北斗卫星导航系统

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北斗卫星导航系统标志

北斗卫星导航系统BDS[1])是中华人民共和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,[2]军用与民用目的兼具。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[3],并计划至2020年完成全球系统的构建。

北斗卫星导航系统、美国全球定位系統俄罗斯格洛纳斯系统欧盟伽利略定位系統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。[4]

历史与发展[编辑]

早期研究[编辑]

1970年代,中国开始研究卫星导航系统的技术和方案,但之后这项名为“灯塔”的研究计划被取消。[5]

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即基于此方案。[6]

试验系统[编辑]

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,区域性的导航功能得以实现。[6][7]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。

加入欧盟伽利略计划[编辑]

2003年09月,中国打算加入欧盟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。2008年01月,香港南华早报在“中国不当“伽利略”计划小伙伴”的报道中指出:中国不满其在伽利略计划中的配角地位,并将推出北斗二代与伽利略定位系統在亚洲市场竞争。

正式系统[编辑]

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。[6]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,[8]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。[3]

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)又分为两个阶段,即第二步与第三步。至2012年,此战略的前两步已经完成。根据计划,北斗卫星导航系统将在2020年完成,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[9]

时间节点 2004 2012 2020
实现目标 区域有源定位 区域无源定位 全球无源定位

东盟各国加入合作[编辑]

中国科学技术部部长万钢在2013年1月19日中国科技工作会议上透露,2013年将积极实施“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。[10]

试验系统[编辑]

北斗卫星导航试验系统于2003年完全建成,蓝色区域为当时的覆盖范围

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,即有源区域卫星定位系统,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°。[11]在卫星的寿命到期后(设计值8年),系统已停止工作。

系统组成[编辑]

系统分为三个部分,分别为空间段、地面段、用户段:[12]

  • 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°的備份卫星,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。

性能[编辑]

北斗卫星导航试验系统于2000年能够使用后,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。[13][14]

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[15]

正式系统[编辑]

北斗卫星导航系统在2012年的服务范围

正式的北斗卫星导航系统也被称为北斗二号,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”一词一般用来特指第二代系统。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。[16]其总设计师为孙家栋

北斗从其试验系统开始就有其军事目的,其正式系统也是一个军民两用的系统。[17]项目的主要参与者为中国人民解放军总参谋部总装备部国家国防科技工业局中国科学院中国航天科技集团公司中国电子科技集团公司国防科技大学[18]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。[19]

亚太服务[编辑]

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。[20]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,这类用户为中国军队和政府等。[21]由于该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。

全球服务[编辑]

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。[22][23]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。[24][25]最近消息显示,新一代卫星2015年开始发射[26]

系统构成[编辑]

北斗卫星导航系统由空间段、地面段、用户段组成。[27]

空间段[编辑]

北斗卫星导航系统空间段计划由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。[27]5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°,[27]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。[28]

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,[29]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)。[30]

北斗导航系统卫星列表[31]
序号 卫星 发射日期 发射地点 火箭 运行轨道[註 1] 使用状况 状态[註 2]
1 北斗-M1 2007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 M1
2 北斗-G2 2009年04月15日[32] 西昌 长征三号丙 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[註 3] G2
3 北斗-G1 2010年01月17日[35] 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 G1
4 北斗-G3 2010年06月02日[36] 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 G3
5 北斗-IGSO1 2010年08月01日[37] 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 IGSO1
6 北斗-G4 2010年11月01日[38] 西昌 长征三号丙 地球静止轨道160.0°E,高度35815×35772公里,倾角0.6° 使用中 G4
7 北斗-IGSO2 2010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 IGSO2
8 北斗-IGSO3 2011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 IGSO3
9 北斗-IGSO4 2011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 IGSO4
10 北斗-IGSO5 2011年12月02日[39] 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 IGSO5
11 北斗-G5 2012年02月25日[40] 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 G5
12 北斗-M3 2012年04月30日[41] 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 M3
13 北斗-M4 2012年04月30日[41] 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 M4
14 北斗-M5 2012年09月19日[42] 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 M5
15 北斗-M6 2012年09月19日[42] 西昌 长征三号乙 中地球轨道,高度21576×21494公里,倾角55.1° 使用中 M6
16 北斗-G6 2012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)的地面軌跡图,白點為其在某時之位置,而白線包圍的区域为其在該處的服务范围。

地面段[编辑]

系统的地面段由主控站、注入站、监测站组成。[27]

  • 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。

用户段[编辑]

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。[27]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。[43]

原理[编辑]

空间定位原理[编辑]

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。

有源与无源定位[编辑]

