北斗導航系統簡介

一、概述　　 2000年十月和十二月，中國兩次成功發射「北斗」導航試驗衛星，為中國「北斗」導航系統建設奠定了基礎。「北斗」導航系統為全天候、全天時提供衛星導航信息的區域導航系統，主要為公路、鐵路交通及海上作業等領域提供導航定位服務。

「北斗導航試驗衛星」由中國航天科技集團空間技術研究院研製。 北斗衛星導航定位系統目前是由定位於赤道上空的兩顆地球同步衛星、地面中心站、用戶終端三部分組成的。定位可以由用戶終端向中心站發出請求，中心站對其進行定位後將位置信息廣播出去由該用戶獲取，也可以由中心站主動進行指定用戶的定位，定位後不將位置信息發送給用戶，而由中心站保存。

北斗導航系統在國際電信聯盟登記的頻段為衛星無線電定位業務頻段，上行為L頻段（頻率1610～1626．5MHz），下行為S頻段（頻率2483．5～2500MHz）；登記的衛星位置為赤道面東經80度、140度和110．5度（最後一個為備份星星位）。二、定位原理　　 北斗系統由2顆經度上相距60度的地球靜止衛星（GEO）對用戶雙向測距，由1個配有電子高程圖的地面中心站定位，另有幾十個分布於全國的參考標校站和大量用戶機。它的定位原理是：以2顆衛星的已知坐標為圓心，各以測定的本星至用戶機距離為半徑，形成2個球面，用戶機必然位於這2個球面交線的圓弧上。電子高程地圖提供的是一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。求解圓弧線與地球表面交點即可獲得用戶位置。

如果不附加其它信息，僅憑定位於赤道上空的同步軌道上的兩顆衛星所提供的測距數據是難以有效解算目標位置的三維坐標分量的。經過分析，當下列條件滿足時，可以通過適當的數學運算確定出目標位置：　　1）已知目標所處位置的大地緯度；　　2）已知目標位置的大地高程，及其在某一給定時刻位於赤道平面的南側或北側；　　3）目標處於勻速運動狀態，且已知其起始位置；　　4）目標處於勻變速運動狀態，且已知其初始位置的坐標分量；　　5）可以建立起目標的運動學/動力學模型，並可確定其初態。、　　在雙星定位系統中，結合數字地面高程，滿足條件2），並已知目標在赤道平面北側，具體的定位過程是：首先由中心發出信號，分別經兩顆衛星反射傳至接收部分，再由接收部分反射兩顆衛星分別傳回中心站，中心站計算出兩種途徑所需時間t1，t2，再經過計算即可完成定位，計算過程如下：　　c×t1=2（r1+R1）(1)　　c×t2=2（r2+R2）(2)　　由於衛星1、衛星2是地球同步衛星，所以兩顆衛星和中心站的地心坐標都是已知的而根據數字地面高程，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，這樣就只剩下兩個未知數r1、r2，可以通過兩個方程解出。

　　其中，只有x、y兩個未知數。至此，就可能確定接收機的二維位置，定位精度在15米左右。三、系統功能 目前該系統可提供四大功能：快速定位；實時導航；簡短通信；精密授時。 1、快速定位 地面中心站發出的測距信號（具體為格式化的幀結構及其偽碼）含有時間信息，經過衛星-用戶終端站-衛星，再回到中心站，由出入站信號的時間差可計算出距離。 優先順序最高的用戶，從用戶終端站發射應答信號到用戶終端站到定位結果，可在1s之內完成。定位精度高，一般為幾十米，可提高到10m以內。 2、實時導航 對運動用戶提供前進距離和方位的業務稱之為導航。由於本系統的全部數據處理集中於地面中心站，中心站有龐大的數字化地圖資料庫和各種豐富的數字化信息資源，地面中心站根據用戶終端站的定位信息，參考地圖資料庫可迅速地計算出用戶前進目標的距離和方位，可對用戶終端站發出防碰撞的緊急報警，可通知有關部門對出事地點進行緊急營救等等。 快速定位、數字化地圖庫加高速計算機處理，從而使神州天鴻系統具備了實時導航的能力。 3、簡短通信 實現無線電通信的基本條件是：

