鄭晶茹　鄭萍　馮林剛

摘要：回顧我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史，介紹我國兩代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成、定位過程及服務(wù)內(nèi)容和精度，展現(xiàn)了新一代的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng) 2000國家大地坐標系 北斗時 GNSS

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou（Compass）NavigationSatelliteSystem）是我國自主建設(shè)、獨立運行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2011年12月27日，該系統(tǒng)開始試運行服務(wù)，到2020年左右，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將形成全球覆蓋能力。屆時，該系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)為各類用戶全天候、全天時地提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時和短報文通信服務(wù)，并與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo共同構(gòu)成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，簡稱GNSS）。

1.我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展歷史回顧

1983年，我國開始籌劃衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，1986年初，正式以雙星快速定位通信系統(tǒng)為名開始實施整個計劃，并由北京跟蹤與通信技術(shù)研究所負責(zé)研發(fā)。當(dāng)時我國專家在研究報告中提出多種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的構(gòu)想，但經(jīng)過深入評析，多數(shù)專家認為，利用2顆或3顆位于地球同步軌道的通信衛(wèi)星進行導(dǎo)航定位的方案是比較適合的。因為當(dāng)時我國航天科技實力已具備制造與發(fā)射地球同步軌道通信衛(wèi)星的能力，衛(wèi)星地面跟蹤網(wǎng)也已建立，有相當(dāng)規(guī)模的衛(wèi)星地面控制處理中心，所以可以利用既有的衛(wèi)星資源與地面設(shè)施；另一方面，當(dāng)時我國的經(jīng)濟實力和綜合國力水平有限，若要發(fā)展類似美國GPS的多衛(wèi)星（由24顆衛(wèi)星組成空間星座）導(dǎo)航定位系統(tǒng)，則需要大量投資，當(dāng)時我國尚無此財力。

1986年底我國研發(fā)單位就提出了總體技術(shù)方案和試驗方案，預(yù)計只要3年時間，利用在軌的2顆地球同步軌道衛(wèi)星就可以完成整體演練、導(dǎo)航定位原理驗證和系統(tǒng)實用性檢驗，最終探尋出實現(xiàn)雙星導(dǎo)航定位的技術(shù)途徑。就在我國籌備雙星定位系統(tǒng)期間，一些專家發(fā)現(xiàn)1982年美國已有3名科學(xué)家開始發(fā)展一個利用3顆地球同步軌道衛(wèi)星進行定位的系統(tǒng)，名為GEOSTAR，還獲得了多項專利。但是后來因為性能、精度和穩(wěn)定性更好的GPS全球定位系統(tǒng)發(fā)展迅速，使得GEOSTAR系統(tǒng)的研發(fā)資金被撤走，并于1991年宣告失敗。由于GEOSTAR系統(tǒng)在最后也將三星定位改為雙星定位，因此使用雙星定位的概念是我國最早提出并實現(xiàn)的。

1989年9月5日凌晨5點，我國科研人員在庫爾勒、南寧等地用4個用戶機進行第一次定位演練，結(jié)果證明，利用雙星定位可實現(xiàn)定位、定時和簡短通信三大功能，而且比當(dāng)時GPS的民用碼精度高好幾倍。1994年1月，雙星快速定位通信系統(tǒng)正式命名為“北斗一號雙星定位系統(tǒng)”（現(xiàn)更名為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)），并列為我國“九五計劃”要項，這表明北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)建設(shè)工程正式啟動。雙星快速定位通信系統(tǒng)演練試驗的成功，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。接下來的6年多里，北京跟蹤與通信技術(shù)研究所又完成地面控制中心等應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，建構(gòu)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的完整架構(gòu)。2000年相繼發(fā)射2顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，初步建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，成為世界上繼美國和俄羅斯之后第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家；2003年發(fā)射第3顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，進一步增強了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的性能。

