和CAPS的相關知識。
中國的北斗衛星導航系統是分三步走的，第一步就是部署位於中國上空的3顆地球同步軌道衛星。該階段就是北斗一代，也就是大家還算比較熟悉的有源定位階段，從2003年開始就提供服務，如果用戶想要進行定位，是需要先給衛星發送請求的，並不只是像GPS一樣的只要單向接收就行。雙向就意味著可以通信，所以北斗一代還有一個功能就是短報文，可以通過北斗衛星發送簡訊息，這對出海的漁民來說相當實用，這一功能也順理成章的在後續的北斗更新迭代中保留了下來。但是，由於是有源定位，在軍事上相當於電磁暴露，並不利於隱蔽。但無論如何，北斗一代算是解決了中國在衛星導航方面的有無問題。

北斗二代，也就是現在正在運行對外提供服務的系統，是一個既包含了北斗一代有源定位和短報文功能，又有和GPS一樣，用戶只需要單向接收的系統，包含了地球同步軌道衛星GEO，傾斜地球同步軌道衛星IGSO，以及和GPS一樣的中地球同步軌道衛星MEO，實現了亞太地區的覆蓋，從2013年開始對外提供服務。

現在正在發展的是北斗三號，北斗三號是提供全球覆蓋的，這也是北斗三步走當中的第三階段。根據新聞報道，從2017年年底開始，北斗三號衛星將陸續發射，2020年就將正式完成部署。

實際上，在北斗一代發展的同一時期，中科院國家天文台和國家授時中心也在同步發展一個衛星導航系統，這就是CAPS。
CAPS利用位於中國上空的通信衛星進行定位，原理就是地面站通過通信衛星向用戶轉發導航信號，由於地面站和通信衛星間的距離已知，用戶接收至少3顆通信衛星信號後可以解出自己的坐標及時間信息。

通過CAPS系統定位需要有一個高程計，因為通信衛星一般都位於地球同步軌道GEO，用戶和這些通信衛星幾乎位於同一平面，這就意味著立體性不好，高程計提供的高度h的加入正好能夠得到4個方程，以此，可解析出用戶三維坐標和時間。

根據一些公布的資料，CAPS能夠提供10~20米左右的精度，可以說，也是解決了中國衛星導航的有無問題。
CAPS系統的主要優缺點。
優點:
1、便宜。由於直接採用了通信衛星，可以通過運營商租用通信衛星一定帶寬，免去專門的導航衛星研發費用，也有利於快速部署。
2、原子鐘精度高。由於通信衛星僅僅是一個轉發器，導航信號的穩定性和精確性主要由地面來保障，地面上可以部署精度更高的原子鐘。

缺點：
1、可靠性差。CAPS系統的運行完全依賴地面，一旦地面設施故障，整個系統都將不可用。
2、需要額外設備。由於通信衛星的空間分布結構限制，用戶可能需要自帶高程計來得到自己的高度坐標。

北斗一代和CAPS都是在2000年左右開始部署，雖然有一些缺陷，但是畢竟使中國有了自己獨立的衛星導航系統，解決了有無問題。畢竟，以中國當時的經濟實力，要支撐一個投入數百億的全球衛星導航系統確實有點吃力。

參考文獻：
轉髮式衛星導航系統，施滸立等，科學出版社；
China"s Regional Navigation Satellite System-CAPS, Binghao Li Andrew G.Dempeter, InsideGNSS.

————————————誒？網頁版的知乎沒法首行縮進嗎？———————————————

北斗一代的主動式雙向定位系統實在是無奈之舉。因為在全球衛星導航系統中，如果要解算出用戶的三維坐標和時間，至少需要四顆衛星。但是北斗一代在建設之初，可用的衛星往往並不能達到四顆，在這種情況下，便採用了一種主動式雙向定位的系統，僅僅只用兩顆衛星便可實現定位。其工作流程大致是，首先地面站同時向兩顆衛星發射測距信號，衛星收到後利用轉發器向服務區內的用戶廣播；然後服務區內的用戶在收到信號後立即同時向兩顆衛星發出應答信號，經衛星轉發回地面站；其次，在地面站接收到經衛星轉發的應答信號後，根據信號的延時便可以估計出地面站——衛星——用戶接收機——衛星——地面站的距離；由於衛星和地面站的位置均已知，相當於地面站——衛星的距離是已知的，因此可以計算出兩顆衛星分別到用戶接收機的距離；然後需要地面站根據接收機與兩顆衛星的距離數據，在地面站儲存的數字地圖上進行搜索，尋找符合距離條件的點，該點坐標即是所求的坐標。其詳細過程為，由於用戶到第一顆衛星的距離，以及用戶到兩顆衛星距離之和均已知，從而知道用戶處於一個以第一顆衛星為球心的一個球面，和以兩顆衛星為焦點的橢球面之間的交線上。另外地面站尋找到的點提供了用戶高程值，又可知道用戶處於某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而地面站可最終計算出用戶所在點的三維坐標，並最終將這個坐標發回給用戶，完成一次定位。

對比GPS系統和北斗一代系統可見，GPS是一個被動，單向的定位系統。一方面，不管地面上是否有GPS接收機，不管接收機是否需要定位，GPS衛星總是持續不斷地向地面發射信號；另一方面，當接收機需要定位時，它不必向GPS衛星或地面站發射任何請求信號，而是只要接收到足夠數目的衛星信號就可以自己求解出位置。而北斗一代導航系統中用戶設備需要向衛星發射應答信號，解算由地面站完成，並返回給用戶，這不僅使得北斗接收機在體積、重量、價格和功耗方面處於不利地位，更嚴重的是，受限於地面站的計算能力，北斗一代導航系統允許存在的用戶設備容量有限，且定位的結果需要一定的延時才能被用戶最終獲得，這限制了其在很多高動態環境下的應用。而最致命的地方卻在於，採用這種主動式的接收機由於需要向衛星發送信息而失去了無線電的隱蔽性，這在對抗環境下是非常不利的。可能也是出於這些考慮，北斗在後續幾代的建設中，又回到了被動型單向定位系統。

當然，這種具有定位和通信雙重功能的系統有能力不需藉助外界其他通信系統而將用戶的定位結果轉送給他人，這也是北斗一代在汶川大地震後的救災中發揮重要作用的原因所在。