北斗导航技术

北斗导航技术

北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两颗工作卫星、2颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。美国的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，授时精度日前约20ns。。北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。四颗导航定位卫星的发射时间分别为：2000年10月31日；2000年12月21日；2003年5月25日，2007年4月14日，第三、四颗是备用卫星。2008年北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定位系统一起，发挥“双保险”作用。

北斗一号卫星定位系统的英文简称为BD，在ITU（国际电信联合会）登记的无线电频段为L波段（发射）和S波段（接收）。 北斗二代卫星定位系统的英文为Compass（即指南针），在ITU登记的无线电频段为L波段。

北斗一号系统的基本功能包括：定位、通信（短消息）和授时。

北斗二代系统的功能与GPS相同，即定位与授时。

[编辑本段]系统工作原理

“北斗一号”卫星定位系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，又可知道用户出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。

“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度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。系统能容纳的用户数为每小时540000户。

[编辑本段]与GPS系统对比

1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。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)。

2、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颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约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°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。

3、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。

4、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。

综上所述，北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。缺点是不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位，且需提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量受一定限制。但最重要的是，“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导少的初步起步系统。此外，该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反，在此基础上还将建立中国的GPS广域差分系统。可以使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级，可以更好的促进GPS在民间的利用。当然，我们也需要认识到，随着我军高技术武器的不断发展，对导航定位的信息支持要求越来越高。

[编辑本段]双星定位不同于“多星”定位

“一代‘北斗’只用双星定位，比GPS等投资小、建成快，”范本尧说这是我国国情决定的，也对一代“北斗”的技术路线提出了特殊的要求，“所以我们的定位系统具有自己的特点。”

美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，都是使用24颗卫星（GPS还另有3颗备份卫星，GLONASS则因经费问题损失了几颗卫星）组成网络。这些卫星不中断地向地面站发回精确的时间和它们的位置。GPS接收器利用GPS卫星发送的信号确定卫星在太空中的位置，并根据无线电波传送的时间来计算它们间的距离。等计算出至少3～4颗卫星的相对位置后，GPS接收器就可以用三角学来算出自己的位置。每个GPS卫星都有4个高精度的原子钟，同时还有一个实时更新的数据库，记载着其他卫星的现在位置和运行轨迹。当GPS接收器确定了一个卫星的位置时，它可以下载其他所有卫星的位置信息，这有助于它更快地得到所需的其他卫星的信息。

“1983年，‘两弹一星’功勋奖章获得者陈芳允院士和合作者提出利用两颗同步定点卫星进行定位导航的设想，经过分析和初步实地试验，证明效果良好，”中国计量科学研究院的黄秉英研究员说，这一系统被称为“双星定位系统”。

一代“北斗”采用的基本技术路线最初来自于陈芳允先生的“双星定位”设想，正式立项是在1994年。北斗卫星导航系统由空间卫星、地面控制中心站和用户终端等3部分即可完成定位。一代“北斗”与GPS系统不同，对所有用户位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。因此，地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。

有源无源是关键不同点

“一代‘北斗’采用的是有源定位，GPS和GLONASS等都是无源定位，”范本尧说，“这是它们质上的不同点。”

所谓有源定位就用户需要通过地面中心站联系及地面中心站的传输，通讯就不必通过其他的通讯卫星了，一星多用符合我国国情。GPS和GLONASS没有设计通讯功能，主要原因就在于不需要地面站中转服务的无源定位不能提供通讯服务。

区域性基于技术水平

北斗定位导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。中国卫星导航工程中心副主任冉承其介绍，北斗定位导航系统的开发具有重要意义,并有一些GPS系统所没有的长处，如在静态地图的基础上，可以把道路拥堵的实时情况在导航仪上反映出来。

一代“北斗”是区域卫星导航系统，只能全天候、全天时用于中国及其周边地区；而GPS和GLONASS都是全球导航定位系统，在全球的任何一点，只要卫星信号未被遮蔽或干扰，都能接收到三维坐标。“区域性是我国双星定位的技术特点、水平以及国家需求决定的，”范本尧说。

GPS和GLONASS的空间部分是高度在2万千米左右的卫星组成的网络。GPS的卫星平均分布在6个轨道平面上，GLONASS卫星平均分布在3个轨道平面上，不停地绕地球旋转。这样，在全球的任何位置、任何时间都可同时观测到4颗以上的卫星，通过它们就可以获得高精度的三维定位数据。

“北斗”一号是双星定位，轨道偏高，距离地面3万6千千米，是地球同步静止轨道卫星。之所以要在这么高的高度是因为我们只有两颗定位卫星，不能覆盖整个地球，如果在较低轨道上绕地运行，每天就要有一定时间不能监控我国所在区域。

二代“北斗”可称“中国的GPS”

“我国发展二代‘北斗’不会采取一步到位的方式，也不会停掉一代，另外发展二代，”范本尧说，“我们会在一代的基础上不断补充卫星数，增加其功能，提高其整体水平。”这位将继续承担二代“北斗”设计工作的科学家说：“二代‘北斗’可以称为‘中国的GPS’，不过它仍然会比GPS多一个通讯为发展我国二代“北斗”的关键技术提供了准备。范本尧举例说，此次定位的“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器，能够参照其他星，把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功，表明这种技术是有效而可靠的。这样，当我们不断发射新的卫星构建二代“北斗”体系时，众多卫星就会找准自己的位置，构成符合标准的网络。此外，“北斗”一号的3颗星寿命都是8年，专家正不断研究，预计下一次发射的卫星寿命就能达到10年左右了；而目前GPS卫星的寿命都是12年左右，GLONASS卫星的寿命则是3到5年。

