史徐行

（陜西省西安市第八中學(xué)，西安 710001）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)探究

史徐行

（陜西省西安市第八中學(xué)，西安 710001）

本文從衛(wèi)星導(dǎo)航談起，就我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理和發(fā)展做了簡要介紹，并分析了其相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，最后對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的未來發(fā)展做出了展望。

衛(wèi)星導(dǎo)航；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；三星定位

1 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

從船只到飛機，從汽車到火車，現(xiàn)代交通工具的發(fā)展可謂日新月異，要想安全、快捷地到達(dá)目的地，準(zhǔn)確、及時、便捷的導(dǎo)航系統(tǒng)是必不可少的。導(dǎo)航的種類繁多，如天文導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人們找到了一種理想的導(dǎo)航工具，即利用地球衛(wèi)星進行導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航可以為陸地、海洋、空中和空間的目標(biāo)提供導(dǎo)航定位服務(wù)，且不受氣象條件和航行距離的限制，導(dǎo)航精度比較高，所以被廣泛的運用于現(xiàn)代生產(chǎn)生活之中。

1.1 導(dǎo)航的概念和方法

導(dǎo)航技術(shù)是將用戶從起始點導(dǎo)引到目的地的技術(shù)，其是集定位和導(dǎo)向于一身的高科技技術(shù)。為航行體提供實時的位置信息是導(dǎo)航系統(tǒng)的基本任務(wù)，所以，導(dǎo)航是一種廣義的動態(tài)定位。能夠向航行體的操縱者或控制系統(tǒng)提供航行體的位置、速度、航向等即時運動狀態(tài)的體統(tǒng)稱為導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前廣泛使用的導(dǎo)航方式主要有航標(biāo)方法、航位推算法、天文導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星定位導(dǎo)航。

1.2 航行體對導(dǎo)航系統(tǒng)的要求

導(dǎo)航的基本作用是為運載體航行提供服務(wù)，它所提供的服務(wù)應(yīng)該滿足航行所提出的特定要求?，F(xiàn)代導(dǎo)航不僅要解決航行目的性，更要滿足航行的安全性、服務(wù)連續(xù)性和有效性。一般來說，要衡量一個導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)劣，必須考慮其精度、覆蓋范圍、信息及時率、可用性、可靠性、多值性、導(dǎo)航信息的維數(shù)等。

1.3 導(dǎo)航衛(wèi)星的分類

⊙ 導(dǎo)航衛(wèi)星按導(dǎo)航方法分為多普勒測速導(dǎo)航衛(wèi)星和時間測距導(dǎo)航衛(wèi)星。

⊙ 根據(jù)用戶是否需要向衛(wèi)星發(fā)射信號，分為主動式導(dǎo)航衛(wèi)星和被動式導(dǎo)航衛(wèi)星，例如“子午儀”衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星均屬于被動式導(dǎo)航衛(wèi)星。

⊙ 按照軌道高度還可分為低軌道、中高軌道和地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星。

⊙ 按照用途不同又可分為軍用導(dǎo)航衛(wèi)星和民用導(dǎo)航衛(wèi)星，例如現(xiàn)在我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為軍用衛(wèi)星，日常汽車所用的全球定位系統(tǒng)（GPS）則為民用衛(wèi)星。

⊙ 按照覆蓋區(qū)域分為全球和區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍l(wèi)星。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介

目前，全球范圍內(nèi)美國主導(dǎo)的全球定位系統(tǒng)GPS和俄羅斯主導(dǎo)的GLONASS已經(jīng)成功建立并投入使用，民用和軍用均有涉及。作為超級大國的追趕者，我國和歐盟也在本世紀(jì)初先后開展了自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，而印度也隨后啟動了IRNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的研究工作?？梢?，隨著各國在經(jīng)濟、科技、軍事等各個領(lǐng)域的競爭，衛(wèi)星導(dǎo)航這一尖端技術(shù)也會被越來越多的國家所重視和發(fā)展。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS，中文音譯名稱BeiDou），又被稱為“北斗二號”，是繼北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)（也就是北斗一號）之后我國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)于2004年啟動，并計劃在2020年完成整體系統(tǒng)的構(gòu)建，屆時北斗二號將向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以捕捉其多星座的精確信息，一來可以利用這些豐富的導(dǎo)航信息來提高用戶在導(dǎo)航過程中的精確性、可靠性和功能性，也可以根據(jù)用戶反饋的信息來調(diào)整自身的運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，構(gòu)成一個良性循環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)。中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室負(fù)責(zé)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的調(diào)度、管理和維護相關(guān)工作，確保北斗可以安全穩(wěn)定地為全球使用者提供可靠的定位和導(dǎo)航服務(wù)。

2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究早在上世紀(jì)末就已經(jīng)展開，開始時只是為軍用所考量。隨著美國逐漸強大，蘇聯(lián)解體，東亞局勢也顯得變幻莫測，此時國我國把建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提上日程。而正式建立這一系統(tǒng)是按照三步走的策略執(zhí)行的：

（1）從2000年到2003年，第一步已經(jīng)實現(xiàn)，這幾年我國共計發(fā)射了三顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)應(yīng)運而生，其工作范圍可以覆蓋我國絕大部分的區(qū)域，我國也成為繼美國、俄羅斯之后又一個擁有自主導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，我國的綜合實力得到重要提升。

（2）從2004年到2012年，我國已經(jīng)多次發(fā)射了多顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，進入了密集發(fā)射組網(wǎng)的重要階段，此階段北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)覆蓋亞太的定位、導(dǎo)航、授時和短報文傳輸?shù)榷喙δ艿姆?wù)能力。

