北斗卫星导航系统

   北斗卫星导航系统（BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System），是研发的卫星导航系统，包括北斗一号和北斗二号的2代系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统^[1]，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统^[2]。北斗卫星导航系统和美国GPS、俄罗斯格洛纳斯系统、欧盟伽利略定位系统被联合国一起确认称为全球四个卫星导航系统核心供应商^[3]。

北斗一号由三颗北斗定位卫星（两颗工作卫星、一颗备份卫星^{[注 1]}）、地面控制中心为主的地面部分、与北斗用户终端三部分组成。北斗卫星导航定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务。定位精度可达数十纳秒的同步精度，其精度号称GPS相当，唯缺乏原子钟等关键零组件，以现有用户端显示，校准精度为20米，未校准精度100米，^[4]较民用GPS精度为低，故大陆曾于2003年花费2.3亿欧元参与欧盟伽利略定位系统，北斗系统则主要用作军事用途。

 发射时间

北斗一号导航定位卫星的发射时间分别为：

北斗二号导航定位卫星的发射时间分别为：

• 2007年4月14日04时11分，颗北斗导航卫星(M1)从西昌卫星发射中心被“长征三号甲”运载火箭送入太空。
• 2009年4月15日，第二颗北斗导航卫星(G2)由长征三号丙火箭顺利发射，位于地球静止同步轨道。
• 2010年1月17日，西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭发射第三颗北斗导航卫星(G1)。^[5]
• 2010年6月2日夜间，第四颗北斗导航卫星(G3)在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭送入太空预定轨道。^[6]
• 2010年8月1日05时30分，第五颗北斗导航卫星(I1)在西昌卫星发射中心由“长征三号甲”运载火箭送入太空轨道，这是长征系列运载火箭第126次飞行。^[7]
• 2010年11月1日00时26分，第六颗北斗导航卫星(G4)在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭送入太空，这是长征系列运载火箭的第133次飞行。^[8]
• 2010年12月18日04时20分，第七颗北斗导航卫星(I2)在西昌卫星发射中心由“长征三号甲”运载火箭送入太空，这是长征系列运载火箭的第136次飞行，亦是该年的后一次发射。^[9]
• 2011年4月10日04时47分，第八颗北斗导航卫星(I3)在西昌卫星发射中心由“长征三号甲”运载火箭送入太空预定转移轨道。此次发射是长征系列火箭的第137次发射，标志着航天2011年高密度发射拉开序幕，同时也是“十二五”期间的首次航天发射。^[10]
• 2011年7月27日05时44分，第九颗北斗导航卫星(I4)在西昌卫星发射中心由“长征三号甲”运载火箭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。^[11]

 系统构成与工作原理

 卫星

日期	火箭	卫星	轨道	使用状况	系统世代
2000年10月31日	长征三号A	北斗-1A	地球静止轨道 58°E	正常	北斗一号
2000年11月21日	长征三号A	北斗-1B	地球静止轨道 80°E	正常
2003年5月25日	长征三号A	北斗-1C	地球静止轨道 110.5°E	正常，备份星
2007年2月3日	长征三号A	北斗-1D	同步轨道	失效，脱离轨道
2007年4月14日	长征三号A	北斗-M1	中地球轨道 ~21500km	正常，测试星	北斗二号
2009年4月15日	长征三号C	北斗-G2	漂移	失效，脱离轨道
2010年1月17日	长征三号C	北斗-G1	地球静止轨道 140°E	正常
2010年6月2日	长征三号C	北斗-G3	地球静止轨道 84°E	正常
2010年8月1日	长征三号A	北斗-I1	倾斜地球同步轨道 倾角55°	正常
2010年11月1日	长征三号C	北斗-G4	地球静止轨道 160°E	正常
2010年12月18日	长征三号A	北斗-I2	倾斜地球同步轨道 倾角55°	正常
2011年4月10日	长征三号A	北斗-I3	倾斜地球同步轨道 200kmX35991km，倾角55°	正常
2011年7月27日	长征三号A	北斗-I4	倾斜地球同步轨道	正常

 北斗一号卫星导航系统工作原理

北斗一号卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到颗卫星的距离，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，又可知道用户处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。

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。

 北斗一号与GPS系统比较

• 覆盖范围：北斗导航系统是覆盖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(实际上多能观测到11颗)。

• 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°。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°。GPS导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。

• 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。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”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。

• 定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前已由25-100m提高到12m，授时精度目前约20ns。

• 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，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，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，北斗导航系统的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。

• 生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号” 系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

• 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，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，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。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。

 北斗二号和未来发展

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，已发射了七颗北斗导航卫星。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。^[12]

北斗二号是开发的独立的全球卫星地位系统，不是北斗一号的简单延伸，更类似于，GPS全球定位系统和伽利略。

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，提供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10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、授时和通信服务以及系统完好性信息^[13]。

2007年初，北斗二号的颗卫星已经发射。2009年初，第二颗北斗导航卫星发射。2010年初，第三颗北斗导航卫星发射。2010年6月2日，第四颗北斗导航卫星发射。2010年8月1日，第五颗北斗导航卫星发射。2010年11月1日，第六颗北斗导航卫星发射。2010年12月18日，第七颗北斗导航卫星发射。

卫星当中的关键部件，例如：原子钟等，到现在还需要依赖进口。如果不能掌握这些技术，精度提升的范围有限。^[14]