北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)探究

史徐行

（陜西省西安市第八中學(xué)，西安 710001）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)探究

史徐行

（陜西省西安市第八中學(xué)，西安 710001）

本文從衛(wèi)星導(dǎo)航談起，就我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理和發(fā)展做了簡(jiǎn)要介紹，并分析了其相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，最后對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展做出了展望。

衛(wèi)星導(dǎo)航；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；三星定位

1 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

從船只到飛機(jī)，從汽車(chē)到火車(chē)，現(xiàn)代交通工具的發(fā)展可謂日新月異，要想安全、快捷地到達(dá)目的地，準(zhǔn)確、及時(shí)、便捷的導(dǎo)航系統(tǒng)是必不可少的。導(dǎo)航的種類(lèi)繁多，如天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人們找到了一種理想的導(dǎo)航工具，即利用地球衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航可以為陸地、海洋、空中和空間的目標(biāo)提供導(dǎo)航定位服務(wù)，且不受氣象條件和航行距離的限制，導(dǎo)航精度比較高，所以被廣泛的運(yùn)用于現(xiàn)代生產(chǎn)生活之中。

1.1 導(dǎo)航的概念和方法

導(dǎo)航技術(shù)是將用戶(hù)從起始點(diǎn)導(dǎo)引到目的地的技術(shù)，其是集定位和導(dǎo)向于一身的高科技技術(shù)。為航行體提供實(shí)時(shí)的位置信息是導(dǎo)航系統(tǒng)的基本任務(wù)，所以，導(dǎo)航是一種廣義的動(dòng)態(tài)定位。能夠向航行體的操縱者或控制系統(tǒng)提供航行體的位置、速度、航向等即時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的體統(tǒng)稱(chēng)為導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前廣泛使用的導(dǎo)航方式主要有航標(biāo)方法、航位推算法、天文導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、衛(wèi)星定位導(dǎo)航。

1.2 航行體對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的要求

導(dǎo)航的基本作用是為運(yùn)載體航行提供服務(wù)，它所提供的服務(wù)應(yīng)該滿(mǎn)足航行所提出的特定要求?，F(xiàn)代導(dǎo)航不僅要解決航行目的性，更要滿(mǎn)足航行的安全性、服務(wù)連續(xù)性和有效性。一般來(lái)說(shuō)，要衡量一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)劣，必須考慮其精度、覆蓋范圍、信息及時(shí)率、可用性、可靠性、多值性、導(dǎo)航信息的維數(shù)等。

1.3 導(dǎo)航衛(wèi)星的分類(lèi)

⊙ 導(dǎo)航衛(wèi)星按導(dǎo)航方法分為多普勒測(cè)速導(dǎo)航衛(wèi)星和時(shí)間測(cè)距導(dǎo)航衛(wèi)星。

⊙ 根據(jù)用戶(hù)是否需要向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，分為主動(dòng)式導(dǎo)航衛(wèi)星和被動(dòng)式導(dǎo)航衛(wèi)星，例如“子午儀”衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星均屬于被動(dòng)式導(dǎo)航衛(wèi)星。

⊙ 按照軌道高度還可分為低軌道、中高軌道和地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星。

⊙ 按照用途不同又可分為軍用導(dǎo)航衛(wèi)星和民用導(dǎo)航衛(wèi)星，例如現(xiàn)在我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為軍用衛(wèi)星，日常汽車(chē)所用的全球定位系統(tǒng)（GPS）則為民用衛(wèi)星。

⊙ 按照覆蓋區(qū)域分為全球和區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍l(wèi)星。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，全球范圍內(nèi)美國(guó)主導(dǎo)的全球定位系統(tǒng)GPS和俄羅斯主導(dǎo)的GLONASS已經(jīng)成功建立并投入使用，民用和軍用均有涉及。作為超級(jí)大國(guó)的追趕者，我國(guó)和歐盟也在本世紀(jì)初先后開(kāi)展了自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，而印度也隨后啟動(dòng)了IRNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的研究工作?？梢?jiàn)，隨著各國(guó)在經(jīng)濟(jì)、科技、軍事等各個(gè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，衛(wèi)星導(dǎo)航這一尖端技術(shù)也會(huì)被越來(lái)越多的國(guó)家所重視和發(fā)展。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS，中文音譯名稱(chēng)BeiDou），又被稱(chēng)為“北斗二號(hào)”，是繼北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（也就是北斗一號(hào)）之后我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)于2004年啟動(dòng)，并計(jì)劃在2020年完成整體系統(tǒng)的構(gòu)建，屆時(shí)北斗二號(hào)將向全球用戶(hù)提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以捕捉其多星座的精確信息，一來(lái)可以利用這些豐富的導(dǎo)航信息來(lái)提高用戶(hù)在導(dǎo)航過(guò)程中的精確性、可靠性和功能性，也可以根據(jù)用戶(hù)反饋的信息來(lái)調(diào)整自身的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)良性循環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)。中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室負(fù)責(zé)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的調(diào)度、管理和維護(hù)相關(guān)工作，確保北斗可以安全穩(wěn)定地為全球使用者提供可靠的定位和導(dǎo)航服務(wù)。

