北斗衛星導航系統

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北斗衛星導航系統標誌

北斗衛星導航系統BDS[1])是中華人民共和國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統,致力於向全球用戶提供高質量的定位、導航、授時服務,並能向有更高要求的授權用戶提供進一步服務,[2]軍用與民用目的兼具。中國在2003年完成了具有區域導航功能的北斗衛星導航試驗系統,之後開始構建服務全球的北斗衛星導航系統,於2012年起向亞太大部分地區正式提供服務[3],並計劃至2020年完成全球系統的構建。

北斗衛星導航系統、美國全球定位系統俄羅斯格洛納斯系統歐盟伽利略定位系統聯合國衛星導航委員會認定的全球衛星導航系統四大核心供應商。[4]

歷史與發展[編輯]

早期研究[編輯]

1970年代,中國開始研究衛星導航系統的技術和方案,但之後這項名為「燈塔」的研究計劃被取消。[5]

1983年,中國太空專家陳芳允提出使用兩顆靜止軌道衛星實現區域性的導航功能,1989年,中國使用通信衛星進行試驗,驗證了其可行性,之後的北斗衛星導航試驗系統即基於此方案。[6]

試驗系統[編輯]

1994年,中國正式開始北斗衛星導航試驗系統(北斗一號)的研製,並在2000年發射了兩顆靜止軌道衛星,區域性的導航功能得以實現。[6][7]2003年又發射了一顆備份衛星,完成了北斗衛星導航試驗系統的組建。

加入歐盟伽利略計劃[編輯]

2003年09月,中國打算加入歐盟伽利略定位系統計劃,並在接下來的幾年中投入了2.3億歐元的資金。由此,人們相信中國的北斗系統只會用於自己的武裝力量。中國與歐盟在2004年10月09日正式簽署伽利略計劃技術合作協議。2008年01月,香港南華早報在「中國不當「伽利略」計劃小夥伴」的報導中指出:中國不滿其在伽利略計劃中的配角地位,並將推出北斗二代與伽利略定位系統在亞洲市場競爭。

正式系統[編輯]

2004年,中國啟動了具有全球導航能力的北斗衛星導航系統的建設(北斗二號),並在2007年發射一顆中地球軌道衛星,進行了大量試驗。[6]2009年起,後續衛星持續發射,並在2011年開始對中國和周邊地區提供測試服務,[8]2012年完成了對亞太大部分地區的覆蓋並正式提供衛星導航服務。[3]

中國為北斗衛星導航系統制定了「三步走」發展規劃,從1994年開始發展的試驗系統(第一代系統)為第一步,2004年開始發展的正式系統(第二代系統)又分為兩個階段,即第二步與第三步。至2012年,此戰略的前兩步已經完成。根據計劃,北斗衛星導航系統將在2020年完成,屆時將實現全球的衛星導航功能。

北斗衛星導航系統三步走發展規劃[9]

時間節點 2004 2012 2020
實現目標 區域有源定位 區域無源定位 全球無源定位

東盟各國加入合作[編輯]

中國科學技術部部長萬鋼在2013年1月19日中國科技工作會議上透露,2013年將積極實施「中國東盟科技夥伴計劃」,啟動「中國-東盟聯合實驗室」、「中國-東盟技術轉移中心」建設,在東盟各國合作建設北斗系統地面站網。[10]

試驗系統[編輯]

北斗衛星導航試驗系統於2003年完全建成,藍色區域為當時的覆蓋範圍

北斗衛星導航試驗系統又稱為北斗一號,是中國的第一代衛星導航系統,即有源區域衛星定位系統,1994年正式立項,2000年發射2顆衛星後即能夠工作,2003年又發射了一顆備份衛星,試驗系統完成組建,該系統服務範圍為東經70°-140°,北緯5°-55°。[11]在衛星的壽命到期後(設計值8年),系統已停止工作。

系統組成[編輯]

系統分為三個部分,分別為空間段、地面段、用戶段:[12]

