北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，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时空基础设施。我们将从历史背景、发展历程、技术突破、应用推广、未来发展等方面出发，详细介绍北斗卫星导航系统背后的故事。

 

　　一、卫星导航系统背景介绍

 

　　（一）人类一直在寻求导航定位的手段

 

　　我们知道，时间和空间共同构成了宇宙万物的基本属性，85%的人类活动都是和时间、空间的信息息息相关的。卫星导航系统的主要任务是提供时间和空间的信息，也就是告诉用户某一时刻、在哪个地方。

 

　　正是由于人类活动和时间、空间息息相关，人类一直在探索最佳的导航定位手段。在远古时代，人们就已经借助自然的现象或者地物来获取时间和空间的信息，如北斗七星、利用磁铁石的司南、利用太阳照射物体产生影子的日晷。随着人类的活动逐渐扩大，到航海时代，人类就可以利用一些简单的仪器进行时间和位置的计算，如利用灯塔和船只的距离、方位来引导船只航行，还有利用指南针特性的罗盘以及航海钟和航海表。在近代，人类利用的仪器由简单的仪器发展到精密的仪器，如无线电雷达、惯性导航、电罗经、石英钟和原子钟。

 

　　（二）卫星导航：当今最重要的导航定位手段

 

　　目前，卫星导航系统是最重要的导航定位手段，有以下几个非常独特的优势：一是能够做到陆海空天全空域、全天时、全天候覆盖；二是目前的实时定位精度可以达到10米的量级，授时的精度可以达到数十纳秒；三是非常简单、适用，可以以软件或芯片的形式嵌入手机等终端；四是很便宜，目前一个消费级的终端芯片成本仅10块钱。

 

　　（三）PNT的发展史就是人类活动空间不断扩展的历史

 

　　综上所述，PNT的发展史就是人类活动空间不断扩展的历史。所谓的PNT是指什么？P是定位、N是导航、T是授时，也就是说，PNT就是我们平常所说的定位导航授时。PNT的发展史的第一阶段是人类迁徙、狩猎、农耕的阶段，采用目测自然现象来进行定位；发展到远洋航海的阶段，我们有了罗盘和航海钟；扩大到航空、远程陆路的阶段，我们有无线电和雷达；随着1957年人类的第一颗人造卫星上天，我们的活动空间又扩展到了近地空间，产生了以卫星导航系统为核心的定位手段。但是，卫星导航系统也有自身的缺点，如无线电波不能穿透水体，所以水下、室内和深空将是卫星导航系统的新的发展方向。

 

　　（四）卫星导航定位的基本原理

 

　　卫星导航定位的基本原理非常简单，就是距离交会法，即：

 

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　　以已知点为中心、以未知点到已知点的距离为半径划一个圆，我们可以假设在二维空间之内以A点为已知点，以C点为用户未知点，C点到A点为半径划一个圆，再假设一个已知点B点又可以形成一个圆，两圆交会可以形成两个点，其中必定有一个点是未知点的位置。

 

　　QQ图片20200901145543

 

　　对于三维的情况，圆就变成一个球，已知点A、B、D分别是球的球心，三个球相交的点就是未知点的位置。

 

　　卫星导航系统是利用距离交会法的原理，用至少四颗以上的卫星来交会出地面未知点的位置，其中有几个关键要素：一是卫星的位置，也就是已知点、球心；二是卫星到用户的距离，作为球的半径；三是用户相对于卫星的时间差。整个卫星导航系统包括几个部分：空间部分、地面控制部分以及用户部分。

 

　　1.空间部分

 

　　卫星导航系统的空间部分发挥着以下作用：一是接收和存储地面控制系统上传的导航电文，并通过导航电文计算出卫星的位置和时间；二是发送用户的导航定位信号，包括伪随机码、载波和导航电文等。

 

