北斗卫星系统

北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统（BDS）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，致力于向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务。中国在2003年完成了具有区域导航功能的北斗卫星导航试验系统，之后开始构建服务全球的北斗卫星导航系统，于2012年起向亚太大部分地区正式提供服务，并计划至2020年完成全球系统的构建。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的全球卫星导航系统四大核心供应商。目录1历史与发展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1.5东盟各国加入合作2试验系统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系统构成4.1空间段4.2地面段4.3用户段5原理5.1空间定位原理5.2有源与无源定位5.3精度6技术6.1卫星平台6.2卫星制造与发射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应用状况1、历史与发展1.1早期研究1970年代，中国开始研究卫星导航系统的技术和方案，但之后这项研究计划被取消。1983年，中国航天专家陈芳允提出使用两颗静止轨道卫星实现区域性的导航功能，1989年，中国使用通信卫星进行试验，验证了其可行性，之后的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）的研制，并在2000年发射了两颗静止轨道卫星，实现了区域性的导航功能。2003年又发射了一颗备份卫星，完成了北斗卫星导航试验系统的组建。1.3中国加入欧盟伽利略计划2003年09月，中国打算加入欧盟的伽利略定位系统计划，并在接下来的几年中投入了2.3亿欧元的资金。由此，人们相信中国的北斗系统只会用于自己的武装力量。中国与欧盟在2004年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2004年，中国启动了具有全球导航能力的北斗卫星导航系统的建设（北斗二号），并在2007年发射一颗中地球轨道卫星，进行了大量试验。2009年起，后续卫星持续发射，并在2011年开始对中国和周边地区提供测试服务，2012年完成了对亚太大部分地区的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定了“三步走”发展规划，从1994年开始发展的试验系统（第一代系统）为第一步，2004年开始发展的正式系统（第二代系统）分为两个阶段，即第二步与第三步。至2012年，前两步已经完成。根据计划，北斗卫星导航系统将在2020年全面完成，届时将实现全球的卫星导航功能。北斗卫星导航系统三步走发展规划时间节点200420122020实现目标区域有源定位区域无源定位全球无源定位1.5、东盟各国加入合作2013年积极实施“中国东盟科技伙伴计划”，启动“中国-东盟联合实验室”、“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，是中国的第一代卫星导航系统，1994年正式立项，2000年发射2颗卫星后即能够工作，2003年又发射了一颗备份卫星，试验系统完成组建。该系统服务范围为东经70°－140°，北纬5°－55°。在卫星的寿命到期后（设计值8年），系统已停止工作。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，两颗工作卫星定位于东经80°和140°赤道上空，另有一颗位于东经110.5°的备份卫星，可在某工作卫星失效时予以接替。地面段：由中心控制系统和标校系统组成。中心控制系统主要用于卫星轨道的确定、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测量和校正参数。用户段：用户的终端。2.2、性能北斗卫星导航试验系统于2000年开始使用后，其定位精度100米，使用地面参照站校准后为20米，与当时的全球卫星定位系统民用码相当。系统用户能实现自身的定位，也能向外界报告自身位置和发送消息，授时精度20纳秒，定位响应时间为1秒。由于是采用少量卫星实现的有源定位，该系统成本较低，但是系统在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制。另外该系统无测速功能，不能用于精确制导武器。3、正式系统正式的北斗卫星导航系统，称为北斗二号，是中国的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”一般指第二代系统。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与全球卫星定位系统相似。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，以与使用静止轨道卫星的北斗卫星导航试验系统兼容。正式系统是军民两用的系统。截至2012年，中国为试验系统和覆盖亚太的正式系统共花费了数百亿人民币，为了实现覆盖全球的目标，还将投入四五百亿以上。北斗卫星导航系统在2012年的服务范围3.1、亚太服务北斗卫星导航系统的建设于2004年启动，2011年开始对中国和周边提供测试服务，2012年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区，南纬55度到北纬55度、东经55度到东经180度为一般服务范围。该导航系统提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、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，在服务区的较边缘地区精度稍差。授权服务则是向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时、通信服务以及系统完好性信息。正式系统继承了试验系统的一些功能，能在亚太地区提供无源定位技术所不能完成的服务，如短报文通信。3.2、全球服务北斗卫星导航系统计划在2020年完成对全球的覆盖，为全球用户提供定位、导航、授时服务，中国将发射大量的中地球轨道卫星，同时因为现有系统的卫星寿命也会到期，也将会在2020年前完成替换。中国将在2014年发射一颗试验星，以验证全球系统建设中的关键技术。