  • 空間段:由3顆地球靜止軌道衛星組成,兩顆工作衛星定位於東經80°和140°赤道上空,另有一顆位於東經110.5°的備份衛星,可在某工作衛星失效時予以接替。
  • 地面段:由中心控制系統和標校系統組成。中心控制系統主要用於衛星軌道的確定、電離層校正、用戶位置確定、用戶短報文信息交換等。標校系統可提供距離觀測量和校正參數。
  • 用戶段:用戶的終端。

性能[編輯]

北斗衛星導航試驗系統於2000年能夠使用後,其定位精度100米,使用地面參照站校準後為20米,與當時的全球衛星定位系統民用碼相當。系統用戶能實現自身的定位,也能向外界報告自身位置和發送消息,授時精度20奈秒,定位響應時間為1秒。[13][14]

由於是採用少量衛星實現的有源定位,該系統成本較低,但是系統在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數、隱蔽性等方面均受到限制。另外該系統無測速功能,不能用於精確制導武器[15]

正式系統[編輯]

北斗衛星導航系統在2012年的服務範圍

正式的北斗衛星導航系統也被稱為北斗二號,是中國的第二代衛星導航系統,英文簡稱BDS,曾用名COMPASS,「北斗衛星導航系統」一詞一般用來特指第二代系統。此衛星導航系統的發展目標是對全球提供無源定位,與全球定位系統相似。在計劃中,整個系統將由35顆衛星組成,其中5顆是靜止軌道衛星,以與使用靜止軌道衛星的北斗衛星導航試驗系統兼容。[16]其總設計師為孫家棟

北斗從其試驗系統開始就有其軍事目的,其正式系統也是一個軍民兩用的系統。[17]項目的主要參與者為中國人民解放軍總參謀部總裝備部國家國防科技工業局中國科學院中國太空科技集團公司中國電子科技集團公司國防科技大學[18]截至2012年,中國為試驗系統和覆蓋亞太的正式系統共花費了數百億人民幣,為了實現覆蓋全球的目標,還將投入四五百億以上。[19]

亞太服務[編輯]

北斗衛星導航系統的建設於2004年啟動,2011年開始對中國和周邊提供測試服務,2012年12月27日起正式提供衛星導航服務,服務範圍涵蓋亞太大部分地區,南緯55度到北緯55度、東經55度到東經180度為一般服務範圍。[20]該導航系統提供兩種服務方式,即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速、授時服務,定位精度為10米,測速精度0.2米/秒,授時精度50奈秒,在服務區的較邊緣地區精度稍差。授權服務則是向授權用戶提供更安全與更高精度的定位、測速、授時、通信服務以及系統完好性信息,這類用戶為中國軍隊和政府等。[21]由於該正式系統繼承了試驗系統的一些功能,能在亞太地區提供無源定位技術所不能完成的服務,如短報文通信。

全球服務[編輯]

北斗衛星導航系統計劃在2020年完成對全球的覆蓋,為全球用戶提供定位、導航、授時服務,中國將發射大量的中地球軌道衛星,同時因為現有系統的衛星壽命也會到期,也將會在2020年前完成替換。[22][23]中國將在2014年發射一顆試驗星,以驗證全球系統建設中的關鍵技術。[24][25]最近消息顯示,新一代衛星2015年開始發射[26]

系統構成[編輯]

北斗衛星導航系統由空間段、地面段、用戶段組成。[27]

空間段[編輯]

北斗衛星導航系統空間段計劃由35顆衛星組成,包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。[27]5顆靜止軌道衛星定點位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°、160°,[27]中地球軌道衛星運行在3個軌道面上,軌道面之間為相隔120°均勻分布。[28]

至2012年底北斗亞太區域導航正式開通時,已為正式系統發射了16顆衛星,[29]其中14顆組網並提供服務,分別為5顆靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星(均在傾角55°的軌道面上),4顆中地球軌道衛星(均在傾角55°的軌道面上)。[30]

