北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统

北斗卫星导航试验系统又称为北斗一号，是中国的第一代卫星导航系统，即有源区域卫星定位系统，1994年正式立项，2000年发射2颗卫星后即能够工作，2003年又发射了一颗备份卫星，试验系统完成组建，该系统服务范围为东经70°－140°，北纬5°－55°。在卫星的寿命到期后（设计值8年），系统已停止工作。

系统分为三个部分，分别为空间段、地面段、用户段：

   • 空间段：由3颗地球静止

北斗卫星导航系统

正式的北斗卫星导航系统也被称为北斗二号，是中国的第二代卫星导航系统，英文简称BDS，曾用名COMPASS，“北斗卫星导航系统”一词一般用来特指第二代系统。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与全球定位系统相似。在计划中，整个系统将由35颗卫星组成，其中5颗是静止轨道卫星，以与使用静止轨道卫星的北斗卫星导航试验系统兼容。其总设计师为孙家栋。

北斗从其试验系统开始就有其军事目的，其正式系统也是一个军民两用的系统。项目的主要参与者为

北斗卫星导航系统

在空间中若已经确定A、B、C三点的空间位置，且第四点D到上述三点的距离皆已知的情况下，即可以确定D的空间位置，原理如下：因为A点位置和AD间距离已知，可以推算出D点一定位于以A为圆心、AD为半径的圆球表面，按照此方法又可以得到以B、C为圆心的另两个圆球，即D点一定在这三个圆球的交汇点上，即三球交汇定位。北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。

当卫星导航系统使用有源时间测距来定位时，用户终端通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号，之后地面控制中心发出测距信号，根据

北斗卫星导航系统

在北斗卫星导航系统中，能使用

北斗系统服务性能指标是北斗系统的关键技术指标，表示北斗导航卫星所能提供的服务水平。主要从可靠性、兼容性、完好性等几个方面来进行分析。

卫星导航中的“兼容性”指的是单独使用一个系统或联合使用多种导航系统进行导航以及授时服务时，多种系统不互相干扰各自的服务或信号，并且没有恶意形成导航冲突。

导航系统的完好性是指导航系统在不能用于导航时为用户提供及时、有效告警信息的能力，即当导航系统的误差超过允许限值不能胜任规定的导航工作时，系统及时报警，通知用户终止此信号的功能，完好性性能是导航系统的重要指标之一。

北斗系统可靠性主要从以下几个方面实现：

（1）健全监测手段。北斗系统在国内外建立了20多个北斗监测站，实时连续的对运行情况进行监测，做好性能评估，保证及时发现问题、排除隐患。

（2）进一步增强空间段的可靠性。在系统设计的时候，在卫星的冗余备份已经做了充分考虑。系统建成后又对卫星备份策略做了进一步深化研究，制定了卫星的组网发射方案，以确保卫星突发情况在轨失效的风险。北斗的可靠性是有保证的，用户可以放心使用。

（3）围绕绕“精”、“稳”两个核心要素实现了“精稳工程”。几年来全面梳理了运行控制和虛用服务里面的薄弱环节，制定了具体措施，并逐一加以解决。特别是加强了地面运控技术、系统应用技术研究，地面运控手段得到加强和完善。北斗的核心芯片、基础软件、电子地图等关键产品在性能上有较大的跃升，为系统的精度保持、性能提升、稳定运行、推广应用提供了基础支撑。

（4）进一步健全了系统运行的管理机制。建立了系统值班体系、故障预案体系、设备维保体系，规范了系统的执勤、故障处置等方面的核心业务流程，持续提升系统运行管理能力。

（5）进一步完善了北斗应用的服务体系。加强了应用政策研究，制定技术标准，推广典型应用，构建北斗产品质量检测体系，用科学的管理和优质服务，推动北斗的广泛应用。

北斗系统是我国独立研发和建设的导航系统，与其他卫星导航系统的能够实现兼容共用将是十分重要的。根据目前北斗系统信号规划，有必要对其与其他系统之间的信号之间的兼容性进行评估分析。

