导航工程

北斗导航卫星系统简介

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北斗卫星导航系统

ＢeiDouNaｖigatiｏｎSａtelｌiｔeSystem-＂

BＤS”

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黎丁豪

一、北斗工程发展与现状介绍

（1）发展历史

２007年４月１４日4时11分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，

成功将一颗北斗导航卫星送

←(北斗卫星导航系统示意图)

入太空。约14分钟后，星箭分离。西安卫星测控中心传来

的数据表明,卫星准确进入预定轨道。

２009年4月15日零时１６分，中国在西昌卫星发射中心

用“长征三号丙”运载火箭，成功将第2颗北斗导航卫星送入预

定轨道。

2010年1月１7日0时12分，我国在西昌卫星发射中心用

“长征三号丙”运载火箭，成功将第三颗北斗导航卫星送入预定

轨道，这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步,卫星组网正按计划稳步推进。

据中国卫星导航工程中心负责人介绍,我国正在实施北斗卫星导航系统（CＯＭPASS,中

文音译名称ＢeiDou）建设工作,规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。建

成覆盖全球的北斗卫星导航系统.此前,已成功发射了两颗北斗导航卫星，这一颗卫星为静止

轨道卫星（ＧＥO卫星).按照建设规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚

太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。2020年左右,建成覆盖全球的北斗卫星导航系

统。

2０1０年6月2日晚23时53分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火

箭,将第四颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道。

2０10年8月1日５时3０分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲

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长征三号甲

"运载火箭，成功发射第五颗北斗导航卫星。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO

卫星）,也是中国连续发射的第3颗北斗导航系统组网卫星。此次发射的卫星及其运载火箭

分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。本

次卫星发射也是中国“长征”系列运载火箭第12６次航天飞行.

北京时间２０1０年1１月1日０时２6分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运

载火箭成功将第六颗北斗导航卫星送入太空，这是我国连续发射的第4颗北斗导航系统组网

卫星.在这次发射中,中国卫星导航系统管理办公室首次在运载火箭上使用了北斗卫星导航

系统标志。蓝如何煲鸡汤 色圆形标志包含有北斗七星、司南、网格化地球等元素以及北斗卫星导航系统

的中英文名称,表明北斗系统星地一体，为全球提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服

务的行业特点,展示其开放兼容、走向世界、服务全球的建设宗旨。这是长征系列运载火箭

的第133次飞行.

北京时间20１0年12月１8日4时20分，我国在西昌卫星发射中心使用“长征三号甲”

运载火箭，成功将第７颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。至此,２01０年我国共进行

了１５次成功发射,创历史新高,而这样的发射密度在国际上与美俄相当。

第七颗北斗导航卫星是一颗倾斜地球同步轨道卫星，也是我国连续发射的第5颗北斗

导航系统组网卫星。第七颗北斗导航卫星的成功发射，表明北斗卫星导航系统组网建设正按

计划顺利推进，今后几年将持续进行组网发射。我国自主卫星导航系统建设进入新的发展阶

段。这颗卫星将与２010年发射的5颗导航卫星共同组成“3+3"基本系统(即3颗GEO卫

星加上3颗IGSO卫星)，在轨验证和系统联调后，将具备向我国大部分地区提供初始服务的

条件。这次发射的卫星和火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国

运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第１3７次飞行。

2０11年4月１0日４时4７分,我国在西昌卫星美好的文案 发射中心用“长征三号甲”运载火箭,

成功将第8颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。据了解，这是20１1年北斗导航系统

组网卫星的第一次发射，同时也是我国“十二五”期间的首次航天发射.

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201１年7月2７日5时44分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，

成功将第九颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，这是北斗导航系统组网的第四颗倾斜地

球

同步轨道卫星.这次北斗导航卫星的成功发射,标志着我国北斗区域卫星导航系统建设

又迈出了坚实一步.

