北斗系統的導航原理 導航系統的功能和應用

一、北斗系統的定位原理

35顆衛星在離地面2萬多千米的高空上，以固定的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。

由于衛星的位置精確可知，在接收機對衛星觀測中，我們可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X，Y，Z）。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

衛星定位實施的是“到達時間差”（時延）的概念：利用每一顆衛星的精確位置和連續發送的星上原子鐘生成的導航信息獲得從衛星至接收機的到達時間差。

衛星在空中連續發送帶有時間和位置信息的無線電信號，供接收機接收。由于傳輸的距離因素，接收機接收到信號的時刻要比衛星發送信號的時刻延遲，通常稱之為時延，因此，也可以通過時延來確定距離。衛星和接收機同時產生同樣的偽隨機碼，一旦兩個碼實現時間同步，接收機便能測定時延；將時延乘上光速，便能得到距離。

每顆衛星上的計算機和導航信息發生器非常精確地了解其軌道位置和系統時間，而全球監測站網保持連續跟蹤衛星的軌道位置和系統時間。位于地面的主控站與其運控段一起，至少每天一次對每顆衛星注入校正數據。注入數據包括：星座中每顆衛星的軌道位置測定和星上時鐘的校正。這些校正數據是在復雜模型的基礎上算出的，可在幾個星期內保持有效。

衛星導航系統時間是由每顆衛星上原子鐘的銫和銣原子頻標保持的。這些星鐘一般來講精確到世界協調時（UTC）的幾納秒以內，UTC是由美國海軍觀象臺的“主鐘”保持的，每臺主鐘的穩定性為若干個10^-13秒。衛星早期采用兩部銫頻標和兩部銣頻標，后來逐步改變為更多地采用銣頻標。通常，在任一指定時間內，每顆衛星上只有一臺頻標在工作。

衛星導航原理：衛星至用戶間的距離測量是基于衛星信號的發射時間與到達接收機的時間之差，稱為偽距。為了計算用戶的三維位置和接收機時鐘偏差，偽距測量要求至少接收來自4顆衛星的信號。

由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，使得民用的定位精度只有數十米量級。為提高定位精度，普遍采用差分定位技術（如DGPS、DGNSS），建立地面基準站(差分臺)進行衛星觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并對外發布。接收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分定位技術，定位精度可提高到米級。

二、系統功能

（一）四大功能

短報文通信：北斗系統用戶終端具有雙向報文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息。可以達到一次傳送達120個漢字的信息。在遠洋航行中有重要的應用價值。

精密授時：北斗系統具有精密授時功能，可向用戶提供20ns-100ns時間同步精度。

定位精度：水平精度100米（1σ），設立標校站之后為20米（類似差分狀態）。工作頻率：2491.75MHz。

系統容納的最大用戶數：540000戶/小時。

（二）軍用功能

“北斗”衛星導航定位系統的軍事功能與GPS類似，如：運動目標的定位導航；為縮短反應時間的武器載具發射位置的快速定位；人員搜救、水上排雷的定位需求等。

這項功能用在軍事上，意味著可主動進行各級部隊的定位，也就是說各級部隊一旦配備“北斗”衛星導航定位系統，除了可供自身定位導航外，高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統掌握部隊位置，并傳遞相關命令，對任務的執行有相當大的助益。換言之，可利用“北斗”衛星導航定位系統執行部隊指揮與管制及戰場管理。

（三）民用功能

1、個人位置服務

當你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛星導航接收芯片的手機或車載衛星導航裝置找到你要走的路線。

2、氣象應用

北斗導航衛星氣象應用的開展，可以促進中國天氣分析和數值天氣預報、氣候變化監測和預測，也可以提高空間天氣預警業務水平，提升中國氣象防災減災的能力。

除此之外，北斗導航衛星系統的氣象應用對推動北斗導航衛星創新應用和產業拓展也具有重要的影響。

3、道路交通管理

衛星導航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車輛上安裝衛星導航接收機和數據發射機，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內自動轉發到中心站。這些位置信息可用于道路交通管理。

4、鐵路智能交通

衛星導航將促進傳統運輸方式實現升級與轉型。例如，在鐵路運輸領域，通過安裝衛星導航終端設備，可極大縮短列車行駛間隔時間，降低運輸成本，有效提高運輸效率。未來，北斗衛星導航系統將提供高可靠、高精度的定位、測速、授時服務，促進鐵路交通的現代化，實現傳統調度向智能交通管理的轉型。

5、海運和水運

海運和水運是全世界最廣泛的運輸方式之一，也是衛星導航最早應用的領域之一。在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛星導航終端設備，使海上和水路運輸更為高效和安全。北斗衛星導航系統將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導航定位和安全保障。同時，北斗衛星導航系統特有的短報文通信功能將支持各種新型服務的開發。

6、航空運輸

當飛機在機場跑道著陸時，最基本的要求是確保飛機相互間的安全距離。利用衛星導航精確定位與測速的優勢，可實時確定飛機的瞬時位置，有效減小飛機之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實現自動盲降，極大提高飛行安全和機場運營效率。通過將北斗衛星導航系統與其他系統的有效結合，將為航空運輸提供更多的安全保障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用于沙漠、山區、海洋等人煙稀少地區的搜索救援。在發生地震、洪災等重大災害時，救援成功的關鍵在于及時了解災情并迅速到達救援地點。北斗衛星導航系統除導航定位外，還具備短報文通信功能，通過衛星導航終端設備可及時報告所處位置和受災情況，有效縮短救援搜尋時間，提高搶險救災時效，大大減少人民生命財產損失。

8、指導放牧

2014年10月，北斗系統開始在青海省牧區試點建設北斗衛星放牧信息化指導系統，主要依靠牧區放牧智能指導系統管理平臺、牧民專用北斗智能終端和牧場數據采集自動站，實現數據信息傳輸，并通過北斗地面站及北斗星群中轉、中繼處理，實現草場牧草、牛羊的動態監控。2015年夏季，試點牧區的牧民就能使用專用北斗智能終端設備來指導放牧。