隨著國家經(jīng)濟實力和綜合國力水平不斷提升，按照“先區(qū)域、后全球”的總體思路，我國在第一代的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，于2004年正式啟動新一代的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)。從2007年開始發(fā)射第1顆中園地球軌道衛(wèi)星，到2012年10月25日已完成6顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星（其中2顆在軌備用）和5顆中園地球軌道（MEO）衛(wèi)星的發(fā)射，除去1顆GEO衛(wèi)星在軌維護和1顆MEO衛(wèi)星在軌試驗外，其余14顆衛(wèi)星均為正常工作衛(wèi)星，預(yù)計今年年底或明年年初即具備在我國及周邊地區(qū)的區(qū)域服務(wù)能力。要完全具有全球服務(wù)能力需等到2020年32顆衛(wèi)星全部發(fā)射組網(wǎng)之后才能實現(xiàn)。

2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成。空間星座包括3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星（其中1顆為在軌備用衛(wèi)星），分別定點于東經(jīng)80°、110.5°和140°赤道上空。地面控制部分由地面控制中心和若干標校站組成，地面控制中心主要承擔(dān)衛(wèi)星軌道確定、電離層校正、用戶位置計算以及用戶短報文信息交換等任務(wù)，而標校站則主要對導(dǎo)航衛(wèi)星進行連續(xù)監(jiān)測，并將所獲得的距離觀測量和校正參數(shù)發(fā)送給地面控制中心。用戶終端部分由手持型、車載型和指揮型等不同類型的終端組成，具有發(fā)射定位申請及接收位置坐標和短報文信息等功能。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的工作原理與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不同，其工作過程是地面控制中心不間斷地向2顆工作衛(wèi)星發(fā)送詢問信號，衛(wèi)星接收到詢問信號并經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)用戶播發(fā)，用戶響應(yīng)其中1顆工作衛(wèi)星的詢問信號，同時向2顆工作衛(wèi)星發(fā)送應(yīng)答信號，當(dāng)衛(wèi)星收到用戶響應(yīng)信號后，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送回地面控制中心，地面控制中心在收到用戶響應(yīng)信號后，解調(diào)出用戶申請的服務(wù)內(nèi)容并作出相應(yīng)處理，如果是定位申請，需要利用數(shù)字地圖（用以確定高程）計算出用戶的三維坐標，再將相關(guān)的位置信息或短報文內(nèi)容發(fā)送到工作衛(wèi)星，工作衛(wèi)星在收到地面控制中心發(fā)來的坐標資料或通信內(nèi)容后，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送給用戶。從用戶終端應(yīng)答測距信號到接收到定位結(jié)果，整個定位時間需要大約1秒鐘。

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)已有3顆衛(wèi)星超過設(shè)計壽命，其中2顆已完全退役，1顆仍在軌運行，現(xiàn)在在軌運行的衛(wèi)星數(shù)為2顆，主要為我國及周邊地區(qū)提供定位、單雙向授時和短報文通信服務(wù)，定位精度優(yōu)于20m，授時精度為單向100ns、雙向20ns，短報文通信每次120個漢字。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)具有以下其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢：①導(dǎo)航與通信的集成可實現(xiàn)多用戶信息共享和信息交換，增強了導(dǎo)航和搜索救援的能力；②可提供單雙向授時服務(wù)；③采用碼分多址技術(shù)，抗干擾能力大大優(yōu)于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，由于該系統(tǒng)的用戶終端需要與衛(wèi)星之間頻繁通信，容易暴露用戶的位置，所以不利于在軍事上使用。其次，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)采用的是主動式雙向測距二維導(dǎo)航，從用戶終端應(yīng)答測距信號到接收到定位結(jié)果，整個定位時間大約需要1秒，這樣的時間延遲勢必導(dǎo)致高速移動平臺的定位誤差相應(yīng)增大，所以在高速移動的平臺上也不適合使用。另外，由于該系統(tǒng)是主動雙向測距的詢問——應(yīng)答系統(tǒng)，用戶終端除了要接收由地面控制中心發(fā)給衛(wèi)星的詢問信號，還要向衛(wèi)星發(fā)送應(yīng)答信號，所以整個系統(tǒng)在同一時間服務(wù)用戶的數(shù)量會受到用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應(yīng)頻率等條件的限制，也就是說，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的用戶設(shè)備容量是有限的，每秒鐘只能容納150個用戶，因此北斗試驗系統(tǒng)也不適合大規(guī)模的應(yīng)用。