北斗卫星导航系统发射现场

2011年1２月2日清晨5时０７分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲"运载火

箭，将中国第十颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。这是中国北斗卫星导航系统组

网的第五颗倾斜地球关于虎的俗语 同步轨道卫星，此次第十颗北斗导航卫星的成功发射,标志着中国北斗

区域卫星导航系统建设又迈出重要一步。次卫星发射是中国“长征”系列运载火箭第１53

次航天飞行。

按照“三步走”的发展战略，我国还将陆续发射多颗组网导航卫星，不断提升系统服

务性能，扩大覆盖区域,完成北斗区域卫星导航系统建设。2020年左右,将建成由30余颗卫

星组成的北斗全球卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务.

201２年2月25日凌晨0时12分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙"运载火

箭，将第十一颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。这是一颗地球静止轨道卫星，也

是中国201２年发射的首颗北斗导航系统组网卫星。这是中国“长征"系列运载火箭第15８

次航天飞行。

201２年4月30日，北京时间凌晨４时50分，中国在西昌卫星用“长征三号乙”运载

火箭将中国第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星顺利送入太空预定地球同步转移轨道。

这是中国北斗卫星导航系统首次采用“一箭双星”方式发射导航卫星,也是中国首次采用

“一箭双星”方式发射两颗地球中高轨道卫星。这是中国“长征”系列运载火箭第160次航

天飞行。

2012年9月１9日3时10分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭,

采用一箭双星方式，成功将第十四颗和第十五颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨

道。这是我国第二次采用一箭双星方式发射北斗导航卫星,也是北斗卫星导航系统组网的第

三次发射.此次北斗导航卫星的成功发射，标志着我国北斗卫星导航系统快速组网,并投入使

用的将会更快地实现,卫星定位技术日臻成熟。

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2０12年10月25日23时３3分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”火箭,成

功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道。这是我国二代北斗导航工程的最后一颗卫星,这是

长征系列运载火箭的第17０次发射。至此，我国北斗导航工程区域组网顺利完成。

201３年10月30日,泰国科技部地理空间技术局、武汉信息技术外包服务与研究中心

联合项目评估委员会项目可行性研究和商业模型新闻发布会在曼谷召开。此次招标发布会由

泰国科技部、武汉信息技术外包服务与研究中心共同举办。招标完成后，灾害预测系统建设

将被列入泰国政府经济发展建设规划，预计在2０14年年初投入实施，主要服务于泰国农业

的灾害预警，此外还辐射泰国交通、电力、环境等领域。此次合作是中国“北斗"第一次在

国外落地使用，北斗卫星导航产业在东南亚国家的推广和应用迈出了一大步。［７］

20１3年１2月2７日，北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周年新闻发布会在国务

院新闻办公室新闻发布厅召开，正式发布了《北斗系统公开服务性能规范（1.0版)》和《北

斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统文件.

(2)北斗卫星现状

中国从二十世纪八十年代初期开始利用国外导航卫星,开展卫星导航定位应用技术开

发工作，并在大地测量、船舶导航、飞机导航、地震监测、地质防灾监测、森林防火灭火和

城市交通管理等许多行业得到了广泛应用.中国在１99２年加入了国际低轨道搜索和营救卫

星组织(CＯＳPAS－SARSＡT），以后还建立了中国任务控制中心，大大提高了船舶、飞机和

车辆遇险报警服务能力.

