北斗卫星系统

北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（BDS）是中国正在实施自主发展、运行全球卫星导航系统,致力于向全球用户提供高质量定位、导航、 授时服务,并能向有更高要求授权用户提供深入服务。中国在完成了含有区域导航功效北斗卫星导航试验系统,以后开始构建服务全球北斗卫星导航系统,于起向亚太大部分地域正式提供服务,并计划至完成全球系统构建。

北斗卫星导航系统、美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统
和欧盟伽利略定位系统为联合国卫星导航委员会认定全球卫星导航
系统四大关键供给商。
1历史和发展
目 录

1.1早期研究

1.2试验系统

1.3中国加入欧盟伽利略计划

1.4正式系统

2.1系统组成

2.2性能

3正式系统

3.1亚太服务

3.2全球服务

4系统组成

4.1空间段

4.2地面段
www. 5原理

5.1空间定位原理

5.2有源和无源定位

5.3精度

6技术

6.2卫星制造和发射

6.3时间系统

6.4信号传输

7应用

7.1开放服务

7.2授权服务

7.3应用情况

1、历史和发展
1970年代,中国开始研究卫星导航系统技术和方案,但以后这项

研究计划被取消。

1983年,中国航天教授陈芳允提出使用两颗静止轨道卫星实现区

域性导航功效,19 年,中国使用通信卫星进行试验,验证了其可行

性,以后北斗卫星导航试验系统就是依据此方案进行。

1.2试验系统

1994年,中国正式开始北斗卫星导航试验系统（北斗一号）研制,并在发射了两颗静止轨道卫星,实现了区域性导航功效。又发射了一颗备份卫星,完成了北斗卫星导航试验系统组建。

1.3中国加入欧盟伽利略计划

09月,中国计划加入欧盟伽利略定位系统计划,并在接下来几年中投入了2.3亿欧元资金。由此,大家相信中国北斗系统只会用于自己武装力量。中国和欧盟在10月09日正式签署伽利略计划技术合作协议。

1.4、正式系统

,中国开启了含有全球导航能力北斗卫星导航系统建设（北斗二
号）,星连续发射,并在开始对中国和周围地域提供测试服务, 完成了对

亚太大部分地域覆盖并正式提供卫星导航服务。

中国为北斗卫星导航系统制订了“三步走”发展计划,从1994年开始发展试验系统（第一代系统）为第一步,开始发展正式系统（第二代系统）分为两个阶段,即第二步和第三步。至,前两步已经完成。依据计划,北斗卫星导航系统将在全方面完成,到时将实现全球卫星导航功效。

北斗卫星导航系统三步走发展计划

1.5、东盟各国加入合作

主动实施“中国东盟科技伙伴计划”,开启“中国-东盟联合试

验室”、“中国-东盟技术转移中心”建设,在东盟各国合作建设北

斗系统地面站网。

2、试验系统

北斗卫星导航试验系统,又称为北斗一号,是中国第一代卫星导

航系统, 1994 年正式立项,发射2颗卫星后即能够工作,又发射了

140°,www.停止工作。

2.1、试验系统组成

试验系统分为三个部分,分别为空间段、地面段、 用户段:

? 空间段:由3颗地球静止轨道卫星组成,两颗工作卫星定在东

经80°和140°赤道上空,另有一颗在东经110.5°备份卫星,

可在某工作卫星失效时给予接替。

? 地面段:由中心控制系统和标校系统组成。中心控制系统关键

用于卫星轨道确实定、电离层校正、用户位置确定、 用户短

报文信息交换等。标校系统可提供距离观察量和校正参数。

? 用户段:用户终端。

2.2、性能

北斗卫星导航试验系统于开始使用后,其定位精度100米,使用

地面参考站校准后为20米,和当初全球卫星定位系统民用码相当。

系统用户能实现本身定位,也能向外界汇报本身位置和发送消息,授

时精度20纳秒,定位响应时间为1秒。

因为是采取少许卫星实现有源定位,该系统成本较低,不过系统

制。另外该系统无测速功效,不能用于正确制导武器。

3、正式系统

正式北斗卫星导航系统,称为北斗二号,是中国第二代卫星导航

系统,英文简称BDS,曾用名COMPASS,“北斗卫星导航系统”通常指

第二代系统。此卫星导航系统发展目标是对全球提供无源定位,和全球卫星定位系统相同。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,以和使用静止轨道卫星北斗卫星导航试验系统兼容。

正式系统是军民两用系统。截至,中国为试验系统和覆盖亚太正式系统共花费了数百亿人民币,为了实现覆盖全球目标,还将投入四五百亿以上。

北斗卫星导航系统在服务范围

3.1、亚太服务

北斗卫星导航系统建设于开启,开始对中国和周围提供测试服

务,12 月27日起正式提供卫星导航服务,服务范围涵盖亚太大部分

地域,南纬55度到北纬55度、东经55度到东经180度为通常服务

范围。该导航系统提供两种服务方法,即开放服务和授权服务。开

放服务是在服务区无偿提供定位、测速、 授时服务,定位精度为10米,测速精度0.2米/秒,授时精度50纳秒,在服务区较边缘地域精度稍差。授权服务则是向授权用户提供更安全和更高精度定位、测速、 授时、 通信服务和系统完好性信息。正式系统继承了试验系统部分功效,
能在亚太地域提供无源定位技术所不能完成服务,如短报文通信。