具体来讲，北斗系统的兼容是指两个或多个卫星导航系统共同工作时，不会对单个系统服务产生不可接受的干扰；从技术层面上讲，主要是在频段选择、信号调制方式以及信号功率设计等方面不会对其他系统产生不可接受的干扰。兼容的更高层级是互操作，互操作是从服务的角度讲，指的是同时使用多个卫星导航系统时，比使用单一系统能够得到更好的性能；从技术层面上，互操作包括空间信号互操作、星座互操作以及信息互操作。其中信息互操作包括时间和空间参考系统的互操作。因此，兼容仅仅指信号不干扰，是多个系统互不干扰正常工作的基础，适用于授权服务信号和公开服务信号；而互操作是目的，是多个系统之间信息和资源共享的手段，是更高层面的性能，目前仅适用于公开服务信号。

为了实现兼容性，从系统层面来说，北斗系统的频率选择尽量不与世界其他卫星导航系统(包括GPS、GLONASS和Galileo)发生频段重叠，但是，实际中，北斗系统与Galileo的相应频段重叠。为了实现较好的兼容，我国北斗与Gaileo之间的互操作协调渠道已经建立，用户可选的互操作频段为L1(E1)和L5(L5a)。

从北斗接收机方面实现兼容方面来说，北斗接收机接收期望信号时会受到其他信号的干扰而造成性能下降。而从卫星信号发射到接收机接收的过程当中，有众多因素将会影响最后的性能，包括空间卫星段的星座构型、载波信号频率、调制方式等，空间环境段的链路损耗以及用户段的接收机特性参数等。北斗兼容性接收机须考虑这些因素的影响。

导航频段的选取反映了各主要利益集团在日益紧张的导航频率资源状况下的合作与协同。这种精心的设计通过共用中心频率和频谱重叠，一方面解决了卫星导航频率资源的紧缺性，另一方面有望减少接收机内为不同频率提供基准频率而产生的负担，从而在一定程度上降低多模接收机的功耗、成本和重量。对于中心频率相同的导航信号，接收机可以采用相同的射频前端，不同的捕获跟踪模块，相同的导航解算模块来实现导航定位。目前，基于软件无线电(SDR)的软件接收机技术初步研究结果很好地验证了这一结论，并对用软件无线电思想处理信号的关键技术进行了探索研究，为多模接收机的商业化积累了技术经验。可以预计，接收机制造厂商和用户都将是在信号层面兼容与互操作的受益者；同时，较好兼容与互操作性能的卫星导航系统在民用市场也会更受欢迎，具有更强的竞争力。

世界主要GNSS系统现有和计划采用的频率范围示意图

卫星导航系统的完好性一般可采用3个量化参数来描述：吿警阀值、告警时间和完好性风险，通过这3个指标可以给出两个方面的含义：一是由于某种故障导致精度不能满足导航需求时要在给定的告警时间内向用户报警；二是指导航系统不能满足需求但却未向用户报告的概率。

斗系统的完好性主要从以下三个方面实现：

（1）内部增强方法：称为RAIM方法，即利用北斗接收机内部的冗余信息（同时对4颗以上卫星的观测），或利用加载北斗接收机的载体上的其他辅助信息(如气压表、惯导等），来实现北斗卫星故障的监测和排除，这一方法一般称为接收机的自主完好性监测。

（2）外部增强系统：在地面设置监测站，监测北斗卫星状况，然后广播给用户。比如GPS系统的WAAS和LAAS是常见的外部增强系统。北斗系统建立了自己的完好性增强系统，对完好性的增强是采用监测技术，提供报警能力，由于系统同时利用广域差分或局域差分技术提高精度，因此系统的完好性监测主要是对广播给用户的误差改正数的监测。

（3）系统自身告警。北斗系统运控中心可以进行一定的完好性监测，系统本身也能够进行一定程度的完好性监测。

北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统提供定位、导航、授时服务，分为开放服务和授权服务两种方式。