1. 線路要是雙向的，每一端既能發射又能接收；

2. 雙方各有特定識別碼，即不會送錯又不會被第三者所接收；

3. 通信電文預先約定，能夠互相譯出。

本系統的地面中心站和用戶終端站收發機具備這幾個條件，因為系統是雙向閉合環路，每個終端站收發機都有專用識別碼。終端站收發機隨機地響應某一時刻的詢問信號（又叫測距信號），響應信號和詢問信號的幀格式結構中都有通信信息段。終端站想向領導機關請求指示，或想與某終端站聯繫時，用收發機的信息鍵盤鍵入對方地址碼（專用識別碼）和通信電文，隨響應信號送入地面中心站。地面中心站收到這個終端站的響應信號後，譯出要聯繫的終端站地址和通信電文。中心站把通信電文放入要聯繫的終端站能夠解出通信碼的信息中，隨詢問信號發射出去，對應終端站或領導機關便可得到通信信息。非對應地址碼的終端站解不出通信段內容，只出現干擾雜訊。需要回答的終端站，只需重複上述過程。偽碼相關接收保證了通信只在特定終端站之間進行。通信信息段的容量決定了通信的速度和可參加通信的終端站數量。實際上，定位終端站的位置數據也是作為通信信息發給終端站的。註冊用戶利用連續傳送方式可以傳送多達120個漢字的信息。 4、精密授時 授時與通信、定位是在同一信道中完成的。地面中心站的銫鐘產生標準時間和標準頻率，通過詢問信號將時標的時間碼送給終端站。授時終端站與普通定位和通信終端站的不同之處在於有一個解碼器和一個計數器。解碼器解出詢問信號的時間碼，計數器記錄時間碼的時標與終端站鐘的鐘差。由於信號空間傳播的時間延遲，計數器記錄的鐘差是偽鐘差。通過終端站的響應信號，地面中心站計算出時延，連同UTC(世界協調時)與UT1（授時終端站當地時）的改正數一起送給終端站，終端站便可將偽鐘差減時延而得到終端站鐘的UTC標準時間，或再加改正數得到UT1標準時間。 本系統的偽碼頻率為8MHZ，即碼元寬度為125ns，以二十五分之一的量化精度測量，則最小時間測量可到5ns。因而測量值可小於10^-8s，是高精度的時間信息。根據不同的精度要求,利用授時終端,完成與北斗導航系統之間的時間和頻率同步,提供100ns（單向授時）和20ns（雙向授時）的時間同步精度。四、系統特點 暫缺五、未來展望 可以肯定的說，北斗導航定位系統的雙星定位，只是初步實驗階段，以後除了發射同步衛星外，還要發射多顆極軌衛星，以實現北斗系統的全球定位和實用化。 中國第二代導航衛星系統設想如下：