　　目前的四大导航系统的卫星参数是各不相同的。GPS、GLONASS的卫星数量是24个，GALILEO是30个，北斗三号则是“24+3+3”共30颗，包括MEO、IGSO、GEO三类。其中，MEO是指中轨道卫星，轨道距离地面的高度是21500公里，IGSO卫星和GEO卫星轨道高度是35786公里。根据卫星轨道理论，如果卫星的轨道高度是35780公里左右，那么它的运行周期和地球自转的周期是一致的，都是24小时；再假设卫星是在赤道的上空，在上述条件下，卫星就和地面保持相对静止；其中，IGSO卫星不在赤道上方，它的运行轨道面和赤道面有一个夹角。GEO卫星和IGSO卫星只能实现区域覆盖，即：运行轨迹只能覆盖地球的一部分；MEO卫星的轨道高度是20000公里左右，运行的轨道周期大约是12个小时左右，与地球自转的时间差就会造成MEO卫星绕着地球进行旋转，实现全球覆盖。

 

　　2.地面控制部分

 

　　卫星导航系统的地面控制部分是由主控站、监测站、注入站等一系列跟踪站所构成的。其中，监测站跟踪卫星并获取观测数据，再将观测数据传送给主控站；主控站利用传输过来的数据计算卫星的位置和时间，将导航电文等信息传送给注入站；信息再由注入站上传到卫星。

 

　　3.用户部分

 

　　卫星导航系统的用户部分由用户和接收设备构成。如果用户要实现导航定位，就需要有一个接收设备。接收设备的主要作用是，接收卫星发射出来的信息，包括伪码、载波相位和导航电文等信息，再通过一定的数据处理算法得到用户的位置、速度和时间。

 

　　卫星导航系统要实现导航定位，需要有三个关键要素：一是卫星的已知位置；二是测得“球”的半径，也就是卫星到用户之间的距离，主要是分米级至米级的伪码与毫米级的载波相位两种信息，并且需要以一定频率的合法且公开的无线电信号发射给用户；三是搭载高精度的原子钟的第四颗卫星，创造了卫星导航系统在时间上的严格同步条件，实现了授时的性能。

 

　　二、北斗卫星导航系统发展历程

 

　　（一）标识

 

　　北斗系统的标识是由几个部分来组成的：一是北斗星；二是太极阴阳鱼，二者共同代表着中国的传统文化、古代用来辨识方位的依据；三是网格化的地球；四是北斗卫星导航系统的中英文标识，表示着北斗系统是一个全球的开放兼容的系统。其中，标识的颜色有：代表着太空的蓝色与代表着我们的航天事业的浅蓝色。总图形是圆形，代表了中国传统文化的“圆满”意思。

 

　　北斗系统目前正在经历三步走发展战略，这一战略是根据我国国情而提出的。北斗一号，解决了我们国家有无卫星导航系统的问题，是一种区域的卫星导航系统、一种有源的导航系统。所谓有源，就是用户在定位时必须要朝卫星发送请求定位信号，卫星接收到请求信号之后通过地面处理再把定位信息反送给用户，这样一是不利于保密，二是地面控制部分需要接收每个用户发送的请求，存在着用户数量的限制。为了解决上述问题，我们开发了北斗二号。北斗二号最重要的就是从有源系统变成了无源系统，也就是用户不再需要朝卫星发送请求信号，也就没有了用户数量的限制。但是，北斗二号仍然是区域导航系统，只能在我国与周边国家内服务。目前，我们正在建设的北斗三号是从区域变成了全球的无源导航系统。这就是三步走发展战略，其中北斗二号仍然在使用，北斗三号正在组网部署，预计2020年底完成。截至2019年9月，我们总共发射了48颗卫星，包括北斗一、北斗二和北斗三。2017年，北斗卫星导航系统荣获国家科技进步特等奖——“实现了国际卫星导航领域和我国航天领域的多个首创，走出了一条符合我国国情、独具特色的卫星导航系统发展道路”。

 

　　（二）三步走发展战略

 

　　1.北斗一号区域系统

 

　　1994年，我们启动了北斗卫星导航实验系统的建设；2003年，北斗一号具备了区域、有源的服务能力。北斗一号的卫星空间部分，是由两颗GEO卫星加上一颗在轨的备份卫星构成，可以实现20米的定位精度和100纳秒的授时精度，服务范围是中国全境及其周边部分地区。

 

　　2.北斗二号区域系统

 