2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究早在上世紀(jì)末就已經(jīng)展開(kāi)，開(kāi)始時(shí)只是為軍用所考量。隨著美國(guó)逐漸強(qiáng)大，蘇聯(lián)解體，東亞局勢(shì)也顯得變幻莫測(cè)，此時(shí)國(guó)我國(guó)把建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提上日程。而正式建立這一系統(tǒng)是按照三步走的策略執(zhí)行的：

（1）從2000年到2003年，第一步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，這幾年我國(guó)共計(jì)發(fā)射了三顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星，北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其工作范圍可以覆蓋我國(guó)絕大部分的區(qū)域，我國(guó)也成為繼美國(guó)、俄羅斯之后又一個(gè)擁有自主導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，我國(guó)的綜合實(shí)力得到重要提升。

（2）從2004年到2012年，我國(guó)已經(jīng)多次發(fā)射了多顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，進(jìn)入了密集發(fā)射組網(wǎng)的重要階段，此階段北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)覆蓋亞太的定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文傳輸?shù)榷喙δ艿姆?wù)能力。

（3）第三步到2020左右，再發(fā)射多顆地球同步和非同步衛(wèi)星，建設(shè)成由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星所組成的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，此時(shí)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)具有全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航能力。

3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由空間部分、地面控制部分和用戶(hù)部分三大部分所組成的，三部分相互關(guān)聯(lián)、缺一不可。

3.1.1 空間部分

空間部分由是由35顆衛(wèi)星所組成的，第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間部分將在第一代基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)展為具有5顆靜軌道衛(wèi)星、30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的導(dǎo)航星座，其中24顆中高軌道衛(wèi)星設(shè)置在3個(gè)軌道平面上，軌道傾角35°，軌道高度21500km，周期為12h55min。靜止軌道衛(wèi)星（GEOS）的5個(gè)定點(diǎn)位置分別為東經(jīng)58.75°、80.00°、110.50°、140.00°、160.00°。傾斜同步軌道衛(wèi)星（IGOS）運(yùn)行于傾角為55度的軌道面上。北斗衛(wèi)星均配備有無(wú)線電導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)載荷，其中GEOS還配有無(wú)線電定位衛(wèi)星服務(wù)載荷。

3.1.2 地面控制部分

地面控制部分由主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站組成，各種地面站的功能各不相同。

主控站主要功能是收集和處理本站和各監(jiān)測(cè)站的跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù)，將預(yù)測(cè)的衛(wèi)星距離、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣傳播改正參數(shù)編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站，進(jìn)而輸送到導(dǎo)航衛(wèi)星。

監(jiān)測(cè)站配有精密的銫鐘和偽距測(cè)量接收器，主要任務(wù)是為指控站提供衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)。

注入站的主要任務(wù)是將主控站發(fā)送來(lái)的導(dǎo)航電文用S波段發(fā)射到相應(yīng)的衛(wèi)星上。如果地面站發(fā)生故障，各衛(wèi)星的導(dǎo)航信息還可以使用一段時(shí)間，但導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。

3.1.3 用戶(hù)部分

用戶(hù)部分主要是各種類(lèi)型的GPS接收機(jī)。接收機(jī)通常包含天線單元和接收單元。接收機(jī)的主要功能是接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并利用本機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)代碼取得激勵(lì)觀測(cè)值和導(dǎo)航電文。此外，它還根據(jù)導(dǎo)航點(diǎn)電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差修正信息，計(jì)算接收機(jī)的位置。用戶(hù)接收機(jī)有許多種類(lèi)：按照動(dòng)態(tài)頻率高低可分為低動(dòng)態(tài)接收機(jī)和高動(dòng)態(tài)接收機(jī)；按所使用信號(hào)種類(lèi)和精度可分為單頻粗碼接收機(jī)和雙頻精碼接收機(jī)；按功能作用可分為測(cè)量型、授時(shí)型、導(dǎo)航型和姿態(tài)接收型。