北斗導航系統衛星列表[31]
序號 衛星 發射日期 發射地點 火箭 運行軌道[註 1] 使用狀況 狀態[註 2]
1 北斗-M1 2007年04月14日 西昌 長征三號甲 中地球軌道,高度21559×21518公里,傾角56.8° 試驗星未使用 M1
2 北斗-G2 2009年04月15日[32] 西昌 長征三號丙 有誤差的地球靜止軌道,高度36027×35539公里,傾角2.2° 失控未使用[註 3] G2
3 北斗-G1 2010年01月17日[35] 西昌 長征三號丙 地球靜止軌道140.0°E,高度35807×35782公里,傾角1.6° 使用中 G1
4 北斗-G3 2010年06月02日[36] 西昌 長征三號丙 地球靜止軌道110.6°E,高度35809×35777公里,傾角1.3° 使用中 G3
5 北斗-IGSO1 2010年08月01日[37] 西昌 長征三號甲 傾斜地球同步軌道,高度35916×35669公里,傾角54.6° 使用中 IGSO1
6 北斗-G4 2010年11月01日[38] 西昌 長征三號丙 地球靜止軌道160.0°E,高度35815×35772公里,傾角0.6° 使用中 G4
7 北斗-IGSO2 2010年12月18日 西昌 長征三號甲 傾斜地球同步軌道,高度35883×35691公里, 傾角54.8° 使用中 IGSO2
8 北斗-IGSO3 2011年04月10日 西昌 長征三號甲 傾斜地球同步軌道,高度35911×35690公里, 傾角55.9° 使用中 IGSO3
9 北斗-IGSO4 2011年07月27日 西昌 長征三號甲 傾斜地球同步軌道,高度35879×35709公里, 傾角54.9° 使用中 IGSO4
10 北斗-IGSO5 2011年12月02日[39] 西昌 長征三號甲 傾斜地球同步軌道,高度35880×35710公里, 傾角54.9° 使用中 IGSO5
11 北斗-G5 2012年02月25日[40] 西昌 長征三號丙 地球靜止軌道58.7°E,高度35801×35786公里,傾角1.4° 使用中 G5
12 北斗-M3 2012年04月30日[41] 西昌 長征三號乙 中地球軌道,高度21607×21463公里,傾角55.3° 使用中 M3
13 北斗-M4 2012年04月30日[41] 西昌 長征三號乙 中地球軌道,高度21617×21453公里,傾角55.2° 使用中 M4
14 北斗-M5 2012年09月19日[42] 西昌 長征三號乙 中地球軌道 ,高度21597×21473公里,傾角55.0° 使用中 M5
15 北斗-M6 2012年09月19日[42] 西昌 長征三號乙 中地球軌道,高度21576×21494公里,傾角55.1° 使用中 M6
16 北斗-G6 2012年10月25日 西昌 長征三號丙 地球靜止軌道80.2°E,高度35803×35783公里,傾角1.7° 使用中 G6
北斗-M5衛星(2012-050A)的地面軌跡圖,白點為其在某時之位置,而白線包圍的區域為其在該處的服務範圍。

地面段[編輯]

系統的地面段由主控站、注入站、監測站組成。[27]

  • 主控站用於系統運行管理與控制等。主控站從監測站接收數據並進行處理,生成衛星導航電文和差分完好性信息,而後交由注入站執行信息的發送。
  • 注入站用於向衛星發送信號,對衛星進行控制管理,在接受主控站的調度後,將衛星導航電文和差分完好性信息向衛星發送。
  • 監測站用於接收衛星的信號,並發送給主控站,可實現對衛星的監測,以確定衛星軌道,並為時間同步提供觀測資料。

用戶段[編輯]

用戶段即用戶的終端,即可以是專用於北斗衛星導航系統的信號接收機,也可以是同時兼容其他衛星導航系統的接收機。[27]接收機需要捕獲並跟蹤衛星的信號,根據數據按一定的方式進行定位計算,最終得到用戶的經緯度、高度、速度、時間等信息。[43]

原理[編輯]

空間定位原理[編輯]

