北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其應(yīng)用

鄭晶茹　鄭萍　馮林剛

摘要：回顧我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史，介紹我國(guó)兩代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成、定位過(guò)程及服務(wù)內(nèi)容和精度，展現(xiàn)了新一代的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng) 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系 北斗時(shí) GNSS

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou（Compass）NavigationSatelliteSystem）是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2011年12月27日，該系統(tǒng)開(kāi)始試運(yùn)行服務(wù)，到2020年左右，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將形成全球覆蓋能力。屆時(shí)，該系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)為各類(lèi)用戶(hù)全天候、全天時(shí)地提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)，并與美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo共同構(gòu)成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)GNSS）。

1.我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展歷史回顧

1983年，我國(guó)開(kāi)始籌劃衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，1986年初，正式以雙星快速定位通信系統(tǒng)為名開(kāi)始實(shí)施整個(gè)計(jì)劃，并由北京跟蹤與通信技術(shù)研究所負(fù)責(zé)研發(fā)。當(dāng)時(shí)我國(guó)專(zhuān)家在研究報(bào)告中提出多種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的構(gòu)想，但經(jīng)過(guò)深入評(píng)析，多數(shù)專(zhuān)家認(rèn)為，利用2顆或3顆位于地球同步軌道的通信衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位的方案是比較適合的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)我國(guó)航天科技實(shí)力已具備制造與發(fā)射地球同步軌道通信衛(wèi)星的能力，衛(wèi)星地面跟蹤網(wǎng)也已建立，有相當(dāng)規(guī)模的衛(wèi)星地面控制處理中心，所以可以利用既有的衛(wèi)星資源與地面設(shè)施；另一方面，當(dāng)時(shí)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國(guó)力水平有限，若要發(fā)展類(lèi)似美國(guó)GPS的多衛(wèi)星（由24顆衛(wèi)星組成空間星座）導(dǎo)航定位系統(tǒng)，則需要大量投資，當(dāng)時(shí)我國(guó)尚無(wú)此財(cái)力。

1986年底我國(guó)研發(fā)單位就提出了總體技術(shù)方案和試驗(yàn)方案，預(yù)計(jì)只要3年時(shí)間，利用在軌的2顆地球同步軌道衛(wèi)星就可以完成整體演練、導(dǎo)航定位原理驗(yàn)證和系統(tǒng)實(shí)用性檢驗(yàn)，最終探尋出實(shí)現(xiàn)雙星導(dǎo)航定位的技術(shù)途徑。就在我國(guó)籌備雙星定位系統(tǒng)期間，一些專(zhuān)家發(fā)現(xiàn)1982年美國(guó)已有3名科學(xué)家開(kāi)始發(fā)展一個(gè)利用3顆地球同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行定位的系統(tǒng)，名為GEOSTAR，還獲得了多項(xiàng)專(zhuān)利。但是后來(lái)因?yàn)樾阅?、精度和穩(wěn)定性更好的GPS全球定位系統(tǒng)發(fā)展迅速，使得GEOSTAR系統(tǒng)的研發(fā)資金被撤走，并于1991年宣告失敗。由于GEOSTAR系統(tǒng)在最后也將三星定位改為雙星定位，因此使用雙星定位的概念是我國(guó)最早提出并實(shí)現(xiàn)的。

1989年9月5日凌晨5點(diǎn)，我國(guó)科研人員在庫(kù)爾勒、南寧等地用4個(gè)用戶(hù)機(jī)進(jìn)行第一次定位演練，結(jié)果證明，利用雙星定位可實(shí)現(xiàn)定位、定時(shí)和簡(jiǎn)短通信三大功能，而且比當(dāng)時(shí)GPS的民用碼精度高好幾倍。1994年1月，雙星快速定位通信系統(tǒng)正式命名為“北斗一號(hào)雙星定位系統(tǒng)”（現(xiàn)更名為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)），并列為我國(guó)“九五計(jì)劃”要項(xiàng)，這表明北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)工程正式啟動(dòng)。雙星快速定位通信系統(tǒng)演練試驗(yàn)的成功，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。接下來(lái)的6年多里，北京跟蹤與通信技術(shù)研究所又完成地面控制中心等應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，建構(gòu)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的完整架構(gòu)。2000年相繼發(fā)射2顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星，初步建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，成為世界上繼美國(guó)和俄羅斯之后第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家；2003年發(fā)射第3顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)一步增強(qiáng)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的性能。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國(guó)力水平不斷提升，按照“先區(qū)域、后全球”的總體思路，我國(guó)在第一代的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，于2004年正式啟動(dòng)新一代的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)。從2007年開(kāi)始發(fā)射第1顆中園地球軌道衛(wèi)星，到2012年10月25日已完成6顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星（其中2顆在軌備用）和5顆中園地球軌道（MEO）衛(wèi)星的發(fā)射，除去1顆GEO衛(wèi)星在軌維護(hù)和1顆MEO衛(wèi)星在軌試驗(yàn)外，其余14顆衛(wèi)星均為正常工作衛(wèi)星，預(yù)計(jì)今年年底或明年年初即具備在我國(guó)及周邊地區(qū)的區(qū)域服務(wù)能力。要完全具有全球服務(wù)能力需等到2020年32顆衛(wèi)星全部發(fā)射組網(wǎng)之后才能實(shí)現(xiàn)。