3.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位導(dǎo)航原理

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的原理與GPS的原理類(lèi)似，大概為：定位衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制的電磁波信號(hào)，信號(hào)中含有衛(wèi)星信號(hào)準(zhǔn)確的發(fā)射時(shí)間，以及不同時(shí)間衛(wèi)星在空間中的準(zhǔn)確位置；衛(wèi)星導(dǎo)航接收器接收到衛(wèi)星的信號(hào)之后，測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算衛(wèi)星和用戶(hù)之間的距離；用導(dǎo)航算法（最小二乘法或?yàn)V波估計(jì)方法）解出用戶(hù)的位置。所以，準(zhǔn)確地計(jì)算衛(wèi)星的位置、測(cè)量衛(wèi)星和用戶(hù)之間的距離和解算用戶(hù)的位置是北斗系統(tǒng)定位導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。其定位原理如圖1所示。

圖1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理圖

此外，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)還可以準(zhǔn)確地解出用戶(hù)的三維速度，其與載波結(jié)合還可以進(jìn)行高精度定位和姿態(tài)確定問(wèn)題。

3.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

自從北斗驗(yàn)證系統(tǒng)開(kāi)通以來(lái)，北斗系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速拓展，用戶(hù)機(jī)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，北斗注冊(cè)用戶(hù)快速增長(zhǎng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用潛力，除了軍事國(guó)防領(lǐng)域，比如公安保衛(wèi)、遇險(xiǎn)搶救、巡邏搜索、車(chē)載導(dǎo)航、交通管制和各種災(zāi)害的播報(bào)等都有著廣泛的應(yīng)用，并且在個(gè)人導(dǎo)航、娛樂(lè)設(shè)施等方面都有著巨大的用戶(hù)量，是我國(guó)推動(dòng)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的亮點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，必將帶動(dòng)我國(guó)的高新技術(shù)進(jìn)入新的時(shí)代。

4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的未來(lái)展望

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有著不可替代的優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)和國(guó)防建設(shè)做出了杰出貢獻(xiàn)。但是由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)起步較晚，技術(shù)還不太成熟，在可靠性和穩(wěn)定性方面不及已經(jīng)發(fā)展了幾十年的GPS和GLONASS，而且用戶(hù)端優(yōu)化不足，導(dǎo)致用戶(hù)流失嚴(yán)重，其發(fā)展也存在嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)要想成為全球先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，需要做到以下幾點(diǎn)：首先在頻率兼容方面，要實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和其它導(dǎo)航系統(tǒng)以及奇特電磁波的頻率的兼容，解決頻率資源短缺問(wèn)題；在建設(shè)控制站方面，未來(lái)北斗要克服阻力在全球均勻建站，這也是很難實(shí)現(xiàn)的；最后在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方面，對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)的GPS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其霸主地位很難被撼動(dòng)，這就要看北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能否做出顛覆性的功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的政策法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步完善，管理與服務(wù)觀念有待進(jìn)一步加強(qiáng)。但是可以預(yù)期，經(jīng)過(guò)我國(guó)廣大衛(wèi)星導(dǎo)航科技工作者和用戶(hù)的共同努力，北斗導(dǎo)航體系和應(yīng)用技術(shù)都有望取得新的突破。

[1] 劉路沙．北斗衛(wèi)星為神州導(dǎo)航［J］．中國(guó)測(cè)繪，2010,(4):34-35

[2] 趙靜，曹沖．GNSS系統(tǒng)及其技術(shù)的發(fā)展研究［J］．全球定位系統(tǒng)，2008，(5): 27-31

[3] 孫家棟．北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展之路．衛(wèi)星應(yīng)用，2010（4）

[4] 林宇航．中國(guó)的北斗導(dǎo)航應(yīng)用面臨新突破．衛(wèi)星應(yīng)用，2010（1）

[5] 譚述森．衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.015

TN96文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）10-0040-03