1．第二代導航衛星系統的體制 　　第二代導航衛星系統與第一代導航衛星系統在體制上的差別主要是：第二代用戶機可免發上行信號，不再依靠中心站電子高程圖處理或由用戶提供高程信息，而是直接接收衛星單程測距信號自己定位，系統的用戶容量不受限制，並可提高用戶位置隱蔽性。其代價是：測距精度要由星載高穩定度的原子鐘來保證，所有用戶機使用穩定度較低的石英鐘，其時鐘誤差作為未知數和用戶的三維未知位置參數一起由4個以上的衛星測距方程來求解。這就要求用戶在每一時刻至少可見4顆以上幾何位置合適的衛星進行測距，從而使得星座所需衛星數量大大增多，系統投資將顯著增加。建立高精度衛星軌道基準和衛星時間基準是新衛星導航系統技術的核心，需要開展深入的研究工作。為了獲取對中國未來的導航頻率的國際保護，需要加快向國際電聯申請和協調。 　　中國第二代導航衛星系統複雜，全系統的設計研製和運行管理尚缺少經驗，但中國對衛星的測控技術已有一定基礎。北斗導航系統和廣域差分系統的研發直接為中國第二代導航系統的研製和運行鍛煉了技術隊伍和積累了經驗，各地面台、站設施等可在第一代導航衛星系統已有設備基礎上進行擴建，衛星平台、運載火箭、雙向數據移動通信等均可以繼承或採用成熟技術。國內GPS的廣泛應用為中國未來的衛星導航提供了應用基礎和廣闊的市場。發展新一代導航衛星系統不僅是必要的，而且在技術、經濟上也是可行的。 　　2．第二代導航衛星系統發展途徑 　　（1）充分保證民用導航精度 　　提供雙頻信號以消除電離層引起的誤差，不實施SA干擾降低導航精度，C／A碼公眾自由使用並與國際格式兼容，不收費用；對授權用戶提供雙頻和廣域差分信息，以進一步提高導航精度和提供准實時完好性信息。GPS廣泛開發民間應用，形成重要產業，其軍民用之比已達1∶20。由於民用接收機的普及、批量生產和商業競爭，民用產品的數字化、小型化和性能大大提高，價格顯著下降，反過來又促進了GPS的軍事應用，更大程度地滿足了需求。相反，俄羅斯沒有開發民用市場，軍用接收機只生產了2000部，價格昂貴，性能不高。因此，中國在建立第二代導航系統的同時，應發揮中國導航C／A碼精度高、含有亞洲區域加強系統的優勢，首先開發國內民用市場，開發出批量生產的廉價國產導航接收機，普及國內民間應用，逐步取代進口產品，形成產業，進而開發中外導航信號雙模式兼容、並可接受區域加強的高精度高可用性接收機，進一步拓寬需高安全性的中外用戶在亞洲的應用市場，逐步建立中國導航系統今後持續發展的物質基礎，為將來發展全球性的國際市場做好準備。建議中國指定相應領導部門加強民用衛星導航的開發和應用工作的管理。 　　（2）以建立全球導航系統為長遠目標，分步實施 　　中國的衛星導航系統究竟應該是區域的還是全球的，這是中國導航界專家廣泛關注的一個重要問題。當前為了首先確保在國內及附近海域的需求（少數國際民航飛機和航海船隻除外），并力求減少初期一次性投資額度，在近期內仍以建成北半球約120度經度範圍內的區域系統為宜。但從長遠發展打算，中國經濟和科學技術的發展離不開衛星導航，低軌飛行器的定軌也要求有全球導航系統支撐，要認真考慮中國區域系統今後順利發展成為全球系統的可能性。這也有利於和俄羅斯、歐洲一起打破美國GPS獨霸世界的局面，有利於民用方面今後開發導航產業的國際市場，滿足國際航空、航海和航天器全球導航的需要。因此，從前瞻性考慮，建議以建立全球導航系統為長遠目標，按技術經濟條件採取先區域後全球的兩步實施方針。實現這一方針的可行性在於當前區域系統必須和未來全球系統在體制上兼容，區域星座可以擴展為全球星座，今後可根據中國國力和實際需要，隨著後續衛星的發射，以最小的代價平穩地發展成全球系統。這一技術途徑的可行性在於尋找到合適的衛星星座，下面為可考慮的幾種區域星座軌道類型。 　　1地球靜止軌道（GEO）：衛星星座可一天24小時靜止在規定的赤道位置上空，提供本區域導航服務，衛星利用率高。這就是北斗導航系統採用的星座，而且地球靜止衛星也廣泛應用於全球導航系統的區域增強系統。由於地球靜止軌道衛星都處於赤道面內，受導航定位所需幾何構形的限制，每個用戶只能最多利用2顆相間隔30度以上經度的衛星。全區域究竟布設幾顆地球靜止軌道衛星則取決於導航服務區域大小，但單用地球靜止軌道衛星是不夠的，還必須有相對於地球移動的高緯度衛星參與導航星座。 　　2大橢圓軌道衛星星座：最典型的是俄羅斯用於高緯度地區廣播衛星的"閃電"12小時衛星軌道。這是一種大偏心率（通常取0．7左右）軌道，軌道傾角63．43度，其遠地點在北半球本國高緯度上空，星下點軌跡移動緩慢，5日內可保持近10小時有效運行。一個軌道面內均勻分布3顆星，即可保持一個高緯度星位的連續存在。其近地點在南半球，停留時間很短，衛星高度很低，用戶可見區域範圍小，對用戶的導航貢獻小。另有一個遠地點在地球背面，經度上遠離服務區，本區域系統不能加以利用。另外，這種軌道的衛星高度變化劇烈，對信道設計很不利。因此，對大橢圓軌道不予考慮。 　　3傾斜地球同步軌道（IGSO）：衛星星座的軌道傾角為55～63．43度的24小時地球同步軌道，即所謂的大"8"字形軌道，中心位於赤道某設定的經度上，高度與地球靜止軌道衛星相同，衛星星下點24小時軌跡在本服務區內南北來回運動，也是一種利用效率較高的區域星座，但只限於在本經度區域內使用。在立足於國內台站測控的條件下，中國採用9顆傾斜地球同步軌道衛星與4顆地球靜止軌道衛星相結合可以建立區域導航系統，但接近服務區邊緣處因衛星定軌精度下降導致導航精度明顯惡化。歐洲曾對這種軌道星座方案作了多年研究，並企圖在全球尋找幾個區域系統聯網成全球系統的合作夥伴未果，最終放棄了這種方案。如果中國採用這種軌道星座，將來發展成為全球系統是不可能的。 　　4中高度圓軌道（MEO）衛星星座：這是一種周期為12小時，傾角為55～63．43度的軌道，是經過GPS和GLONASS系統成功運行證明性能優良的全球星座軌道。分析計算證明，24顆傾角為55度的MEO衛星分布在3個軌道面內，可滿足全球導航精度（3個傾角為54．74度的軌道面通過地心相互正交，衛星在全球分布最均勻，明顯優於GPS的6個軌道面）。這種單一由MEO衛星組成的星座必須布滿全部24顆衛星才能有效地投入運行，如要滿足民航可用性要求和精密近進，則必須增加地球靜止軌道衛星（GEO）進行區域加強，或大量增加MEO衛星。由於每一MEO衛星星下點軌跡歷經全球，其優點是可立足於本國國土內測控所有衛星。中國服務區地處北緯55度以南（實際上南半球地區同樣可以服務），東西經度範圍很大，佔全球1／3，平均每顆星約有2／3的時間可為本區域系統內的用戶服務。採用其12顆星的子星座與4顆地球靜止軌道衛星相結合（12MEO＋4GEO），可滿足區域系統的導航要求。如果後續布滿24顆衛星，則發展成為高精度區域加強的全球系統，可達到民航精密近進導航要求。下表為各類軌道星座HDOP與VDOP值的比較，其中HDOP為水平幾何放大因子，VDOP為垂直幾何放大因子，它們和測距精度相乘可分別獲得水平與垂直定位精度。比較數據表明所建議的軌道和GLONASS型軌道都可滿足要求。前者，全球星座的精度更好；後者，所有中高度圓軌道衛星都歷經同一星下點軌跡，有利於消除地球重力異常對星座內各衛星影響的差異，同一地面站可以分時監控到所有軌道面的衛星。