北斗导航卫星

基本解释

　　北斗导航卫星-简介

　　北斗卫星导航系统(英文简称“COMPASS”，中文音译名称“BD”或“Beidou”)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。该系统主要服务国民经济建设，旨在为中国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及国家安全等诸多领域提供高效的导航定位服务。

　　北斗导航卫星-系统组成

　　北斗导航卫星应用战略图

　　北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号的2代系统。

　　北斗卫星导航系统由空间段，地面段，用户段三部分组成。

　　空间段包括五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星。地球静止轨道卫星分别位于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗同步轨道卫星组成。

　　地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。

　　主控站主要任务是收集各个监测站段观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。

　　注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。

　　监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星段跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。

　　用户段包括北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统采用卫星无线电测定(RDSS)与卫星无线电导航(RNSS)集成体制，既能像GPS、GLONASS、GALILEO系统一样，为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告以及短报文通信功能。

　　北斗导航卫星-导航信息

　　系统在L、S频段发播导航信号，L频段B1、B2和B3三个频点上发射开放和授权服务信号

　　空间段构成

　　B1：1559.052MHz-1591.788MHz

　　B2：1166.22MHz-1217.37MHz

　　B3：1250.618MHz-1286.423MHz

　　北斗导航卫星-系统服务

　　北斗系统将提供开放服务和授权服务两种服务。

　　试验系统

　　开放服务是为全球用户免费提供开放、稳定、可靠段基本定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/米，授时精度20纳秒。

　　授权服务是为全球用户提供更高性能的定位、导航和授时服务，以及为亚太地区提供广域差分和短报文通信服务，广域差分定位精度为1米。

　　服务方式 服务区域 服务指标

　　开放 全球 定位精度10米

　　授权 区域 更高性能

　　差分 区域定位精度1米

　　短报文 区域 120个汉字

　　北斗导航卫星-建设目标

　　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。

　　北斗导航卫星-发展历程

　　卫星导航定位技术，是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种新兴技术。与传统的导航定位技术相比，卫星导航定位技术具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点，已成为人类活动中普遍采用的一种主要导航定位技术。美国和俄罗斯相继在上世纪末期，建成了全球卫星导航系统GPS和GLONASS(格罗纳斯)，欧盟目前正在进行GALILEO(伽利略)系统建设，印度也大有奋起直追的潜能。为了建立独立自主的中国卫星导航定位系统，1994年国家批准北斗卫星导航系统研制建设任务，2000年10月31日和2000年12月21日分别发射一颗试验导航卫星，从而初步建成“北斗导航”卫星双星导航定位系统，标志着我国卫星导航技术取得突破性进展，我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

　　二代示意图

　　北斗一号：区域覆盖的导航能力

　　使用2颗卫星组建导航系统是美国吉奥星公司率先提出的，但美国和欧洲的公司在这方面的研制均遭遇挫折，而中国却首先实现了这项卫星导航定位的创新工程。其基本原理是采用三球交会测量，利用两颗位置已知的地球同步轨道卫星为两球心，两球心至用户的距离为半径作两球面，另一球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离为半径的球面，三个球面的交会点就是用户位置。这种导航定位方式与GPS、GLONESS所采用的被动式导航定位相比，虽然在覆盖范围、定位精度、容纳用户数量等方面存在明显的不足，但其成本低廉，系统组建周期短，同时可将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起，使系统不仅可全天候、全天时提供区域性有源导航定位，还能进行双向数字报文通信和精密授时。另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户能知道自己的测定位置，而且其调度指挥或其他有关单位也可掌握用户所在位置，因此特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等，而在救灾行动中起作用显现尤为明显。

　　“北斗一号”导航卫星选用东方红三号卫星平台，总重约2300公斤，卫星设计使用寿命8年。卫星采用三轴稳定方式，由有效载荷(转发器、天线)、电源、测控、姿态和轨道控制、推进、热控、结构等分系统组成;卫星本体为2000mm×1720mm ×2200 mm的立方体箱形结构，分为服务舱、推进舱和载荷舱。

