北斗卫星导航系统常识简介
北斗卫星导航系统常识简介
一、北斗卫星导航系统现状
中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度米/秒，授时精度10纳秒。
北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星（又称24小时轨道，指轨道平面与赤道平面重合，卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期，且方向亦与之一致，即卫星与地面的位置相对保持不变，故这种轨道又称为静止卫星轨道。一般用作通讯、气象等方面）和30颗非静止轨道卫星组成，2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，截止2016年10月已成功发射16颗北斗导航卫星。
2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之
后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。
北斗产业应用前景广阔，预计到2020年，仅北斗卫星导航市场将达到年产值4000亿元人民币，年复合增长率达到40%以上。”中国科学院院士、中国工程院院士、著名测量与遥感学家李德仁介绍说
二、卫星定位原理
北斗卫星导航系统35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫
星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
卫星定位实施的是“到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。
卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，通常称之为时延，因此，也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速，便能得到距离。
每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间，而全球监测站网保持连续跟踪。[13]
三、卫星导航原理
卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差，称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用的定位精度只有数十米量级。为提高定位精度，普遍采用差分定位技术（如DGPS、DGNSS），建立地面基准站 (差分台)
进行卫星观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分定位技术，定位精度可提高到米级。
四、定位精度
中国北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略之后的全球第四大卫星导航系统。定位效果分析是导航系统性能评估的重要内容。此前，由于受地域限制，对北斗全球大范围的定位效果分析只能通过仿真手段。
由武汉大学测绘学院和中国南极测绘研究中心杜玉军、王泽民等科研人员进行的这项研究，在2011—2012年中国第28次南极科学考察期间，沿途大范围采集了北斗和GPS连续实测数据，跨度北至中国天津，南至南极内陆昆仑站。同时还采集了中国南极中山站的静态观测数据。为对比分析不同区域静态定位效果，在武汉也进行了静态观测。科研人员利用严谨的分析研究方法，从信噪比、多路径、可见卫星数、精度因子、定位精度等多个方面，对比分析了北斗和GPS在航线上不同区域、尤其是在远洋及南极地区不同运动状态下的定位效果。
结果表明，北斗系统信号质量总体上与GPS相当。在45度以内的中低纬地区，北斗动态定位精度与GPS相当，水平和高程方向分别可
达10米和20米左右；北斗静态定位水平方向精度为米级，也与GPS 相当，高程方向10米左右，较GPS略差；在中高纬度地区，由于北斗可见卫星数较少、卫星分布较差，定位精度较差或无法定位。
“现阶段的北斗已经实现区域定位，但还不具备全球定位能力，北斗与GPS在定位效果上的差异，主要是由卫星数量和分布造成的。”武汉大学中国南极测绘研究中心副主任王泽民教授说（研究数据采集时北斗系统在轨卫星数为11颗）。
五、系统功能
1、短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。可以达到一次传送达120个汉字的信息。在远洋航行中有重要的应用价值。
2、精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供