在空間中若已經確定A、B、C三點的空間位置,且第四點D到上述三點的距離皆已知的情況下,即可以確定D的空間位置,原理如下:因為A點位置和AD間距離已知,可以推算出D點一定位於以A為圓心、AD為半徑的圓球表面,按照此方法又可以得到以B、C為圓心的另兩個圓球,即D點一定在這三個圓球的交匯點上,即三球交匯定位。北斗的試驗系統和正式系統的定位都依靠此原理。

有源與無源定位[編輯]

當衛星導航系統使用有源時間測距來定位時,用戶終端通過導航衛星向地面控制中心發出一個申請定位的信號,之後地面控制中心發出測距信號,根據信號傳輸的時間得到用戶與兩顆衛星的距離。[44]除了這些信息外,地面控制中心還有一個資料庫,為地球表面各點至地球球心的距離,當認定用戶也在此不均勻球面的表面時,三球交匯定位的條件已經全部滿足,控制中心可以計算出用戶的位置,並將信息發送到用戶的終端。北斗的試驗系統完全基於此技術,而之後的北斗衛星導航系統除了使用新的技術外,也保留了這項技術。

當衛星導航系統使用無源時間測距技術時,用戶接收至少4顆導航衛星發出的信號,根據時間信息可獲得距離信息,根據三球交匯的原理,用戶終端自行可以自行計算其空間位置。[44]此即為GPS所使用的技術,北斗衛星導航系統也使用了此技術來實現全球的衛星定位。

精度[編輯]

參照三球交匯定位的原理,根據3顆衛星到用戶終端的距離信息,根據三維的距離公式,就依靠列出3個方程得到用戶終端的位置信息,即理論上使用3顆衛星就可達成無源定位,但由於衛星時鐘和用戶終端使用的時鐘間一般會有誤差,而電磁波以光速傳播,微小的時間誤差將會使得距離信息出現巨大失真,實際上應當認為時鐘差距不是0而是一個未知數t,如此方程中就有4個未知數,即客戶端的三位坐標(X,Y,Z),以及時鐘差距t,故需要4顆衛星來列出4個關於距離的方程式,最後才能求得答案,即用戶端所在的三維位置,根據此三維位置可以進一步換算為經緯度海拔高度[45][46]

若空中有足夠的衛星,用戶終端可以接收多於4顆衛星的信息時,可以將衛星每組4顆分為多個組,列出多組方程,後通過一定的演算法挑選誤差最小的那組結果,能夠提高精度。[45]

電磁波以30萬千米/秒的光速傳播,在測量衛星距離時,若衛星鐘有一奈秒(十億分之一秒)時間誤差,會產生三十厘米距離誤差。儘管衛星採用的是非常精確的原子鐘,也會累積較大誤差,因此地面工作站會監視衛星時鐘,並將結果與地面上更大規模的更精確的原子鐘比較,得到誤差的修正信息,最終用戶通過接收機可以得到經過修正後的更精確的信息。當前有代表性的衛星用原子鐘大約有數奈秒的累積誤差,產生大約一米的距離誤差。[47]

為提高定位精度,還可使用差分技術。在地面上建立基準站,將其已知的精確坐標與通過導航系統給出的坐標相比較,可以得出修正數,對外發布,用戶終端依靠此修正數,可以將自己的導航系統計算結果進行再次的修正,從而提高精度。例如,全球定位系統使用差分全球定位系統後,定位精度可達到5米左右。 [45]

技術[編輯]

衛星平台[編輯]

在北斗衛星導航系統中,能使用無源時間測距技術為全球提供無線電衛星導航服務(RNSS),也同時也保留了試驗系統中的有源時間測距技術,即提供無線電衛星測定服務(RDSS),但僅在亞太地區實現。從衛星所起到的功能來區分,可以分成下列兩類:[48]

  • 非靜止軌道衛星:北斗衛星導航系統中地球軌道衛星和傾斜地球同步軌道衛星使用東方紅三號通信衛星平台並略有改進,其有效載荷都為RNSS載荷。[48]
  • 靜止軌道衛星:這類衛星使用改進型東方紅三號平台,其五顆衛星的定點位置為東經58.75°到160°之間,每顆均有3種有效載荷,即用作有源定位的RDSS載荷、用作無源定位的RNSS載荷、用於客戶端間短報文服務的通信載荷。[48]由於此類衛星僅定點在亞太地區上空,故需要用到RDSS載荷的有源定位服務以及用到通訊載荷的短報文服務只能在亞太提供。[49]