4、系统构成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，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。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120°均匀分布。至2012年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颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上），4颗中地球轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）。序号卫星发射日期发射地点火箭运行轨道[注1]使用状况状态[注2]1北斗-M12007年04月14日西昌长征三号甲中地球轨道，高度21559×21518公里，倾角56.8°试验星未使用M12北斗-G22009年04月15日[29]西昌长征三有误差的地球静止轨道，高度36027×35539公里，倾角2.2°失控未使用[注G2号丙3]3北斗-G12010年01月17日[32]西昌长征三号丙地球静止轨道140.0°E，高度35807×35782公里，倾角1.6°使用中G14北斗-G32010年06月02日[33]西昌长征三号丙地球静止轨道110.6°E，高度35809×35777公里，倾角1.3°使用中G35北斗-IGSO12010年08月01日[34]西昌长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35916×35669公里，倾角54.6°使用中IGSO16北斗-G42010年11月01日[35]西昌长征三号地球静止轨道160.0°E，高度35815×35772公里，倾角0.6°使用中G4丙7北斗-IGSO22010年12月18日西昌长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35883×35691公里，倾角54.8°使用中IGSO28北斗-IGSO32011年04月10日西昌长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35911×35690公里，倾角55.9°使用中IGSO39北斗-IGSO42011年07月27日西昌长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35879×35709公里，倾角54.9°使用中IGSO410北斗-IGSO52011年12月02日[36]西昌长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35880×35710公里，倾角54.9°使用中IGSO511北斗-G52012年02月25日[37]西昌长征三号丙地球静止轨道58.7°E，高度35801×35786公里，倾角1.4°使用中G512北斗-M32012年04月30日[38]西昌长征三号乙中地球轨道，高度21607×21463公里，倾角55.3°使用中M313北斗-M42012年04月30日[38]西昌长征三号乙中地球轨道，高度21617×21453公里，倾角55.2°使用中M414北斗-M52012年09月19日[39]西昌长征三号乙中地球轨道，高度21597×21473公里，倾角55.0°使用中M515北斗2012年西长中地球轨道，高度使用M6-M609月19日[39]昌征三号乙21576×21494公里，倾角55.1°中16北斗-G62012年10月25日西昌长征三号丙地球静止轨道80.2°E，高度35803×35783公里，倾角1.7°使用中G6北斗-M5卫星（2012-050A）的地面轨迹图，白点为其在某时之位置，而白线包围的区域为其在该处的服务范围。4.2、地面段系统的地面段由主控站、注入站、监测站组成。主控站用于系统运行管理与控制等。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，而后交由注入站执行信息的发送。注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理，在接受主控站的调度后，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的信号，并发送给主控站，可实现对卫星的监测，以确定卫星轨道，并为时间同步提供观测资料。4.3、用户段用户段即用户的终端，即可以是专用于北斗卫星导航系统的信号接收机，也可以是同时兼容其他卫星导航系统的接收机。接收机需要捕获并跟踪卫星的信号，根据数据按一定的方式进行定位计算，最终得到用户的经纬度、高度、速度、时间等信息。5、原理5.1、空间定位原理在空间中若已经确定A、B、C三点的空间位置，且第四点D到上述三点的距离皆已知的情况下，即可以确定D的空间位置，原理如下：因为A点位置和AD间距离已知，可以推算出D点一定位于以A为圆心、AD为半径的圆球表面，按照此方法又可以得到以B、C为圆心的另两个圆球，即D点一定在这三个圆球的交汇点上，即三球交汇定位。北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。5.2、有源与无源定位当卫星导航系统使用有源时间测距来定位时，用户终端通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号，之后地面控制中心发出测距信号，根据信号传输的时间得到用户与两颗卫星的距离。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的距离，当认定用户也在此不均匀球面的表面时，三球交汇定位的条件已经全部满足，控制中心可以计算出用户的位置，并将信息发送到用户的终端。北斗的试验系统完全基于此技术，而之后的北斗卫星导航系统，除了使用新的技术外，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，用户接收至少4颗导航卫星发出的信号，根据时间信息可获得距离信息，根据三球交汇的原理，用户终端自行可以自行计算其空间位置。这就是GPS所使用的技术，北斗卫星导航系统也使用了此项技术来实现全球的卫星定位。5.3、精度参照三球交汇定位的原理，根据3颗卫星到用户终端的距离信息，根据三维的距离公式，就依靠列出3个方程得到用户终端的位置信息，即理论上使用3颗卫星就可达成无源定位，但由于卫星时钟和用户终端使用的时钟间一般会有误差，而电磁波以光速传播，微小的时间误差将会使得距离信息出现巨大失真，实际上应当认为时钟差距不是0而是一个未知数t，如此方程中就有4个未知数，即客户端的三位坐标（X，Y，Z），以及时钟差距t，故需