2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)由空間星座、地面控制和用戶(hù)終端三大部分組成?？臻g星座包括3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星（其中1顆為在軌備用衛(wèi)星），分別定點(diǎn)于東經(jīng)80°、110.5°和140°赤道上空。地面控制部分由地面控制中心和若干標(biāo)校站組成，地面控制中心主要承擔(dān)衛(wèi)星軌道確定、電離層校正、用戶(hù)位置計(jì)算以及用戶(hù)短報(bào)文信息交換等任務(wù)，而標(biāo)校站則主要對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并將所獲得的距離觀測(cè)量和校正參數(shù)發(fā)送給地面控制中心。用戶(hù)終端部分由手持型、車(chē)載型和指揮型等不同類(lèi)型的終端組成，具有發(fā)射定位申請(qǐng)及接收位置坐標(biāo)和短報(bào)文信息等功能。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不同，其工作過(guò)程是地面控制中心不間斷地向2顆工作衛(wèi)星發(fā)送詢(xún)問(wèn)信號(hào)，衛(wèi)星接收到詢(xún)問(wèn)信號(hào)并經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)用戶(hù)播發(fā)，用戶(hù)響應(yīng)其中1顆工作衛(wèi)星的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，同時(shí)向2顆工作衛(wèi)星發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)衛(wèi)星收到用戶(hù)響應(yīng)信號(hào)后，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送回地面控制中心，地面控制中心在收到用戶(hù)響應(yīng)信號(hào)后，解調(diào)出用戶(hù)申請(qǐng)的服務(wù)內(nèi)容并作出相應(yīng)處理，如果是定位申請(qǐng)，需要利用數(shù)字地圖（用以確定高程）計(jì)算出用戶(hù)的三維坐標(biāo)，再將相關(guān)的位置信息或短報(bào)文內(nèi)容發(fā)送到工作衛(wèi)星，工作衛(wèi)星在收到地面控制中心發(fā)來(lái)的坐標(biāo)資料或通信內(nèi)容后，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送給用戶(hù)。從用戶(hù)終端應(yīng)答測(cè)距信號(hào)到接收到定位結(jié)果，整個(gè)定位時(shí)間需要大約1秒鐘。

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)已有3顆衛(wèi)星超過(guò)設(shè)計(jì)壽命，其中2顆已完全退役，1顆仍在軌運(yùn)行，現(xiàn)在在軌運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)為2顆，主要為我國(guó)及周邊地區(qū)提供定位、單雙向授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)，定位精度優(yōu)于20m，授時(shí)精度為單向100ns、雙向20ns，短報(bào)文通信每次120個(gè)漢字。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)具有以下其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)：①導(dǎo)航與通信的集成可實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)信息共享和信息交換，增強(qiáng)了導(dǎo)航和搜索救援的能力；②可提供單雙向授時(shí)服務(wù)；③采用碼分多址技術(shù)，抗干擾能力大大優(yōu)于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，由于該系統(tǒng)的用戶(hù)終端需要與衛(wèi)星之間頻繁通信，容易暴露用戶(hù)的位置，所以不利于在軍事上使用。其次，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)采用的是主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航，從用戶(hù)終端應(yīng)答測(cè)距信號(hào)到接收到定位結(jié)果，整個(gè)定位時(shí)間大約需要1秒，這樣的時(shí)間延遲勢(shì)必導(dǎo)致高速移動(dòng)平臺(tái)的定位誤差相應(yīng)增大，所以在高速移動(dòng)的平臺(tái)上也不適合使用。另外，由于該系統(tǒng)是主動(dòng)雙向測(cè)距的詢(xún)問(wèn)——應(yīng)答系統(tǒng)，用戶(hù)終端除了要接收由地面控制中心發(fā)給衛(wèi)星的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，還要向衛(wèi)星發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，所以整個(gè)系統(tǒng)在同一時(shí)間服務(wù)用戶(hù)的數(shù)量會(huì)受到用戶(hù)允許的信道阻塞率、詢(xún)問(wèn)信號(hào)速率和用戶(hù)的響應(yīng)頻率等條件的限制，也就是說(shuō)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的用戶(hù)設(shè)備容量是有限的，每秒鐘只能容納150個(gè)用戶(hù)，因此北斗試驗(yàn)系統(tǒng)也不適合大規(guī)模的應(yīng)用。