　　2000年10月31日，“北斗导航”卫星01星发射，11月6日成功定点于140°E;2000年12月21日，“北斗导航”卫星02星发射，12月26日成功定点于80°E 。两颗卫星顺利完成在轨性能测试，性能参数满足研制任务要求，利用两颗卫星构成了双星导航定位系统，为用户提供导航定位服务。2003年5月25日，“北斗导航”卫星03星发射，6月3日成功定点于110.5°E，它将作为备份星使用。2007年2月3日成功发射的北斗导航试验卫星04星，是接替01星继续服务的。也就是说，北斗双星导航定位系统由2颗静止轨道导航试验卫星和1颗在轨备份星以及地面控制中心站(有2副天线)和“北斗”用户终端三部分组成。

　　已经投入运行的“北斗一号”试验卫星导航系统主要能为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，可在中国及周边地区为单兵、车辆、舰船和飞机等用户提供精度为20～100米的定位服务，通过它一次可传送多达120个汉字的信息，其授时精度可达20纳秒。

　　“北斗一号”导航卫星双星导航定位系统的建立，“快、好、省”的迈出了我国卫星导航系统重要的一步。该系统将导航定位、双向通信和精密授时结合在一起，为公路交通、铁路运输、海上作业、森林防为、灾害预报以及其他特殊行业提供高精度定位、授时和短报文通信等服务，取得了较好的应用成效。

　　2008年5月12日，四川汶川地震发生后，道路中断，通信中断，震中附近的重灾区失去了与外界的一切通信联系，中国卫星导航定位应用管理中心紧急调拨上千台“北斗”用户机配备一线救援部队。在此次救援活动中，“北斗一号”试验卫星导航系统所具有的覆盖范围广受地面影响小、定位报告及时等优势得到了充分发挥，成为救援指挥部和前方救援人员最有力的通信助手，最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的最有效利用。这也是我国第一代北斗导航卫星成功应用的典范!

　　北斗二号：具备全球导航能力

　　中国开建卫星导航系统

　　35颗北斗定位九州方圆2007年4月14日，我国成功发射了第二代第1颗北斗导航卫星。2009年4月15日，又成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。中国卫星导航工程中心负责人介绍，这次发射的北斗导航卫星(COMPASS-G2)，是中国北斗卫星导航系统建设计划中的前二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。这两颗卫星的成功发射，对于北斗卫星导航系统建设具有十分重要的意义。目前“北斗二号”卫星组网首批实用卫星发射已进入倒计时阶段，在今年和明年两年我们要发射10颗左右的导航卫星，计划2015年建成一个由三十几颗卫星组成的全球导航定位系统。目前我国的各种导航定位设备都要靠美国的GPS系统提供服务，“北斗二号”系统建成后，将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖，并且中国导航卫星也从此开始具备全球导航定位能力。

　　“北斗二号”导航定位系统是通过测量卫星至用户的信号传播延迟，利用测距原理实现导航定位。通过3颗卫星测距，得到用户至卫星的距离，确定两维位置;再通过增加第4颗卫星的测量，可以计算三维位置和时间。该系统的空间段由分布在不同轨道多颗卫星组成，它们构成导航星座。该系统采用的卫星是一种全新的卫星，采用了很多新技术。自首颗卫星发射成功以来，就开始了在轨测试和新技术试验验证等工作。通过首颗二代导航卫星的发射、在轨测试和在轨试验，验证了卫星各种新技术，有力推进了导航卫星系统的建设。

　　“北斗二号”是我国开发的独立的全球卫星地位系统，不是“北斗一号”功能的简单延伸，更类似于GPS全球定位系统和伽利略系统。第二代北斗导航定位卫星飞行在高度为21500千米的中圆轨道运行，这两颗不再以“试验”冠名的北斗导航卫星顺利升空，标志着中国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的实际应用发展建设阶段。我国将在未来几年里陆续发射系列北斗导航卫星，计划2009年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，2011年前满足亚洲地区的导航服务，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。这个系统将主要用于国家经济建设，为交通运输、气象、石油、海洋、森林、通信、公安等部门以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。

　　正在建设的“北斗二号”卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，它们是无源导航卫星，不同于第一代的有源导航，这可以为需要导航的用户带来极大的安全。该卫星提供两种服务方式，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、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务。