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。[44]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。[44]此即为GPS所使用的技术,北斗卫星导航系统也使用了此技术来实现全球的卫星定位。

精度[编辑]

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,故需要4颗卫星来列出4个关于距离的方程式,最后才能求得答案,即用户端所在的三维位置,根据此三维位置可以进一步换算为经纬度海拔高度[45][46]

若空中有足够的卫星,用户终端可以接收多于4颗卫星的信息时,可以将卫星每组4颗分为多个组,列出多组方程,后通过一定的算法挑选误差最小的那组结果,能够提高精度。[45]

电磁波以30万千米/秒的光速传播,在测量卫星距离时,若卫星钟有一纳秒(十亿分之一秒)时间误差,会产生三十厘米距离误差。尽管卫星采用的是非常精确的原子钟,也会累积较大误差,因此地面工作站会监视卫星时钟,并将结果与地面上更大规模的更精确的原子钟比较,得到误差的修正信息,最终用户通过接收机可以得到经过修正后的更精确的信息。当前有代表性的卫星用原子钟大约有数纳秒的累积误差,产生大约一米的距离误差。[47]

为提高定位精度,还可使用差分技术。在地面上建立基准站,将其已知的精确坐标与通过导航系统给出的坐标相比较,可以得出修正数,对外发布,用户终端依靠此修正数,可以将自己的导航系统计算结果进行再次的修正,从而提高精度。例如,全球定位系统使用差分全球定位系统后,定位精度可达到5米左右。 [45]

技术[编辑]

卫星平台[编辑]

在北斗卫星导航系统中,能使用无源时间测距技术为全球提供无线电卫星导航服务(RNSS),也同时也保留了试验系统中的有源时间测距技术,即提供无线电卫星测定服务(RDSS),但仅在亚太地区实现。从卫星所起到的功能来区分,可以分成下列两类:[48]

  • 非静止轨道卫星:北斗卫星导航系统中地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星使用东方红三号通信卫星平台并略有改进,其有效载荷都为RNSS载荷。[48]
  • 静止轨道卫星:这类卫星使用改进型东方红三号平台,其五颗卫星的定点位置为东经58.75°到160°之间,每颗均有3种有效载荷,即用作有源定位的RDSS载荷、用作无源定位的RNSS载荷、用于客户端间短报文服务的通信载荷。[48]由于此类卫星仅定点在亚太地区上空,故需要用到RDSS载荷的有源定位服务以及用到通讯载荷的短报文服务只能在亚太提供。[49]

北斗卫星导航系统同时使用静止轨道与非静止轨道卫星,对于亚太范围内的区域导航来说,无需借助中地球轨道卫星,只依靠北斗的地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星即可保证服务性能。而数量庞大的中地球轨道卫星,主要服务于全球卫星导航系统。此外,如果倾斜地球同步轨道卫星发生故障,则中地球轨道卫星可以调整轨道予以接替,即作为备份星。[50]

截至2012年发射的北斗系统的卫星设计寿命都是8年,而后续又有数量众多的中地球轨道卫星需要发射,这些卫星将采用专门的中地球轨道卫星平台,寿命将延长至12年或更多,还会往小型化发展。[28]

卫星制造与发射[编辑]

因为需要一定数量的卫星才能提供质量可靠的导航服务,从卫星的寿命方面考虑,若发射间隔过久,则后续卫星发射时,可能早期的卫星已近退役,所以北斗的卫星需要在短时间发射,中国在3年的时间内共发射了14颗北斗卫星,这是中国首次使用“一次设计,组批生产”的方式对卫星快速批量生产。[23]到2020年时,在2010年前后发射的卫星已经退役,因此在2012到2020年的8年时间里,中国需要为准备覆盖全球的北斗卫星导航系统再生产出30多颗卫星。[22]

中国在1981年就成功执行过“一箭多星”,不过此技术一般用于发射一颗大卫星附带几颗小卫星,将卫星送入不同的轨道。2012年使用“一箭双星”发射北斗卫星,是中国首次用一枚火箭发射两颗相同的大质量卫星,火箭将两颗卫星送入了同一个轨道面上,其即卫星的运行轨迹相同,其差别在于轨位。[51]

时间系统[编辑]

北斗卫星导航系统的系统时间叫做北斗时,属于原子时,溯源到中国的协调世界时,与协调世界时的误差在100纳秒内,起算时间是协调世界时2006年1月1日0时0分0秒。[52]

北斗试验系统的卫星原子钟是由瑞士进口,北斗二号的星载原子钟逐渐开始使用中国航天科工二院203所提供的国产原子钟。[53]北斗的卫星系统总设计师杨慧在2012年表示,北斗已经开始全部使用国产原子钟,其性能与进口产品相当。[54]