3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段（空間星座）、地面段（地面控制）和用戶(hù)段（用戶(hù)終端）三大部分組成?？臻g段包括5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和30顆非地球靜止軌道（Non-GEO）衛(wèi)星。地球靜止軌道衛(wèi)星分別位于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°赤道上空。非地球靜止軌道衛(wèi)星由24顆中圓軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成，其中，中圓軌道高度21，500km，軌道傾角55°，24顆衛(wèi)星均勻分布在3個(gè)軌道面上，傾斜地球同步軌道高度36，000km，軌道傾角55°，3顆衛(wèi)星分別分布在3個(gè)傾斜同步軌道面上，3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)118°，相位差120°（北斗工作衛(wèi)星星座如圖1所示）。地面段由主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站組成。主控站是導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在地面信息處理和運(yùn)行控制的中心，其主要任務(wù)是收集各個(gè)監(jiān)測(cè)站采集的衛(wèi)星信號(hào)、觀測(cè)數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間同步與衛(wèi)星時(shí)鐘偏差預(yù)報(bào)、衛(wèi)星精密軌道確定與星歷參數(shù)生成、廣域差分改正值計(jì)算、電離層模型參數(shù)計(jì)算以及系統(tǒng)完好性計(jì)算等處理，并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度、全系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制等。主控站的主要功能包括建立系統(tǒng)的時(shí)間和空間基準(zhǔn)，生成導(dǎo)航電文，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星鐘等有效載荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)其調(diào)整和控制；分析衛(wèi)星星座性能，支持衛(wèi)星的軌道維持。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般有一個(gè)主控站即可滿(mǎn)足要求，但基于安全等方面的考慮，也可有備份的主控站。我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主控站位于北京。監(jiān)測(cè)站是對(duì)空間段衛(wèi)星實(shí)施監(jiān)測(cè)和采集數(shù)據(jù)的衛(wèi)星信號(hào)接收站。根據(jù)任務(wù)的不同，可分為時(shí)間同步與軌道確定監(jiān)測(cè)站和完好性監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是跟蹤監(jiān)測(cè)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，接收導(dǎo)航衛(wèi)星電文，測(cè)量監(jiān)測(cè)站相對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的偽距、載波相位和多普勒等觀測(cè)數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)站周?chē)臍庀髷?shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理后發(fā)送給主控站，作為衛(wèi)星定軌、時(shí)間同步、廣域差分和完好性監(jiān)測(cè)的依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)高精度和強(qiáng)實(shí)時(shí)性，要求監(jiān)測(cè)站盡可能全球均勻分布，以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的全弧段跟蹤。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站均位于國(guó)內(nèi)，到2020年將擴(kuò)展到全球。注入站是指向在軌運(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和控制指令的地面無(wú)線(xiàn)電發(fā)射站，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面運(yùn)行控制的重要組成部分。注入站接收主控站送來(lái)的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星控制指令，在主控站的控制下，經(jīng)射頻鏈路上行發(fā)送給進(jìn)入注入站視野的導(dǎo)航衛(wèi)星。導(dǎo)航電文通常包括預(yù)報(bào)的衛(wèi)星軌道參數(shù)（即衛(wèi)星星歷表）、衛(wèi)星時(shí)鐘偏差參數(shù)以及軌道和鐘差的改正參數(shù)等。衛(wèi)星控制指令通常包括有效載荷控制指令和衛(wèi)星平臺(tái)控制指令。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有3個(gè)注入站，分別位于北京、喀什和三亞，其中北京站與主控站并址。用戶(hù)段包括各類(lèi)北斗系統(tǒng)用戶(hù)終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端，主要為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航、定位、測(cè)速和授時(shí)信息，同時(shí)又兼具有位置報(bào)告和短報(bào)文通信功能。今后，用戶(hù)終端產(chǎn)品必然由單一定位模式向雙模式、三模式和四模式集成的方向發(fā)展，因?yàn)槎嗄Ｊ较鄬?duì)單一定位模式而言，可利用的衛(wèi)星數(shù)更多（四星系統(tǒng)共有120多顆衛(wèi)星，可同步觀測(cè)到20—30顆衛(wèi)星），其定位的精度更好，可靠性更高。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：①北斗導(dǎo)航衛(wèi)星軌道采用混合軌道，任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以保證有更多的可見(jiàn)衛(wèi)星，而且還有更長(zhǎng)的可跟蹤時(shí)間，所以，導(dǎo)航定位就可以得到更高的精度；②與美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增加了短報(bào)文通信功能，一次可傳送多達(dá)120個(gè)漢字的信息，可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與用戶(hù)之間的信息交換和共享，在搜索救援、災(zāi)害應(yīng)急管理及部隊(duì)指揮調(diào)度等方面，應(yīng)用潛力巨大；③北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備與GPS、GLONASS和GALILEO的兼容和互操作能力，北斗多模用戶(hù)機(jī)可以接收北斗、GPS、GLONASS和GALILEO的信號(hào)，并能實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)下的定位，精度和可靠性更高。