当前，北斗卫星导航系统建设已进入关键时期，将于２01２年建成覆盖亚太地协议书格式 区的北斗

区域卫星导航系统。ﻫ我国正以“质量、安全、应用、效益”的总要求，坚定不移地按

照“三步走”战略实施北斗卫星导航系统发展计划。第一步，2003年，建成由3颗卫星组

成的北斗卫星导航试验系统；第二步,20１2年左右,将建成由10多颗卫星组成的北斗区域

卫星导航系统；第三步，2０20年,将建成由30多颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统。

2011年４月,第八颗北斗导航卫星成功发射,除部分卫星用于系统试验验证和信号测试

外，已构成“3+3”(3颗GＥＯ卫星加上3颗IGSＯ卫星）基本系统.经在轨测试后，即将具

备向我国大部分地区提供初始服务的条件，北斗卫星导航系统组网计划与应用推广迈出重要

一步,使我国成为继美、俄之后,世界上第三个具备自主无源卫星导航定位能力的国家。今明

两年，还将陆续发射多颗组网卫星，建成北斗区域卫星导航系统,为我国及周边地区提供统

一的时空基准服务.与此同时，北斗应用也将逐步走进各行各业和千家万户。ﻫ为确保北

斗系统实现发展目标，促进北斗应用质量效益，政府将积极推动各项政策举措,推动系统建

设应用又好又快发展。在系统服务方面，北斗系统将按计划建成,为全球用户提供免费、高

质量、高可靠服务，并持续提升性能;在应用产业化方面，将逐步发布北斗公开服务接口控

制文件(ICD）,加大核心芯片等基础产品技术攻关力度，加快推进北斗行业和区域示范项目，

积极推进以北斗为核心的位置服务产业;在关键技术攻关方面，持续推动系统建设与应用技

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术攻关，形成产、学、研、用体系，进一步加强基础学科研究和学术交流;在国际合作方面，

积极参与国际GNSS性能监测研究,推动北斗与其他GＮSS兼容与互操作，逐步融入国际民航、

海事等标准体系。

二、北斗卫星定位的基本原理

北斗卫星定位系统是全球卫星定位系统的一种，他工作的基本原理是测量出已知位置

的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要

达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出.而用户到卫

星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到（由于大气层

电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距(PR）:当北斗卫星行

为系统的卫星正常工作时，会不断地用1和０二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射

导航电文。北斗卫星定位系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的Ｃ/A码和军用的Ｐ（Y）

码。C/A码频率1.023MHｚ，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于3０0ｍ；P码频率10．2

３MHz，重复周期266.4天，码间距0。1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成

的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气

折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来,以50b/ｓ调制在载频上发射的。导航电文

每个主帧中包含5个子帧每帧长６s.前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新

一次。后两帧共15000ｂ.导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、３数据块,

其中最重要的则为星历数据.当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时

钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电

文时所处位置,用户在WＧS－84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见北斗卫星定

位系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星

星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、ｙ、z外，还要引进一个t即卫

星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这４个未知数解出来。所以如果想

知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

工作原理1

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北斗卫星定位系统接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预

报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星

历,精度为几米至几十米（各个卫星不同,随时变化）；以及北斗卫星定位系统信息,如卫

星状况等。

北斗卫星定位系统接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收

机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精

度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右.３

北斗卫星定位系统接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在

载波上的信息去掉后，就可以恢复载波.严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它

是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。

一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值,

但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位

整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精

度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才

能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值

按定位方式，北斗卫星定位系统定位分为单点定位和相对定位(差分定位）.单点定

位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，

可用于车船等的概略导航定位.相对定位(差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据

来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地

测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位.５

在北斗卫星定位系统观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径

效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分

公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测

量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显

差别)，应选用双频接收机。

理论工作模型

1.北斗卫星定位系统的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,

采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置.如图所示，假设t时刻在地面待测点

上安置北斗卫星定位系统接收机，可以测定北斗卫星定位系统信号到达接收机的时间△

ｔ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:

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2.2.上述四个方程式中待测点坐标ｘ、y、z

和Vｔo为未知参数，其中di=c△ｔi（i=１、2、

3、4）。ｄi（i＝1、2、3、4)分别为卫星１、

卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离.△ｔi

(i=1、2、3、4）分别为卫星１、卫星2、卫星3、

卫星4的信号到达接收机所经历的时间。ｃ为GPS

信号的传播速度(即光速)。四个方程式中各个参数意义如下：ｘ、y、z为待测点坐标的

空间直角坐标。xi、yi、zi（ｉ＝1、2、3、4）分别为卫星1、卫星２、卫星3、

卫星４在ｔ时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得.Vti（i=１、2、3、4）分

别为卫星1、卫星2、卫星３、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Ｖto为接收机

的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vｔｏ。

三、北斗导航系统与其他卫星导航系统（如GPS）的区别

卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会和经济效益,对民生和

国防产生深远的影响。发展卫星导航系统已经成为各国争雄的焦点。中国发展北斗卫星导航

系统﹝ＢeiＤｏu(ＣOＭPASS)NaｖigatiｏnSateｌｌiｔeＳｙｓtｅm﹞既满足了本国经济、

军事领域的需求,也为国际用户提供了更多的选择，在一定程度上起到了预防美国全球定位

系统GPＳ﹝GlobalＰositｉonｉngSystem﹞垄断卫星导航市场的作用。

北斗卫星导航系统概述

北斗卫星导航系统是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,系统建设目标是建

成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导

航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在

国民经济社会各行业的广泛应用。系统由空间端、地面端和用户端三部分组成,空间端包括

5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个

地面站,用户端由北斗用户终端以及与美国ＧPＳ、俄罗斯GＬONＡSS、欧洲GALILＥO等其

他卫星导航系统兼容的终端组成。

GＰＳ卫星导航系统概述

全球定位系统ＧＰS是2０世纪7０年代由美国陆海空三军联合研制的空间卫星导航定

位系统，其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用

于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。系统

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由空间部分、地面控制系统、用户设备三部分组成，ＧPS的空间部分是由２4颗工作卫星组

成,地面控制系统由监测站（MonｉtorStation）、主控制站（MａsterMonitｏrStａｔiｏn）、

地面天线(GroundAntenna)所组成，用户设备部分即ＧPS信号接收机.

系统的性能比较

1覆盖范围

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。GＰS是覆盖全球的全天候导航系统,能够确保地球上任何地点、任何时间能同

时观测到6—9颗卫星（实际上最多能观测到１1颗）。

2卫星数量和轨道特性

北斗导航系统是在地球赤道平面上设置２颗地球同步卫星,卫星的赤道角距约60。G

ＰS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55，轨道面赤道角距60。GPS

导航卫星轨道为准同步轨道,绕地球一周11小时5８分。

３定位原理

北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，提供用户三维定

位数据.ＧPS是被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备独立解算自己三维定位数据。北

斗导航系统的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽

性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格

和功耗方面处于不利的地位。

4定位精度

北斗导航系统目前三维定位精度约2５ｍ，授时精度约10０ns,在我国境内部分主要地

区可达到１0m。ＧＰS三维定位精度P码目前己由16ｍ提高到6ｍ,C/Ａ码目前己由25-１0

０m提高到12m，授时精度目前约20ns.

5用户容量

北斗导航系统由于是主动双向测距的询问－－应答系统,用户设备与地球同步卫星之

间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要肖申克的救赎简介 求用户设备向同步卫星发射应答信号,系

统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率,因此用户设

备容量是有限的。ＧＰS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可

进行测距定位，因此ＧPS的用户设备容量是无限的。

6主要区别

北斗导航系统和ＧPS的主要区别在于两个方面,一方面是技术体制的区别,ＧPＳ是一

个接收型的定位系统，只转播信号,用户接收就可以做定位了，不受容量的限制.”北斗一号＂

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是双向的，既有定位又有通信的系统，GPS是美国军方控制的军民共用的系统，对世界开放。

另一方面就是它的用途和特点是不一样的,GPS解决了一个在哪里的定位问题,北斗不仅仅

解决了在哪里，还解决你在这里他在哪里的问题,北斗的用户终端实际上是具有收发功能的,

北斗是一个具有定位和通信双重功能的设备，用户孙悦身高 群上不一样接收的场合也不一样。北斗导

航系统的潜力所在,主要在定位通信综合领域上,对这种综合功能有需求的领域都会得到充

分的应用,现在仅有定位需要的客户，对北斗的需要不迫切。但是对于既需要位置又需要把

位置传递出去的用户,北斗卫星导航定位系统是非常有用的。

总结

中国的北斗卫星导航系统将在２020年左右建成覆盖全球的卫星导航系统，北斗系统将

成为一个生命线工程，其用户的范围也将越来越广,将拓展到国家的电力、金融、通讯等各

个领域,与普通百姓的生活将密切相关,与现在在世界上被广为接受的美国ＧPS卫星导航系

统相比将更具挑战力。