3.2、全球服务

北斗卫星导航系统计划在完成对全球覆盖,为全球用户提供定
位、导航、 授时服务,中国将发射大量中地球轨道卫星,同时因为
现有系统卫星寿命也会到期,也将会在前完成替换。中国将在发射

北斗卫星导航系统由空间段、地面段、 用户段组成。

4.1、空间段

北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成,包含5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同时轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°,中地球轨道卫星运行在3个轨道面上,轨道面之间为相隔

至底北斗亚太区域导航正式开通时,已为正式系统发射了16颗

卫星,其中14颗组网,并提供服务,分别为5颗静止轨道卫星、5颗

倾斜地球同时轨道卫星（均在倾角55°轨道面上）,4 颗中地球轨道

卫星（均在倾角55°轨道面上）。

发

序 发射日 射 使用状态

卫星 火箭运行轨道

点
号 期 地 情况 2]

1wwwodoc.com日

56.8°使用

失控

长征地球静止轨道58.7°E,

02月25 西使用

11北斗-G5 三号高度35801×35786公里,

日 昌中

丙 倾角1.4°

中地球轨道,高度

04月30 西使用

12北斗-M3 21607×21463公里,倾角

日 昌中

55.3°

长征中地球轨道,高度

04月30 西使用

13北斗-M4 三号21617×21453公里,倾角

日 昌中

乙 55.2°

长征中地球轨道,高度

14北斗-M5

日 昌 21597×21473公里,倾角

中
09月19 西使用

15北斗-M6 三号21576×21494公里,倾角

日 昌中

乙 55.1°

长征地球静止轨道80.2°E,

10月25 西使用

16北斗-G6 三号高度35803×35783公里,

日 昌中

丙 倾角1.7°

4.2、地面段

系统地面段由主控站、注入站、 监测站组成。

? 主控站用于系统运行管理和控制等。主控站从监测站接收数 据并进行处理,生成卫星导航电文和差分完好性信息,以后交 由注入站实施信息发送。

? 注入站用于向卫星发送信号,对卫星进行控制管理,在接收主 控站调度后,将卫星导航电文和差分完好性信息向卫星发送。

? 监测站用于接收卫星信号,并发送给主控站,可实现对卫星监 测,以确定卫星轨道,并为时间同时提供观察资料。

4.3、用户段

用户段即用户终端,即能够是专用于北斗卫星导航系统信号接收机,也能够是同时兼容其它卫星导航系统接收机。接收机需要捕捉并跟踪卫星信号,依据数据按一定方法进行定位计算,最终得到用户经纬度、高度、 速度、 时间等信息。

5、原理
三点距离皆已知情况下,即能够确定D空间位置,原理以下:因为A
点位置和AD间距离已知,能够推算出D点一定在以A为圆心、AD为
半径圆球表面,根据此方法又能够得到以B、C为圆心另两个圆球,
即D点一定在这三个圆球交汇点上,即三球交汇定位。北斗试验系
统和正式系统定位全部依靠此原理。