20ns-100ns时间同步精度。
3、定位精度：水平精度100米（1σ），设立标校站之后为20米（类似差分状态）。工作频率：。
4、系统容纳的最大用户数：540000户/小时。
产业配套
北斗芯片
2012年12月27日，国家正式宣布北斗卫星导航系统试运行启动，标志着中国自主卫星导航产业发展进入崭新的发展阶段。其中，卫星导航专用ASIC硬件结合国产应用处理器的方案，成为北斗卫星导航芯片一项重大突破。该处理器由中国本土IC设计公司研发，具有完全自主知识产权并已实现规模应用，一举打破了电子终端产品行业普遍采用国外处理器局面。
卫星导航终端中采用的导航基带及射频芯片，是技术含量及附加值最高的环节，直接影响到整个产业的发展。在导航基带中，一般通过导航专用ASIC硬件电路结合应用处理器的方案来实现。此前的应用处理器多选用国外公司ARM处理器芯片核，需向国外支付IP核使用许可费用的同时，技术还受制于人，无法彻底解决产业安全及保密安全问题。
而通过设立重大专项应用推广与产业化项目等方式，北斗多模导航基带及射频芯片国产化现已实现，中国人自己的应用处理器也在北斗多模导航芯片中得到规模应用。
BD/GPS多模基带芯片解决方案中，卫星导航专用ASIC硬件结合国产应用处理器打造出了一颗真正意义的“中国芯”。该应用处理器为国内完全自主开发的CPU/DSP核，包括指令集、编译器等软件工具链以及所有关键技术，均拥有100%的中国自主知识产权。其拥有国际领先水平的多线程处理器架构，可共享很多硬件资源，并在提供相当多核处理器处理能力的同时，节省芯片成本。
而基于该国产处理器卫星导航芯片方案的模块，是全球体积最小的BD/GPS双模模块，具有定位精度高、启动时间快及功耗低等特点。
与单纯的北斗芯片厂商相比，手机芯片厂商对终端定位有着更深刻的理解，包括：基站辅助卫星定位技术、多种定位方案的融合、定位芯片与应用处理器或基带处理器的集成等。积极扶持国内手机芯片厂商进入北斗芯片研发领域，并积极研发综合定位解决方案，壮大完善北斗产业链。鼓励国内手机芯片厂商开展与北斗芯片厂商的多样化合作，共同推进手机终端北斗定位技术的应用。[15]
检测认证
2012年8月3日，解放军总参谋部与国家认证认可监督管理委员会在北京举行战略合作协议签约仪式。中国将用3年时间建立起一个“法规配套、标准统一、布局合理、军民结合”的“北斗”导航检测认证体系，以期全面提升“北斗”导航定位产品的核心竞争力，确保“北斗”导航系统运行安全。
北斗导航系统
“北斗”导航定位系统已经有11颗卫星在轨运行，拥有12万军民用户。到2020年前，“北斗”导航定位系统卫星数量将达到30颗以上，导航定位范围也将由区域拓展到全球，其设计性能将与美国第三代GPS导航定位系统相当。
随着“北斗”导航定位系统的建设发展，“北斗”导航应用即将迎来“规模化、社会化、产业化、国际化”的重大历史机遇，也提出了新的要求。按照军地双方签署的协议，中国将在2015年前完成“北斗”导航产品标准、民用服务资质等法规体系建设，形成权威、统一的标准体系。同时在北京建设1个国家级检测中心，在全国按区域建设7个区域级授权检测中心，加快推动“北斗”导航检测认证进入国家认证认可体系，相关检测标准进入国家标准系列。
建立起“北斗”导航检测认证体系，既是“北斗”系统坚持军民融合式发展的具体举措，也对创建“北斗”品牌，加速推进“北斗”
产品的产业化、标准化起到重要作用。
市场应用
国际应用
2013年5月22日至23日，国务院总理李克强访问巴基斯坦期间，中巴双方签署有关北斗系统在巴使用的合作协议。日前，巴基斯坦媒
体报道，中国北京北斗星通导航技术股份有限公司将斥资数千万美元，在巴基斯坦建立地面站网，强化北斗系统的定位精确度。
其次，全国政协副主席、中国科学技术部部长万钢日前透露，2013年将中国在东盟各国合作建设北斗系统地面站网。而根据中国卫星导航定位协会最新预测数据，到2015年，中国卫星导航与位置服务产业产值将超过2250亿元，至2020年则将超过4000亿元。
2014年7月26日，来自泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝、朝鲜、巴基斯坦等八个国家的19名学员代表赴武汉中国光谷北斗基地，参观学习中国最新的北斗技术。他们是由中国科技部国家遥感中心主办的“2014北斗技术与应用国际培训班”的学员，均为各国卫星导航、遥感、地理信息系统、空间探测相关专业或从事相关管理工作的高级人员。活动为东盟及亚洲地区国家提供了以北斗卫星导航系统为主的空间信息技术培训，使中国北斗科技加快进入东盟及亚洲国家。[16]
国内示范
2014年11月，国家发展改革委批复2014年北斗卫星导航产业区域重大应用示范发展专项，成都市、绵阳市等入选国家首批北斗卫星导航产业区域重大应用示范城市。[17]