任何拥有终端设备的用户可免费获得此服务，其精度为：

   • 定位精度平面10米、高程10米 

   • 测速精度0.2米/秒 

   • 授时精度单向50纳秒，开放服务不提供双向高精度授时

除了面向全球的免费开放服务外，还有需要获得授权方可使用的服务，授权又分成不同等级，区分军用和民用：

   • 高精度：北斗卫星导航系统可以提供比开放服务更佳的精确度，需要获得授权，其具体性能指标未知。

   • 广域差分：在亚太地区借助与类似于广域增强系统的广域差分技术（广域增强），根据授权用户的不同等级，提供更高的定位精度，最高为1米。

   • 信息收发：授权用户可以北斗卫星导航系统还为提供信息的收发，即短报文服务，这项服务仅限于亚太地区。军用版容量为120个汉字，民用版49个汉字。

2015年3月30日21时52分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭，成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道。该星的成功发射标志着中国北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。 

北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行，与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务，并兼具短报文通信能力。

此次发射的新一代北斗导航卫星是中国发射的第17颗北斗导航卫星，将开展新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作，为北斗卫星导航系统全球组网建设提供依据。

此次发射，还首次在运载火箭上增加了一级独立飞行器，即远征一号上面级。远征一号上面级被形象地称为“太空摆渡车”，可在太空将一个或多个航天器直接送入不同的轨道。这是中国首次采用该项技术执行中高轨航天器发射任务。

据了解，中国北斗卫星导航系统于2000年底开始向中国及周边地区提供服务，2012年底正式向亚太大部分地区提供运行服务，在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、大地测量、智能驾考、救灾减灾、手机导航、车载导航等诸多领域，已产生广泛的经济和社会效益。

此次发射的新一代卫星北斗导航卫星，由中国科学院和上海市政府合作共建的上海微小卫星工程中心研制。用于发射任务的长征三号丙运载火箭由中国航天科技集团公司研制，这是长征系列运载火箭的第204次飞行。

2016年6月16日，国务院新闻办公室发表《中国北斗卫星导航系统》白皮书。

白皮书约5700字，除前言、结束语外，共包括发展目标与原则、持续建设和发展北斗系统、提供可靠安全的卫星导航服务、推动北斗系统应用与产业化发展、积极促进国际合作与交流等五个部分。

白皮书介绍，北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

白皮书说，随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

白皮书说，卫星导航系统是全球性公共资源，多系统兼容与互操作已成为发展趋势。中国始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗”的发展理念，服务“一带一路”建设发展，积极推进北斗系统国际合作。与其他卫星导航系统携手，与各个国家、地区和国际组织一起，共同推动全球卫星导航事业发展，让北斗系统更好地服务全球、造福人类。

白皮书指出，中国坚持“自主、开放、兼容、渐进”的原则建设和发展北斗系统。发展目标是建设世界一流的卫星导航系统，满足国家安全与经济社会发展需求，为全球用户提供连续、稳定、可靠的服务；发展北斗产业，服务经济社会发展和民生改善；深化国际合作，共享卫星导航发展成果，提高全球卫星导航系统的综合应用效益。

2017年9月，在第六届中国卫星导航与位置服务年会暨首届卫星应用国际博览会上，北斗卫星导航系统总设计师杨长风表示，我国北斗3号全球系统建设全面启动，2017年底将发射4颗全球组网卫星，2018年底前后将面向“一带一路”国家和地区提供基本服务，到2020年左右向全球提供服务。

杨长风表示，我国将扎实做好北斗全球系统组网建设和北斗2号区域系统稳定运行工作，在此基础上持续推进北斗系统在海内外的应用推广，深化卫星导航高精度服务与云计算、物联网、大数据的继续融合。

作为我国自行研制的全球卫星导航系统，北斗系统应用规模不断扩大，产生了显著的经济社会效应，“北斗+”新兴业态逐步形成，卫星导航与位置服务成为重要的战略性新兴产业。据统计，2016年我国卫星导航与位置服务产业总产值达2118亿元，较2015年增长约22.06%。北斗对产业核心产值的贡献率达70%，国内行业市场和特殊市场中，北斗兼容应用已成为主流方案，大众市场正在向北斗标配化发展。

国家测绘地理信息局副局长闵宜仁表示，国家测绘地理信息局致力于推进卫星导航与位置服务产业化发展，未来将进一步加强基准站网资源整合，完善全国卫星导航定位服务系统，推动基准站统筹建设和自然共享利用。