5.2、有源和无源定位

当卫星导航系统使用有源时间测距来定位时,用户终端经过导

航卫星向地面控制中心发出一个申请定位信号,以后地面控制中心

发出测距信号,依据信号传输时间得到用户和两颗卫星距离。除了

这些信息外,地面控制中心还有一个数据库,为地球表面各点至地球

球心距离,当认定用户也在此不均匀球面表面时,三球交汇定位条件

已经全部满足,控制中心能够计算出用户位置,并将信息发送到用户

终端。北斗试验系统完全基于此技术,而以后北斗卫星导航系统,

除了使用新技术外,也保留了这项技术。

当卫星导航系统使用无源时间测距技术时,用户接收最少4颗导

据三维距离公式,就依靠列出3个方程得到用户终端位置信息,即理

论上使用3颗卫星就可达成无源定位,但因为卫星时钟和用户终端使

用时钟间通常会有误差,而电磁波以光速传输,微小时间误差将会使

得距离信息出现巨大失真,实际上应该认为时钟差距不是0而是一个

未知数t,如此方程中就有4个未知数,即用户端三位坐标（X,Y, Z）,

以立即钟差距t,故需要4颗卫星来列出4个相关距离方程式,最终

才能求得答案,即用户段所在三维位置,依据此三维位置能够深入换

算为经纬度和海拔高度。

若空中有足够卫星,用户终端能够接收多于4颗卫星信息时,能

够将卫星每组4颗分为多个组,列出多组方程,经过一定计算方法,

挑选误差最小那组结果,能够提升精度。

电磁波以30万千米/秒光速传输,在测量卫星距离时,若卫星钟

有一纳秒（十亿分之一秒）时间误差,会产生三十厘米距离误差。

尽管卫星采取是很正确原子钟,也会累积较大误差,所以地面工作站

会监视卫星时钟,并将结果和地面上更大规模更正确原子钟比较,得

到误差修正信息,最终用户经过接收机能够得到经过修正后更正确

为提升定位精度,还可使用差分技术。在地面上建立基准站,将

其已知正确坐标和经过导航系统给出坐标相比较,能够得出修正数,

对外公布,用户终端依靠此修正数,能够将自己导航系统计算结果进

行再次修正,从而提升精度。比如,全球卫星定位系统使用差分全球

定位系统后,定位精度可达成5米左右。

6、技术

在北斗卫星导航系统中,能使用无源时间测距技术为全球提供无线电卫星导航服务（RNSS）,也同时也保留了试验系统中有源时间测距技术,即提供无线电卫星测定服务（RDSS）,但仅在亚太地域实现。

从卫星所起到功效来区分,能够分成下列两类:

? 非静止轨道卫星:北斗卫星导航系统中地球轨道卫星和倾斜地 球同时轨道卫星使用东方红三号通信卫星平台并略有改善,其 有效载荷全部为RNSS载荷。

? 静止轨道卫星:这类卫星使用改善型东方红三号平台,其五颗 卫星定点位置为东经58.75°到160°之间,每颗全部有3种有

用于用户端间短报文服务通信载荷。因为这类卫星仅定点在亚效载荷,即用作有源定位RDSS载荷、用作无源定位RNSS载荷、

北斗卫星导航系统同时使用静止轨道和非静止轨道卫星,对于亚太范围内区域导航来说,无需借助中地球轨道卫星,只依靠北斗地球静止轨道卫星和倾斜地球同时轨道卫星即可确保服务性能。而数量庞大中地球轨道卫星,关键服务于全球卫星导航系统。另外,假如倾斜地球同时轨道卫星发生故障,则中地球轨道卫星能够调整轨道给予接替,即作为备份星。

截至发射北斗系统卫星设计寿命全部是8年,以后续又有数量众多中地球轨道卫星需要发射,这些卫星将采取专门中地球轨道卫星平台,寿命将延长至或更多,还会往小型化发展。

6.2、卫星制造和发射

因为需要一定数量卫星才能提供质量可靠导航服务,从卫星寿命
方面考虑,若发射间隔过久,则后续卫星发射时,可能早期卫星已近
退伍,所以北斗卫星需要在短时间发射,中国在3年时间内共发射了
14颗北斗卫星,到时,在前后发射卫星已经退伍,
所以在到8年时间里,中国需要为准备覆盖全球北斗卫星导航系统再生产出30多颗卫
星。]
“一箭双星”发射北斗卫星,是中国首次用一枚火箭发射两颗相同
大质量卫星,火箭将两颗卫星送入了同一个轨道面上,
其即卫星运行轨迹相同,其差异在于轨位。

6.3、时间系统

北斗卫星导航系统系统时间叫做北斗时,属于原子时,溯源到中国协调世界时,和协调世界时误差在100纳秒内,起算时间是协调世

北斗试验系统卫星原子钟是由瑞士进口,北斗二号星载原子钟逐步开始使用中国航天科工二院203所提供国产原子钟。北斗已经开始全部使用国产原子钟,其性能和进口产品相当。

6.4、信号传输

北斗卫星导航系统使用码分多址技术,和全球定位系统和伽利略定位系统一致,而不一样于格洛纳斯系统频分多址技术。二者相比,码分多址有更高频谱利用率,在由L波段频谱资源很有限情况下,选 另外,码分多址抗干扰性能,和和其它卫择码分多址是更妥当方法。

星导航系统兼容性能更佳。

北斗卫星导航系统,在L波段和S波段发送导航信号,在L波段淘豆网
? B1频点:1559.052MHz－1591.788MHz

? B2频点:1166.220MHz－1217.370MHz

? B3频点:1250.618MHz－1286.423MHz

,在北斗-M1卫星发射后,和伽利略定位系统使用或计划使用波段相重合。国际电信联盟分配了E1（1590MHz）、E2（1561MHz）、E6（1269MHz）和E5B（1207MHz）四个波段给北斗卫星导航系统,这和伽利略定位系统使用或计划使用波段存在重合。然而,依据国际电信联盟频段先占先得,若北斗系统先行使用,即拥有使用对应频段优先权。,中国发射了北斗-M1,以后在对应波段上被检测到信

号:1561.098MHz±2.046MHz, 15.742MHz, 1207.14MHz±12MHz,1268.52MHz±12MHz, 以上波段和伽利略定位系统计划使用波段重合,和全球卫星定位系统L波段也有小部分重合。

北斗-M1是一个试验性卫星,用于发射信号测试和验证,并能以先占标正确定对对应频率使用权。北斗-M1卫星在E2、E5B、E6频段进行信号传输,传输信号分成2类,分别被称作“I”和“Q”。“I”信号含有较短编码,可能会被用来作开放服务（民用）, 而“Q”部分编码更长,且有更强抗干扰性,可能会被用作需要授权服务（军用）。在北斗-M1发射后,法国、美国等工程师即展开了对