北斗衛星導航系統同時使用靜止軌道與非靜止軌道衛星,對於亞太範圍內的區域導航來說,無需藉助中地球軌道衛星,只依靠北斗的地球靜止軌道衛星和傾斜地球同步軌道衛星即可保證服務性能。而數量龐大的中地球軌道衛星,主要服務於全球衛星導航系統。此外,如果傾斜地球同步軌道衛星發生故障,則中地球軌道衛星可以調整軌道予以接替,即作為備份星。[50]

截至2012年發射的北斗系統的衛星設計壽命都是8年,而後續又有數量眾多的中地球軌道衛星需要發射,這些衛星將採用專門的中地球軌道衛星平台,壽命將延長至12年或更多,還會往小型化發展。[28]

衛星製造與發射[編輯]

因為需要一定數量的衛星才能提供質量可靠的導航服務,從衛星的壽命方面考慮,若發射間隔過久,則後續衛星發射時,可能早期的衛星已近退役,所以北斗的衛星需要在短時間發射,中國在3年的時間內共發射了14顆北斗衛星,這是中國首次使用「一次設計,組批生產」的方式對衛星快速批量生產。[23]到2020年時,在2010年前後發射的衛星已經退役,因此在2012到2020年的8年時間裡,中國需要為準備覆蓋全球的北斗衛星導航系統再生產出30多顆衛星。[22]

中國在1981年就成功執行過「一箭多星」,不過此技術一般用於發射一顆大衛星附帶幾顆小衛星,將衛星送入不同的軌道。2012年使用「一箭雙星」發射北斗衛星,是中國首次用一枚火箭發射兩顆相同的大質量衛星,火箭將兩顆衛星送入了同一個軌道面上,其即衛星的運行軌跡相同,其差別在於軌位。[51]

時間系統[編輯]

北斗衛星導航系統的系統時間叫做北斗時,屬於原子時,溯源到中國的協調世界時,與協調世界時的誤差在100奈秒內,起算時間是協調世界時2006年1月1日0時0分0秒。[52]

北斗試驗系統的衛星原子鐘是由瑞士進口,北斗二號的星載原子鐘逐漸開始使用中國太空科工二院203所提供的國產原子鐘。[53]北斗的衛星系統總設計師楊慧在2012年表示,北斗已經開始全部使用國產原子鐘,其性能與進口產品相當。[54]

信號傳輸[編輯]

北斗衛星導航系統使用碼分多址技術,與全球定位系統和伽利略定位系統一致,而不同於格洛納斯系統頻分多址技術。兩者相比,碼分多址有更高的頻譜利用率,在由L波段的頻譜資源非常有限的情況下,選擇碼分多址是更妥當的方式。此外,碼分多址的抗干擾性能,以及與其他衛星導航系統兼容性能更佳。[55]

北斗衛星導航系統的官方宣布,在L波段S波段發送導航信號,在L波段的B1、B2、B3頻點上發送服務信號,包括開放的信號和需要授權的信號。[27]

  • B1頻點:1559.052MHz-1591.788MHz
  • B2頻點:1166.220MHz-1217.370MHz
  • B3頻點:1250.618MHz-1286.423MHz
2007年,在北斗-M1衛星發射後,被檢測到於圖示紅色的波段上發出信號,與伽利略定位系統使用或計劃使用的波段相重合。

國際電信聯盟分配了E1(1590MHz)、E2(1561MHz)、E6(1269MHz)和E5B(1207MHz)四個波段給北斗衛星導航系統,這與伽利略定位系統使用或計劃使用的波段存在重合。然而,根據國際電信聯盟的頻段先佔先得政策,若北斗系統先行使用,即擁有使用相應頻段的優先權。[56]2007年,中國發射了北斗-M1,之後在相應波段上被檢測到信號:1561.098MHz±2.046MHz, 1589.742MHz, 1207.14MHz±12MHz, 1268.52MHz±12MHz,以上波段與伽利略定位系統計劃使用的波段重合,與全球衛星定位系統的L波段也有小部分重合。[57][17]