标准制订
北斗接收机国际通用数据标准的制修订是北斗全球应用和产业发展的基础性工作之一，与卫星导航接收机密切相关的RTCM差分系列标准、RINEX接收机交换数据格式、NMEA接收机导航定位数据接口等通用数据标准几乎是世界上所有卫星导航接收机都必须遵守的通用
标准。然而，全球有多个全球卫星导航系统（GNSS）接收设备技术标准制定组织，参与其中的中国企业和机构却寥寥无几。例如，成立于1947年的国际海事无线电技术委员会（RTCM）目前有130多个成员，却只有2家中国企业成员。成立于1957年的美国国家海洋电子协会（NMEA），535个成员中只有1家中国企业成员。对于正式提供服务近两年的北斗系统而言，参与国际标准的建设任重而道远。[18] 全国北斗卫星导航标准化技术委员会于2014年成立，15项北斗应用基础标准正在制定中，部分关键标准计划在今年底对外发布。届时，北斗系统将完成北斗产业链中标准规范关键环节的布局，北斗应用也将进入标准化、规范化以及通用化的快车道。[18] 在国际方面，在中国民航局、交通部海事局、工信部科技司等部门指导下，依托中国航天标准化研究所、北京航空航天大学、交通部水运科学研究院、工信部电信研究院、武汉导航与位置服务工业技术研究院等科研院所，先后启动了北斗系统进入国际民航、海事、移动通信、接收机通用数据标准等国际标准工作。经过各方协作和配合，北斗国际标准工作捷报频传。国际民航组织（ICAO）同意北斗系统逐步进入ICAO标准框架；国际海事组织（IMO）批准发布了《船载北斗
接收机设备性能标准》，实现了北斗国际标准的‘零’突破，完成了北斗系统作为全球无线电导航系统(WWRNS)重要组成部分的技术认可工作，有望在今年底成为第三个被IMO认可的WWRNS；第三代移动通信标准化伙伴项目(3GPP)支持北斗定位业务的技术标准已获得通过。北斗已经开启了走向国际民航、国际海事、国际移动通信等高端应用领域的破冰之旅。[18]
2014年9月8日至9日，国际海事无线电技术委员会第104专业委员会（RTCM SC-104）全体会议在美国佛罗里达州坦帕市会议中心召开，来自Trimble、Novatel、Geo++、USCG（美国海岸警卫队）等全球20多个GNSS高精度知名企业（机构）和重要用户单位的30多位专家代表与会。武汉导航与位置服务工业技术研究院和上海司南卫星导航技术有限公司组团参加，圆满完成各项既定任务。[18] RTCM SC-104主要负责差分全球卫星导航系统（DGNSS）系列推荐标准的制修订，以及参与接收机自主交换格式（RINEX）、接收机导航定位数据输出接口协议（NMEA-0183）等国际通用数据标准的制修订工作。该委员会由全球从事卫星导航设备生产、技术研发、系统服务的知名企业机构成员组成，下设GLONASS 、Galileo、RINEX、NMEA、BDS等工作组。武汉导航院为BDS工作组主席单位，北斗专项应用推广与产业化专家组专家韩绍伟博士任BDS工作组主席。[18] 会上，武汉导航院韩绍伟博士代表BDS工作组，向委员会全体会议汇报了对BDS NH码的处理方法，澄清了对NH码实现过程中因符号
规则理解差异造成的差分解算失效、接收机无法兼容等问题，给出了解决方案并获得委员会一致通过。该问题的解决打消了国际社会对BDS高精度可靠应用的疑虑，对促进北斗高精度全球应用具有重要作用。另外，韩绍伟博士代表BDS工作组就BDS导航电文数据组识别符的研究进展向委员会全体会议进行了汇报，对其组成、产生、判别方法等进行了探讨，该识别符是BDS实现可靠实时差分应用的重要因素，也是北斗进入RTCM差分标准的关键参数。BDS工作组将就该问题继续与有关各方深入合作，寻求最终解决方案。[18] 最后，BDS工作组提议2015年5月11-12日在中国西安召开RTCM SC104全体会议，并邀请专家参加2015年5月13-15日在中国西安召开的第六届中国卫星导航学术年会（CSNC2015），该提议获得委员会成员的通过。这是中国首次获得RTCM SC104全体会议主办权，标志着以中国企业为主体推动北斗加入 RTCM 、RINEX、NMEA等国际通用数据标准工作得到国际认可，显示了国际社会对北斗高精度全球应用的期待和信心，必将有助于加速北斗进入系列国际通用数据标准工作。[18]
星座构成
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°、80°、°、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，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了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）。