4.應(yīng)用前景

作為我國(guó)第一代的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，雖然以試驗(yàn)研究為目的，但在南方冰凍災(zāi)害、四川汶川和青海玉樹(shù)抗震救災(zāi)、北京奧運(yùn)會(huì)及上海世博會(huì)等許多場(chǎng)合發(fā)揮了非常重要的作用。而目前仍在建設(shè)中的新一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在各級(jí)政府主導(dǎo)、相關(guān)部門(mén)積極參與下，必將擁有廣闊的發(fā)展前景，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)擴(kuò)展到社會(huì)生產(chǎn)和百姓生活的許多方面。

（1）為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、旅游、氣象、石油、海洋、國(guó)土資源、交通運(yùn)輸、災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、抗災(zāi)救災(zāi)和公共安全等提供高效的導(dǎo)航定位服務(wù)。

（2）為金融、通信和電力調(diào)度等提供高精度的授時(shí)服務(wù)。

（3）為郵政、旅游和探險(xiǎn)等提供短報(bào)文通信服務(wù)。

（4）為人員、車(chē)輛和船舶等遇險(xiǎn)報(bào)警及救援提供短報(bào)文通信和位置報(bào)告服務(wù)。

（5）為物流網(wǎng)提供定位、跟蹤和監(jiān)控服務(wù)。

（6）為航運(yùn)船舶進(jìn)出港口和民航飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)導(dǎo)引等米級(jí)精度要求的用戶(hù)提供更高精度的廣域差分和完好性服務(wù)。

（7）利用兩臺(tái)以上精密測(cè)量型接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)北斗衛(wèi)星發(fā)射的B1、B2和B3信號(hào)進(jìn)行相對(duì)定位和RTK測(cè)量，為基礎(chǔ)測(cè)繪、工程勘察、城市建設(shè)、國(guó)土規(guī)劃及精密工程等提供厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的控制點(diǎn)，測(cè)繪大比例尺地形圖和地籍圖，建立大地控制網(wǎng)和地殼形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)等。

目前，在交通、民航、通信、海洋、氣象、公安、金融、電力、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、民政減災(zāi)、國(guó)土資源、旅游和探險(xiǎn)等行業(yè)率先啟動(dòng)和開(kāi)展了北斗系統(tǒng)應(yīng)用示范項(xiàng)目，其中有一些項(xiàng)目已經(jīng)取得了階段性成果，在相關(guān)行業(yè)和部門(mén)得到了具體應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

總之，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為GNSS的新成員，已被全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)委員會(huì)（ICG）確定為GNSS的四大核心供應(yīng)商之一。隨著北斗系統(tǒng)區(qū)域服務(wù)能力的進(jìn)一步提升和2020年全球服務(wù)的全面實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)用必將展現(xiàn)更加廣闊而美好的前景。