北斗-M1是一個實驗性的衛星,用於發射信號的測試和驗證,並能以先佔的原則確定對相應頻率的使用權。北斗-M1衛星在E2、E5B、E6頻段進行信號傳輸,傳輸的信號分成2類,分別被稱作「I」和「Q」。「I」的信號具有較短的編碼,可能會被用來作開放服務(民用), 而「Q」部分的編碼更長,且有更強的抗干擾性,可能會被用作需要授權的服務(軍用)。在北斗-M1發射後,法國、美國等工程師即展開了對信號的研究,[58][59]研究者包括在中國引起熱議的高杏欣,她和團隊分析出了北斗-M1衛星的民用碼信道編碼方式並予以公開,但其研究內容與軍用碼的安全問題無關,事實上全球衛星定位系統和伽利略定位系統的民用碼也早已被破解。[60][61][62]

應用[編輯]

北斗衛星導航系統提供定位、導航、授時服務,分為開放服務和授權服務兩種方式。[2]

開放服務[編輯]

任何擁有終端設備的用戶可免費獲得此服務,其精度為:[2][3]

  • 定位精度平面10米、高程10米
  • 測速精度0.2米/秒
  • 授時精度單向50奈秒,開放服務不提供雙向高精度授時

授權服務[編輯]

除了面向全球的免費開放服務外,還有需要獲得授權方可使用的服務,授權又分成不同等級,區分軍用和民用:[27][63]

  • 高精度:北斗衛星導航系統可以提供比開放服務更佳的精確度,需要獲得授權,其具體性能指標未知。
  • 廣域差分:在亞太地區藉助與類似於廣域增強系統的廣域差分技術(廣域增強),根據授權用戶的不同等級,提供更高的定位精度,[64]最高為1米。
  • 信息收發:授權用戶可以北斗衛星導航系統還為提供信息的收發,即短報文服務,這項服務僅限於亞太地區。[49]軍用版容量為120個漢字,民用版49個漢字。

應用狀況[編輯]

截至2012年底,中國有約4萬艘漁船安裝了北斗衛星導航系統的終端,終端向手機發送簡訊為3角人民幣,高峰時每月發送70萬條。同時,中國有10萬輛車已安裝北斗的導航設備。[65]

制約北斗導航民用的最大瓶頸是晶片價格,相對於GPS系統,北斗終端設備的晶片成本較高,若能夠廣泛生產和使用則可降低價格。[65]

注釋[編輯]

  1. ^ 根據近期實際觀測數據進行的推算。高度數值分別為遠地點近地點靜止軌道衛星因相對地球靜止,其經度數值表示衛星在赤道上空的定點位置。各項數值會有細微變化。
  2. ^ 根據近期實際觀測數據進行的推算。
  3. ^ 衛星進入正確軌道,但之後地面未能獲得對衛星的控制,因此無法使用,衛星被遺棄。在近似的地球靜止軌道上持續繞行,於赤道上空每日向東偏移約0.15°。[33][34]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 北斗衛星導航系統英文名稱正式公布. 北斗衛星導航系統網站. 中國衛星導航系統管理辦公室. 2012年12月27日. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 北斗衛星導航系統簡介. 北斗衛星導航系統網站 (中國衛星導航系統管理辦公室). 2010年1月15日. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 北斗衛星導航系統今日正式提供區域服務. 中國新聞網. 2012年12月27日. 
  4. ^ 姜連舉, 楊寶峰. 「北斗」成全球衛星導航系統四大核心供應商之一. 解放軍報. 2012年11月23日. 
  5. ^ 王敏, 程群. 中國導航衛星品牌「北斗導航衛星」研製歷程回顧. 新華網. 2012年12月27日. 
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外部連結[編輯]

參見[編輯]