　　北斗二号是2004年启动建设，2012年朝全世界公开，具有了区域无源服务能力。相对于北斗一号，北斗二号的定位精度和授时精度都有了很大的提高，其中定位精度达到了10米，授时精度提高到了20纳秒。此外，除了北斗一号的定位、通信、授时功能，北斗二号还增加了差分增强功能，可以通过该功能实现1米的定位精度。北斗二号的空间星座由5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星共14颗卫星组成，是世界上第一个公开服务的区域卫星导航系统，也是第一次将定位、授时、短信、差分增强等业务融为一体。通过5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星，我们可以实现位置的共享、管控、报告，其中北斗系统的定位性能和GPS系统相比只有很小差异，优于GLONASS。

 

　　4.北斗三号全球系统

 

　　2020年，我们将会拥有具备全球无源服务能力的北斗三号。北斗三号具备的功能又得到了进一步扩大，包括导航定位、区域的和全球的短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位，共6项服务。北斗三号的星座由3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星组成，可以实现5到10米的定位精度、10至20纳秒的授时精度、亚太0.1m/s全球0.2m/s的测速精度。

 

　　北斗三号的建设分成了三个阶段：2016年建成试验系统，发射了2颗IGSO卫星和3颗MEO卫星，进行了在轨验证；2018年发射19颗卫星，形成了北斗三号的基本系统，可以向“一带一路”有关国家和地区提供服务；2020年形成3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星的完整系统。

 

　　（1）导航定位服务

 

　　2019年，我们进行了一次导航定位服务的测试。从测试结果上看，北斗三号的定位精度在水平上是3到5米、在高程上是6到8米。

 

　　（2）短报文通信服务

 

　　短报文通信是我们国家一个重大的特色。北斗三号提供的区域的短报文通信服务，容量由先前的120个汉字增加到1000个汉字；全球短报文通讯服务通过14颗MEO卫星实现，报文长度为40个汉字。

 

　　（3）星基增强服务

 

　　星基增强服务（SBAS）的定位精度是1米左右，服务区域是东经75度到135度、北纬10度到55度的中国及周边地区。

 

　　（4）国际搜救服务

 

　　国际搜救服务是通过6颗MEO卫星实现的全球的搜救服务。

 

　　（5）精密单点定位服务

 

　　精密单点定位是通过3颗GEO卫星实现的亚太区域的定位系统，静态可以达到厘米级的定位，动态可以达到分米级的定位，所以北斗三号在定位精度上又得到了进一步增强。

 

　　上述内容就是北斗系统提供的6类服务。我们服务的特色就是服务全球、突出重点，即：在全球有导航定位、全球短报文通信和国际搜救；在亚太特别是在中国区域有星基增强、精密定位和区域短报文通信。相较于GPS、GLONASS和伽利略系统，短报文通讯服务是北斗三号的一个非常重要的亮点，此外我们具备独特的星基增强服务。

 

　　三、北斗卫星导航系统技术突破

 

　　（一）首创的GEO/MEO/IGSO混合星座

 

　　GEO卫星和IGSO卫星仅仅能够进行区域的覆盖，好处是便于测控和管理。我们国家由于地域和国情的限制，无法在全球方面去铺设监测站，所以卫星飞出我国境内，地面跟踪站是跟踪不到的。这个时候，北斗三号就通过星间链路来实现整个导航系统的测控。

 

　　（二）多频点的公开服务信号

 

　　我们申请了多个具有合法地位的公开服务的频点。2007年4月14日，我们发射了北斗二号第一颗卫星。

 

　　（三）自主研发的星间链路技术

 

　　前文说到，由于测控的局限，我们必须要有星间链路。星间链路到底是一种什么路？鲁迅说过：世上本无路，走的人多了，也就成了路。对于北斗三号来说，那就是：太空本无路，传的数据多了，也就成了路。所以说，星间链路是用于卫星之间通讯的一种链路，可以实现卫星之间的信息、数据的传输和两颗卫星之间测距的功能。前文说到，如果用户和卫星能够进行严格的时间同步，那么我们就可以用3颗卫星来确定用户的位置，同样也可以得到另外一颗卫星的位置。其中的测距，也就是“球”的半径、两颗卫星之间的半径距离，可以通过星间链路联系在一起，即：如果3颗卫星确定到了1颗卫星的准确位置，那么就可以知道整个星座里每一颗卫星的位置，从而进行导航卫星相对位置的固定，实现了整个卫星星座的相互联系和测控。由于全球布站的困难性，我们可以通过星间链路技术大大减少对地面布站的依赖。星间链路技术提高了卫星轨道精度，以及系统的运行能力和抗干扰能力。