　　目前我国卫星导航定位的应用范围和行业不断扩展，全国卫星导航应用市场规模以每两年翻一番的速度快速增长。近年来，我国卫星导航定位业务发展很快，“北斗”卫星导航系统的用户已突破30万户，直接产值达35亿元，占中国导航定位产业的20%左右，由它带动的相关产业将达数百亿元。我国正出台政策加快“北斗二号”卫星导航系统的建设，制定“北斗二号”卫星导航系统民用应用政策，促进“北斗二号”卫星导航系统的产业化应用，鼓励其他行业和领域采用“北斗”卫星导航兼容其他卫星导航系统的服务体制。目前我国及周边国家主要依靠美国的GPS系统来进行导航定位服务，而随着中国“北斗二号”系统的建成，将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖，也将逐步拥有大批的海外固定应用客户，并带动一大批国内高技术产业，形成新的经济增长点，甚至直接拉动我国航太技术的进步。

　　北斗导航卫星-建设原则

　　三步走计划

　　北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：

　　开放性

　　北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。

　　自主性

　　中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。

　　兼容性

　　在全球卫星导航系统国际委员会(ICG)和国际电联(ITU)框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。

　　渐进性

　　中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。[3]

　　北斗导航卫星-工作原理

　　一代

　　“北斗一号”卫星能定位出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

　　“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，其定位精度为水平精度 100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。

　　二代

　　第二代北斗卫星导航系统的基本工作原理是：空间段卫星接收地面运控系统上行注入的导航电文及参数，并且连续向地面用户发播卫星导航信号，用户接收到至少4颗卫星信号后，进行伪距测量和定位解算，最后得到定位结果。同时为了保持地面运控系统各站之间时间同步，以及地面站与卫星之间时间同步，通过站间和星地时间比对观测与处理完成地面站间和卫星与地面站间时间同步。分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行监测，采集各类观测数据后将其发送至主控站，由主控站完成卫星轨道精密确定及其它导航参数的确定、广域差分信息和完好性信息处理，形成上行注入的导航电文及参数。

　　北斗导航卫星-对比GPS

　　1，覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。

　　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颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS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°。

　　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，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航

　　4，实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。

　　北斗导航卫星-意义

　　卫星导航定位的应用范围和行业不断扩展，全国卫星导航应用市场规模以每两年翻一番的速度快速增长。卫星导航定位技术已广泛应用于交通运输、基础测绘、工程勘测、资源调查、地震监测、气象探测和海洋勘测等领域。

　　北斗卫星导航系统的建成，可促进我国自主卫星导航事业的发展，体现国家综合实力，使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖，打破美国GPS的垄断，并带动一大批高技术产业，形成新的经济增长点。北斗导航系统的应用具有广泛的应用潜力。比如公安保卫、遇险抢救、海岸缉私、巡逻搜索、囚车与运钞车监控、环境数据收集、各种灾害的预报与监测、交通管制、远距离输电以及个人旅游、娱乐等诸多方面都有着广大的潜在用户。套用一句形容GPS的话就是：北斗卫星导航系统的应用前景“仅受限于人们的想象力”。随着系统建设的不断发展，很多潜在的应用必将被发掘出来，北斗卫星导航系统必将会得到越来越广泛的应用，从而产生巨大的社会和经济效益。

　　北斗导航卫星-功用

　　北斗导航卫星定位原理图

　　北斗的主要用途有四个方面：

　　1、 导航与通信的集成增强了导航能力和搜索救援能力,可实现用户信息共享和信息交换;

　　2.、多系统兼容服务，可以实现公开服务相互兼容，必要时提供多系统监测信息和差分改正信息;

　　3.、提供双向授时授权服务;

　　4、 以双向伪距时间同步方法摆脱卫星时间同步与精密轨道之间的依赖关系。

　　短报文通信：一次可传送多达120个汉字的讯息。

　　精密授时：精度达10纳秒。

　　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：2491.75MHz。

　　系统容量：每小时540000户。

　　北斗导航卫星-缺点 1、需要用户终端向卫星发射信号，不利于隐蔽;

　　2、定位计算依赖地面数据中心;

　　3、用户总数受限于系统的用户总容量。

　　北斗导航卫星-优点 1、有源导航的同时可以进行卫星数据通讯;

　　2、成本低，只需要发射两颗卫星即可组成可用的定位系统;