3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段（空間星座）、地面段（地面控制）和用戶段（用戶終端）三大部分組成?？臻g段包括5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和30顆非地球靜止軌道（Non-GEO）衛(wèi)星。地球靜止軌道衛(wèi)星分別位于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°赤道上空。非地球靜止軌道衛(wèi)星由24顆中圓軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成，其中，中圓軌道高度21，500km，軌道傾角55°，24顆衛(wèi)星均勻分布在3個軌道面上，傾斜地球同步軌道高度36，000km，軌道傾角55°，3顆衛(wèi)星分別分布在3個傾斜同步軌道面上，3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星星下點軌跡重合，交叉點經(jīng)度為東經(jīng)118°，相位差120°（北斗工作衛(wèi)星星座如圖1所示）。地面段由主控站、注入站和監(jiān)測站組成。主控站是導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在地面信息處理和運行控制的中心，其主要任務(wù)是收集各個監(jiān)測站采集的衛(wèi)星信號、觀測數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)，進行時間同步與衛(wèi)星時鐘偏差預(yù)報、衛(wèi)星精密軌道確定與星歷參數(shù)生成、廣域差分改正值計算、電離層模型參數(shù)計算以及系統(tǒng)完好性計算等處理，并實現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度、全系統(tǒng)運行管理與控制等。主控站的主要功能包括建立系統(tǒng)的時間和空間基準，生成導(dǎo)航電文，監(jiān)測衛(wèi)星鐘等有效載荷，實現(xiàn)對其調(diào)整和控制；分析衛(wèi)星星座性能，支持衛(wèi)星的軌道維持。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般有一個主控站即可滿足要求，但基于安全等方面的考慮，也可有備份的主控站。我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主控站位于北京。監(jiān)測站是對空間段衛(wèi)星實施監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)的衛(wèi)星信號接收站。根據(jù)任務(wù)的不同，可分為時間同步與軌道確定監(jiān)測站和完好性監(jiān)測站。監(jiān)測站的主要任務(wù)是跟蹤監(jiān)測導(dǎo)航衛(wèi)星信號，接收導(dǎo)航衛(wèi)星電文，測量監(jiān)測站相對導(dǎo)航衛(wèi)星的偽距、載波相位和多普勒等觀測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測站周圍的氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理后發(fā)送給主控站，作為衛(wèi)星定軌、時間同步、廣域差分和完好性監(jiān)測的依據(jù)。為實現(xiàn)高精度和強實時性，要求監(jiān)測站盡可能全球均勻分布，以實現(xiàn)對導(dǎo)航衛(wèi)星的全弧段跟蹤。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的監(jiān)測站均位于國內(nèi)，到2020年將擴展到全球。注入站是指向在軌運行的導(dǎo)航衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和控制指令的地面無線電發(fā)射站，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面運行控制的重要組成部分。注入站接收主控站送來的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星控制指令，在主控站的控制下，經(jīng)射頻鏈路上行發(fā)送給進入注入站視野的導(dǎo)航衛(wèi)星。導(dǎo)航電文通常包括預(yù)報的衛(wèi)星軌道參數(shù)（即衛(wèi)星星歷表）、衛(wèi)星時鐘偏差參數(shù)以及軌道和鐘差的改正參數(shù)等。衛(wèi)星控制指令通常包括有效載荷控制指令和衛(wèi)星平臺控制指令。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有3個注入站，分別位于北京、喀什和三亞，其中北京站與主控站并址。用戶段包括各類北斗系統(tǒng)用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端，主要為用戶提供實時導(dǎo)航、定位、測速和授時信息，同時又兼具有位置報告和短報文通信功能。今后，用戶終端產(chǎn)品必然由單一定位模式向雙模式、三模式和四模式集成的方向發(fā)展，因為多模式相對單一定位模式而言，可利用的衛(wèi)星數(shù)更多（四星系統(tǒng)共有120多顆衛(wèi)星，可同步觀測到20—30顆衛(wèi)星），其定位的精度更好，可靠性更高。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：①北斗導(dǎo)航衛(wèi)星軌道采用混合軌道，任何時間、任何地點都可以保證有更多的可見衛(wèi)星，而且還有更長的可跟蹤時間，所以，導(dǎo)航定位就可以得到更高的精度；②與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增加了短報文通信功能，一次可傳送多達120個漢字的信息，可實現(xiàn)用戶與用戶之間的信息交換和共享，在搜索救援、災(zāi)害應(yīng)急管理及部隊指揮調(diào)度等方面，應(yīng)用潛力巨大；③北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備與GPS、GLONASS和GALILEO的兼容和互操作能力，北斗多模用戶機可以接收北斗、GPS、GLONASS和GALILEO的信號，并能實現(xiàn)多系統(tǒng)下的定位，精度和可靠性更高。