 

　　（四）自主研发的高精度星载原子钟

 

　　我们一定要有自主研发的原子钟，因为我们必须要保持时间同步。在日常生活中，差一秒可能影响不是很大，但是在导航系统中差一秒就相当于30万公里的距离，因为伪码信息是存在信号接收和卫星发射的时间差的。所以说，原子钟在导航系统里是心脏。没有原子钟也就实现不了高精度的时间和频率，产生不了高精度的导航定位信号，也没有办法进行高精度和动态的服务。总而言之，原子钟所有的核心器件必须要由我们国家自主研发；同时，我们也达到了三百万年差一秒的高精度。

 

　　四、北斗卫星导航系统应用推广

 

　　据2016年《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》相关数据，我国卫星导航这一新兴产业总产值突破2000亿，自主终端用户超过5000万。但是在这之前，我们在很长一段时间内都是引进国外的终端，缺少自主研发的终端。习近平总书记就曾强调自主研发，要有中国自己的芯片，“中国人要把饭碗端在自己手里，而且要装自己的粮食”。所以，我们北斗也进行了自主研发终端的研制。

 

　　目前，我们已经实现了基础产品的自主研发，从芯片、终端到系统集成形成了完整的产业链。正是由于有自主研发的核心技术，我们才能够把北斗系统融入到我们国家的核心基础设施，保障国家安全并服务于全球。北斗卫星导航系统在各个领域，包括交通、测绘、通信、水利、金融、农业等，都得到了广泛的应用：我们手机上的地图App通过北斗系统来实现定位。华为、三星等公司的终端也都搭载了北斗系统。

 

　　在交通运输方面，我们可以通过北斗系统获取车、船的位置，并把位置信息发送给地面监控中心，实现对位置与轨迹的监控，在出现气象灾难时还可以通过短报文进行通知。据统计，大约有2万台邮政终端已经安装，服务里程达到200多万公里，重特大交通事故减少46%，死亡人数减少48%。

 

　　在农林渔业方面，北斗系统也得到了大量应用：北斗入网的船舶超过4万，农业产量提高5%。

 

　　在应急救援方面，“5·12”汶川大地震时，地面移动网络已经全部损坏，我们就是通过北斗系统的短报文功能发出的第一个急救电波，并把整个灾区的受灾情况传给了指挥部，然后再进行指挥救援调度。所以说，短报文通讯功能从北斗一号、北斗二号到北斗三号都被保留并发挥了非常重要的作用。

 

　　在保障网络精准运行方面，北斗系统的授时精度可以达到纳秒级，在电力传输、银行网站的时间同步、地面移动网络的授时上得到了广泛应用。

 

　　正是由于北斗系统的自主研发的能力和高性能，我们得到了ICG四大核心供应商的地位，也加入了国际民航、国际海事、国际移动网络、国际星基增强等国际组织并得到了他们的认可。同时，和我们的高铁一样，北斗系统也纳入到了整个国家的外交大局当中，和阿盟、俄罗斯、上海合作组织、巴基斯坦、欧盟都建立了基础合作意向，服务于“一带一路”以及东盟的一系列国家和地区。北斗高精度接收机在马来西亚土地确权项目中得到了使用与广泛的认可，以毫米级高层建筑物变形监测能力保证了科威特国家银行总部整个高层建筑的实现，还应用于乌干达国土测绘、马尔代夫海上打桩等项目。

 

　　五、北斗卫星导航系统未来发展

 

　　由于目前在深空、室内和水下都存在盲区，为了弥补这些缺陷并满足经济社会发展的需要，北斗卫星导航系统正在不断加强建设。因此，在未来我国PNT（北斗综合定位导航授时）体系的建设当中，我们要以北斗系统为核心，融合室内、水下、天文等多种导航定位手段，利用好低轨增强、天基增强和地基增强来强化北斗系统，通过量子导航和惯性导航强化卫星导航服务中断时的应急能力，建设好这一国家信息基础设施和网络信息体系的重要组成部分。