“20世纪原子钟最辉煌的应用莫过于由它构成了全球定位系统的核心，”黄秉英说，导航星和地面站全离不开它。目前的原子钟主要有3种：铷钟、铯钟和氢钟。结构紧凑、可靠性高、寿命长的原子钟正是发展全球定位系统必需的。在结构方面，铷钟最小体积已达到6立方厘米；在频率稳定度方面，氢钟最好；而在长期频率稳定度和准确度方面，则以铯钟最佳。目前，设在中国计量科学研究院的国家授时中心使用的就是被称为“激光冷却－铯原子喷泉频率基准”的铯钟，我国的授时基准---UTC（NIM）都是由它提供并不断同国际基准校正的，而“北斗”将建成，届时，国民经济各领域都将从中获得更大的效益。

2003年5月25日，我国在西昌卫星发射中心将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送上太空，标志着我国拥有了自己的第一代完善的卫星导航定位系统。北斗卫星导航定位系统是第一代全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，它由两颗工作星和一颗备份星组成。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空。

北斗卫星导航系统可以为船舶运输、公路交通、铁路运输、野外作业、水文测报、森林防火、渔业生产、勘察设计、环境监测等众多行业以及其他有特殊调度指挥要求的单位提供定位、通信和授时等综合服务。

2000年，北斗导航定位系统两颗卫星成功发射，标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航定位系统，这对于满足我国国民经济、国防建设的需要，促进我国卫星导航定位事业的发展，具有重大的经济和社会意义。北斗导航定位系统由北斗导航定位卫星、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。

北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国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。

[编辑本段]北斗系统三大功能

快速定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20—100m；

短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息；

由于对包含车辆的位置和状态信息的数据要求有一定的实时性。同时车辆与调控中心之间的信息沟通实际上也是一种数据的通信方式，其信息量一般也不会超过GSM短信息的长度范围。因此利用GSM的短消息业务基本可满足系统通信的需要。 其次，通过短信息方式发送数据其成本代价远远低于其它方式（如通过话音信道）。

与其他无线电台等传统方式比较，采用GSM短信息网络系统具有以下优点：

1、 速度快，实时性好，不掉线；

2、 可以双向通信，及时返回终端信息；

3、 设备体积小，操作简单；

4、 由于控制中心无须专门设置大功率发射电台，将大大降低安装费用；

5、 覆盖面广受地理环境

精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。

[编辑本段]北斗卫星定位系统的民用服务提供商

目前有五家，以神州天鸿（北京神州天鸿科技有限公司）和北斗星通（北京北斗星通卫星导航技术有限公司）最为出色。

神州天鸿公司的网址是：

北斗星通公司的网址是：

[编辑本段]北斗一号卫星定位系统民用终端设备行业标准

《北斗一号民用车（船）载遇险报警终端设备技术要求和使用要求》（标准编号为JT/T590-2004）

《北斗一号民用数据采集终端设备技术要求和使用要求》（标准编号为JT/T591-2004）

《北斗一号民用车（船）载终端设备技术要求和使用要求》（标准编号为JT/T592-2004）

[编辑本段]北斗应用五大优势

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。

[编辑本段]“北斗一号”GPS 汶川地震中起重要作用

“北斗一号”在通信中断情况下发挥重要作用

中国自主研制的“北斗一号”系统在通信中断的情况下发挥重要作用，救灾部队携带的北斗系统正在陆续发回各种灾情和救援信息。

“北斗一号”卫星导航定位系统监测到，一支携带了“北斗一号”终端机的部队，从中午12时开始，沿着马尔康、黑水、理县到汶川的317国道，以每小时6公里左右的速度一路急进。6个小时前进了近40公里，已经进入汶川县境内，离县城还有40公里左右的路程。

由于通信受阻碍，位于北京的卫星导航定位指控中心初步判断该部队隶属四川武警总队。指控中心正在进一步了解情况。

[编辑本段]北斗卫星系统将首先应用于北京奥运会

从12月5日开幕的2007上海国际导航产业与科技发展论坛上获悉，由我国自主研发的北斗卫星导航系统已进入初步应用阶段，具备区域导航能力，2008年该系统将首先应用于北京奥运会。北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定位系统一起，发挥“双保险”作用。

“目前，北斗卫星导航系统已拥有5颗导航卫星，2008年前还将发射一些卫星。”中国卫星导航工程中心副主任冉承其在发布会上说，2003年，我国已建立起北斗导航试验系统，该试验系统具有为中国及其周边地区定位、授时、报文等功能，并已在交通运输、渔业、勘探、森林防火等民用领域使用。随后建设的北斗卫星导航系统功能更趋完善。

据悉，该系统08将为北京奥运会的交通调度或场馆监控服务，届时，将把自身具备的监控功能和北京交通部门所提供的交通拥堵情况进行叠加，使驾驶者不仅能知道哪条路线距离最短，还能结合道路的实时情况，寻找到一条用时最短的线路。据估计，2010年前，北斗卫星导航系统将在上海使用。

北斗定位导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。中国卫星导航工程中心副主任冉承其介绍，北斗定位导航系统的开发具有重要意义,并有一些GPS系统所没有的长处，如在静态地图的基础上，可以把道路拥堵的实时情况在导航仪上反映出来。

北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两颗工作卫星、2颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。