4.應(yīng)用前景

作為我國第一代的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，雖然以試驗研究為目的，但在南方冰凍災(zāi)害、四川汶川和青海玉樹抗震救災(zāi)、北京奧運會及上海世博會等許多場合發(fā)揮了非常重要的作用。而目前仍在建設(shè)中的新一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在各級政府主導(dǎo)、相關(guān)部門積極參與下，必將擁有廣闊的發(fā)展前景，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)U展到社會生產(chǎn)和百姓生活的許多方面。

（1）為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、旅游、氣象、石油、海洋、國土資源、交通運輸、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報、抗災(zāi)救災(zāi)和公共安全等提供高效的導(dǎo)航定位服務(wù)。

（2）為金融、通信和電力調(diào)度等提供高精度的授時服務(wù)。

（3）為郵政、旅游和探險等提供短報文通信服務(wù)。

（4）為人員、車輛和船舶等遇險報警及救援提供短報文通信和位置報告服務(wù)。

（5）為物流網(wǎng)提供定位、跟蹤和監(jiān)控服務(wù)。

（6）為航運船舶進出港口和民航飛機進場導(dǎo)引等米級精度要求的用戶提供更高精度的廣域差分和完好性服務(wù)。

（7）利用兩臺以上精密測量型接收機同時觀測北斗衛(wèi)星發(fā)射的B1、B2和B3信號進行相對定位和RTK測量，為基礎(chǔ)測繪、工程勘察、城市建設(shè)、國土規(guī)劃及精密工程等提供厘米級甚至毫米級精度的控制點，測繪大比例尺地形圖和地籍圖，建立大地控制網(wǎng)和地殼形變監(jiān)測網(wǎng)等。

目前，在交通、民航、通信、海洋、氣象、公安、金融、電力、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、民政減災(zāi)、國土資源、旅游和探險等行業(yè)率先啟動和開展了北斗系統(tǒng)應(yīng)用示范項目，其中有一些項目已經(jīng)取得了階段性成果，在相關(guān)行業(yè)和部門得到了具體應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

總之，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為GNSS的新成員，已被全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)委員會（ICG）確定為GNSS的四大核心供應(yīng)商之一。隨著北斗系統(tǒng)區(qū)域服務(wù)能力的進一步提升和2020年全球服務(wù)的全面實現(xiàn)，其應(yīng)用必將展現(xiàn)更加廣闊而美好的前景。