（3）第三步到2020左右，再發(fā)射多顆地球同步和非同步衛(wèi)星，建設(shè)成由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星所組成的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，此時北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)具有全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航能力。

3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成

整個北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由空間部分、地面控制部分和用戶部分三大部分所組成的，三部分相互關(guān)聯(lián)、缺一不可。

3.1.1 空間部分

空間部分由是由35顆衛(wèi)星所組成的，第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間部分將在第一代基礎(chǔ)上逐步擴展為具有5顆靜軌道衛(wèi)星、30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的導(dǎo)航星座，其中24顆中高軌道衛(wèi)星設(shè)置在3個軌道平面上，軌道傾角35°，軌道高度21500km，周期為12h55min。靜止軌道衛(wèi)星（GEOS）的5個定點位置分別為東經(jīng)58.75°、80.00°、110.50°、140.00°、160.00°。傾斜同步軌道衛(wèi)星（IGOS）運行于傾角為55度的軌道面上。北斗衛(wèi)星均配備有無線電導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)載荷，其中GEOS還配有無線電定位衛(wèi)星服務(wù)載荷。

3.1.2 地面控制部分

地面控制部分由主控站、注入站和監(jiān)測站組成，各種地面站的功能各不相同。

主控站主要功能是收集和處理本站和各監(jiān)測站的跟蹤測量數(shù)據(jù)，計算衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù)，將預(yù)測的衛(wèi)星距離、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣傳播改正參數(shù)編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站，進而輸送到導(dǎo)航衛(wèi)星。

監(jiān)測站配有精密的銫鐘和偽距測量接收器，主要任務(wù)是為指控站提供衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)。

注入站的主要任務(wù)是將主控站發(fā)送來的導(dǎo)航電文用S波段發(fā)射到相應(yīng)的衛(wèi)星上。如果地面站發(fā)生故障，各衛(wèi)星的導(dǎo)航信息還可以使用一段時間，但導(dǎo)航精度會逐漸降低。

3.1.3 用戶部分

用戶部分主要是各種類型的GPS接收機。接收機通常包含天線單元和接收單元。接收機的主要功能是接收衛(wèi)星發(fā)射的信號并利用本機產(chǎn)生的偽隨機代碼取得激勵觀測值和導(dǎo)航電文。此外，它還根據(jù)導(dǎo)航點電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差修正信息，計算接收機的位置。用戶接收機有許多種類：按照動態(tài)頻率高低可分為低動態(tài)接收機和高動態(tài)接收機；按所使用信號種類和精度可分為單頻粗碼接收機和雙頻精碼接收機；按功能作用可分為測量型、授時型、導(dǎo)航型和姿態(tài)接收型。

3.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位導(dǎo)航原理

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的原理與GPS的原理類似，大概為：定位衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過編碼調(diào)制的電磁波信號，信號中含有衛(wèi)星信號準(zhǔn)確的發(fā)射時間，以及不同時間衛(wèi)星在空間中的準(zhǔn)確位置；衛(wèi)星導(dǎo)航接收器接收到衛(wèi)星的信號之后，測量信號的到達(dá)時間，計算衛(wèi)星和用戶之間的距離；用導(dǎo)航算法（最小二乘法或濾波估計方法）解出用戶的位置。所以，準(zhǔn)確地計算衛(wèi)星的位置、測量衛(wèi)星和用戶之間的距離和解算用戶的位置是北斗系統(tǒng)定位導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。其定位原理如圖1所示。

圖1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理圖

此外，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)還可以準(zhǔn)確地解出用戶的三維速度，其與載波結(jié)合還可以進行高精度定位和姿態(tài)確定問題。

3.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

自從北斗驗證系統(tǒng)開通以來，北斗系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速拓展，用戶機生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，北斗注冊用戶快速增長。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用潛力，除了軍事國防領(lǐng)域，比如公安保衛(wèi)、遇險搶救、巡邏搜索、車載導(dǎo)航、交通管制和各種災(zāi)害的播報等都有著廣泛的應(yīng)用，并且在個人導(dǎo)航、娛樂設(shè)施等方面都有著巨大的用戶量，是我國推動我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的亮點和新的經(jīng)濟增長點，必將帶動我國的高新技術(shù)進入新的時代。

4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的未來展望

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有著不可替代的優(yōu)點，為我國現(xiàn)代化建設(shè)和國防建設(shè)做出了杰出貢獻(xiàn)。但是由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)起步較晚，技術(shù)還不太成熟，在可靠性和穩(wěn)定性方面不及已經(jīng)發(fā)展了幾十年的GPS和GLONASS，而且用戶端優(yōu)化不足，導(dǎo)致用戶流失嚴(yán)重，其發(fā)展也存在嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)要想成為全球先進的導(dǎo)航系統(tǒng)，需要做到以下幾點：首先在頻率兼容方面，要實現(xiàn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和其它導(dǎo)航系統(tǒng)以及奇特電磁波的頻率的兼容，解決頻率資源短缺問題；在建設(shè)控制站方面，未來北斗要克服阻力在全球均勻建站，這也是很難實現(xiàn)的；最后在市場競爭方面，對于已經(jīng)進入市場的GPS系統(tǒng)來說，其霸主地位很難被撼動，這就要看北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能否做出顛覆性的功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的政策法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待進一步完善，管理與服務(wù)觀念有待進一步加強。但是可以預(yù)期，經(jīng)過我國廣大衛(wèi)星導(dǎo)航科技工作者和用戶的共同努力，北斗導(dǎo)航體系和應(yīng)用技術(shù)都有望取得新的突破。

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.015

TN96文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）10-0040-03