信号传输[编辑]

北斗卫星导航系统使用码分多址技术,与全球定位系统和伽利略定位系統一致,而不同于格洛纳斯系统频分多址技术。两者相比,码分多址有更高的频谱利用率,在由L波段的频谱资源非常有限的情况下,选择码分多址是更妥当的方式。此外,码分多址的抗干扰性能,以及与其他卫星导航系统兼容性能更佳。[55]

北斗卫星导航系统的官方宣布,在L波段S波段发送导航信号,在L波段的B1、B2、B3频点上发送服务信号,包括开放的信号和需要授权的信号。[27]

  • B1频点:1559.052MHz-1591.788MHz
  • B2频点:1166.220MHz-1217.370MHz
  • B3频点:1250.618MHz-1286.423MHz
2007年,在北斗-M1卫星发射后,被检测到于图示红色的波段上发出信号,与伽利略定位系統使用或计划使用的波段相重合。

国际电信联盟分配了E1(1590MHz)、E2(1561MHz)、E6(1269MHz)和E5B(1207MHz)四个波段给北斗卫星导航系统,这与伽利略定位系统使用或计划使用的波段存在重合。然而,根据国际电信联盟的频段先占先得政策,若北斗系统先行使用,即拥有使用相应频段的优先权。[56]2007年,中国发射了北斗-M1,之后在相应波段上被检测到信号:1561.098MHz±2.046MHz, 1589.742MHz, 1207.14MHz±12MHz, 1268.52MHz±12MHz,以上波段与伽利略定位系統计划使用的波段重合,与全球卫星定位系统的L波段也有小部分重合。[57][17]

北斗-M1是一个实验性的卫星,用于发射信号的测试和验证,并能以先占的原则确定对相应频率的使用权。北斗-M1卫星在E2、E5B、E6频段进行信号传输,传输的信号分成2类,分别被称作“I”和“Q”。“I”的信号具有较短的编码,可能会被用来作开放服务(民用), 而“Q”部分的编码更长,且有更强的抗干扰性,可能会被用作需要授权的服务(军用)。在北斗-M1发射后,法国、美国等工程师即展开了对信号的研究,[58][59]研究者包括在中国引起热议的高杏欣,她和团队分析出了北斗-M1卫星的民用码信道编码方式并予以公开,但其研究内容与军用码的安全问题无关,事实上全球卫星定位系统和伽利略定位系统的民用码也早已被破解。[60][61][62]

应用[编辑]

北斗卫星导航系统提供定位、导航、授时服务,分为开放服务和授权服务两种方式。[2]

开放服务[编辑]

任何拥有终端设备的用户可免费获得此服务,其精度为:[2][3]

  • 定位精度平面10米、高程10米
  • 测速精度0.2米/秒
  • 授时精度单向50纳秒,开放服务不提供双向高精度授时

授权服务[编辑]

除了面向全球的免费开放服务外,还有需要获得授权方可使用的服务,授权又分成不同等级,区分军用和民用:[27][63]

  • 高精度:北斗卫星导航系统可以提供比开放服务更佳的精确度,需要获得授权,其具体性能指标未知。
  • 广域差分:在亚太地区借助与类似于广域增强系统的广域差分技术(广域增强),根据授权用户的不同等级,提供更高的定位精度,[64]最高为1米。
  • 信息收发:授权用户可以北斗卫星导航系统还为提供信息的收发,即短报文服务,这项服务仅限于亚太地区。[49]军用版容量为120个汉字,民用版49个汉字。

应用状况[编辑]

截至2012年底,中国有约4万艘渔船安装了北斗卫星导航系统的终端,终端向手机发送短信为3角人民币,高峰时每月发送70万条。同时,中国有10万辆车已安装北斗的导航设备。[65]

制约北斗导航民用的最大瓶颈是芯片价格,相对于GPS系统,北斗终端设备的芯片成本较高,若能够广泛生产和使用则可降低价格。[65]

注释[编辑]

  1. ^ 根据近期实际观测数据进行的推算。高度数值分别为远地点近地点静止轨道卫星因相对地球静止,其经度数值表示卫星在赤道上空的定点位置。各项数值会有细微变化。
  2. ^ 根据近期实际观测数据进行的推算。
  3. ^ 卫星进入正确轨道,但之后地面未能获得对卫星的控制,因此无法使用,卫星被遗弃。在近似的地球静止轨道上持续绕行,于赤道上空每日向东偏移约0.15°。[33][34]

参考资料[编辑]

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外部链接[编辑]