　　3、该导航系统完全独立，不依赖其他国家的卫星资源，自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。

　　北斗导航卫星-应用前景

　　北斗导航卫星的战略应用

　　北斗系统原有设计是一个封闭式系统，这样就限制了民用用户的扩展使用。在北斗导航定位卫星升空之初，北斗星通公司凭借在卫星导航定位技术方面多年来的积累和对北斗导航系统的深刻理解，提出了“北斗一号”信息服务系统的立项申请。2001年，立项通过评审。2002年底，他们完成了系统的研制并通过了由多位院士组成的专家委员会的验收评审。“北斗运营服务平台”的作用就是在北斗导航定位卫星系统和集团用户之间架起一座桥梁，使北斗系统具备了大规模应用的基本条件。北斗星通公司也因此成为国内首家获得授权的北斗导航定位系统运营服务商。

　　目前，他们研制的系统已成功用于陕西省防汛雨量监测速报，海南省渔船监控、青藏铁路机车监控与管理等项目也正在进行中。随着“北斗”系列卫星导航定位系统的推广应用和中国正在着力研究开发的下一代卫星导航定位系统(CNSS)未来的诞生，中国一定会成为世界的卫星导航定位强国。

　　中国国北斗卫星导航系统的建设、发展和应用，将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务。我国将积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展;中国国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务;在全球卫星导航系统国际委员会(ICG)和国际电联(ITU)框架下，中国国将使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果;中国还将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。

　　北斗导航卫星-实验卫星

　　2010年1月17日0时12分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号”运载火箭成功发射第三颗北斗导航卫星。

　　中国自2000年以来陆续发射了6颗“北斗导航试验卫星”，建成了北斗导航试验系统。在2008年的汶川大地震中，这个系统发挥了重要的作用。中国已建成的北斗导航试验系统，在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域发挥着重要作用。

　　北斗导航卫星-卫星系统标识

　　中国卫星导航系统管理办公室在2010年11月1日的发射中首次在运载火箭上使用了北斗卫星导航系统标志。蓝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。

　　北斗导航卫星-发射时间表

　　2010年11月1日1日零时26分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

　　北斗一号导航定位卫星的发射时间分别为：

　　2000年 10月31日 ，西昌卫星发射中心 成功发射北斗导航试验卫星北斗-1A。

　　2000年 12月21日 ，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1B。

　　2003年 5月25日 ，西昌卫星发射中心成功发射北斗备用卫星北斗-1C。

　　2007年 2月3日 ，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1D。

　　北斗二号导航定位卫星的发射时间分别为：

　　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(二代)送入太空。发射的北斗导航卫星(COMPASS-M1)，是中国北斗导航系统(COMPASS)建设计划的一颗卫星，飞行在高度为21500千米的中圆轨道。这颗卫星的发射成功，标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。这次发射的卫星和用于发射的“长征三号甲”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。这是长征系列运载火箭的第97次飞行。

　　2009年4月15日15日零时16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2颗北斗导航卫星送入预定轨道。这次发射的北斗导航卫星(COMPASS-G2)，是中国北斗卫星导航系统(COMPASS，中文音译名称BeiDou)建设计划中的第二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。这颗卫星的成功发射，对于北斗卫星导航系统建设具有十分重要的意义。这次发射的卫星和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。这是长征系列运载火箭的第116次飞行。

　　2010年1月17日0时12分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭成功发射第三颗北斗导航卫星。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。这次发射的卫星和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。这是长征系列运载火箭的第122次飞行。

　　2010年6月2日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，成功将第四颗北斗导航卫星送入太空预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统组网建设又迈出重要一步。这次发射的卫星和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。这是长征系列运载火箭的第124次飞行。

　　2010年8月1日5时30分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功发射第五颗北斗导航卫星，并将卫星送入太空预定转移轨道。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星，是中国2010年连续发射的第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。该次卫星发射也是中国“长征”系列运载火箭第126次航天飞行。

　　2010年11月1日零时26分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第六颗北斗导航卫星成功送入太空。这是2010年发射的第四颗北斗系统组网卫星。北斗系统是全球卫星导航第四大供应商，按照“三步走”的发展战略，北斗卫星导航系统将于2012年前具备亚太地区区域服务能力;2020年左右，具备覆盖全球的服务能力。