一、北斗系統的定位原理

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35顆(ke)衛(wei)(wei)星在(zai)離(li)地(di)面(mian)2萬多千(qian)米的(de)高(gao)空上，以固定的(de)周期環繞地(di)球運行，使得在(zai)任(ren)(ren)意時刻(ke)，在(zai)地(di)面(mian)上的(de)任(ren)(ren)意一點(dian)都可(ke)以同時觀(guan)測到(dao)4顆(ke)以上的(de)衛(wei)(wei)星。

由(you)于衛(wei)星(xing)的(de)(de)(de)位置(zhi)精(jing)確可(ke)知(zhi)，在接收(shou)機(ji)對衛(wei)星(xing)觀(guan)測(ce)中，我們(men)可(ke)得到(dao)衛(wei)星(xing)到(dao)接收(shou)機(ji)的(de)(de)(de)距離，利用三維坐(zuo)標中的(de)(de)(de)距離公(gong)式，利用3顆衛(wei)星(xing)，就可(ke)以組成3個(ge)方(fang)程式，解(jie)出觀(guan)測(ce)點的(de)(de)(de)位置(zhi)（X，Y，Z）。考慮到(dao)衛(wei)星(xing)的(de)(de)(de)時(shi)鐘(zhong)(zhong)與接收(shou)機(ji)時(shi)鐘(zhong)(zhong)之間的(de)(de)(de)誤差(cha)，實際上有4個(ge)未(wei)知(zhi)數，X、Y、Z和鐘(zhong)(zhong)差(cha)，因而需要引入(ru)第(di)4顆衛(wei)星(xing)，形成4個(ge)方(fang)程式進(jin)行求(qiu)解(jie)，從(cong)而得到(dao)觀(guan)測(ce)點的(de)(de)(de)經緯度和高程。

事實上，接(jie)收機往(wang)往(wang)可以(yi)鎖住4顆(ke)以(yi)上的(de)衛星(xing)(xing)，這時，接(jie)收機可按衛星(xing)(xing)的(de)星(xing)(xing)座分布分成若干組(zu)，每組(zu)4顆(ke)，然后通過(guo)算法(fa)挑選出誤(wu)差最小的(de)一組(zu)用作定位，從而(er)提(ti)高精度(du)。

衛(wei)星(xing)(xing)定(ding)位實施(shi)的是“到達(da)時間差”（時延）的概念：利用每(mei)一顆衛(wei)星(xing)(xing)的精確位置和(he)連續發送的星(xing)(xing)上(shang)原子(zi)鐘生成的導航信息獲得(de)從衛(wei)星(xing)(xing)至接收機的到達(da)時間差。

衛(wei)星在(zai)空中(zhong)連續發送帶(dai)有時(shi)(shi)間和位置信息的(de)無線電信號(hao)，供接(jie)收(shou)(shou)機接(jie)收(shou)(shou)。由于傳輸的(de)距(ju)離因素，接(jie)收(shou)(shou)機接(jie)收(shou)(shou)到(dao)信號(hao)的(de)時(shi)(shi)刻要比衛(wei)星發送信號(hao)的(de)時(shi)(shi)刻延(yan)遲，通(tong)常稱之為時(shi)(shi)延(yan)，因此(ci)，也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)時(shi)(shi)延(yan)來確定距(ju)離。衛(wei)星和接(jie)收(shou)(shou)機同(tong)時(shi)(shi)產生同(tong)樣的(de)偽(wei)隨機碼，一(yi)旦兩個(ge)碼實現時(shi)(shi)間同(tong)步，接(jie)收(shou)(shou)機便能測定時(shi)(shi)延(yan)；將時(shi)(shi)延(yan)乘上光(guang)速，便能得到(dao)距(ju)離。

每顆衛星(xing)上的(de)(de)計算機(ji)和(he)導航信息發生器非常(chang)精(jing)確地(di)了解其(qi)(qi)軌道位(wei)(wei)置和(he)系統(tong)時(shi)間(jian)，而全(quan)球監(jian)測站(zhan)網保持(chi)連續跟蹤衛星(xing)的(de)(de)軌道位(wei)(wei)置和(he)系統(tong)時(shi)間(jian)。位(wei)(wei)于(yu)地(di)面的(de)(de)主控站(zhan)與其(qi)(qi)運控段一起(qi)，至少每天一次對(dui)每顆衛星(xing)注入(ru)校(xiao)正(zheng)數據(ju)(ju)(ju)。注入(ru)數據(ju)(ju)(ju)包括(kuo)：星(xing)座中(zhong)每顆衛星(xing)的(de)(de)軌道位(wei)(wei)置測定和(he)星(xing)上時(shi)鐘的(de)(de)校(xiao)正(zheng)。這些校(xiao)正(zheng)數據(ju)(ju)(ju)是在復(fu)雜模型的(de)(de)基(ji)礎上算出的(de)(de)，可(ke)在幾(ji)個(ge)星(xing)期內保持(chi)有效。

衛星(xing)導(dao)航系統時間是(shi)由(you)每顆衛星(xing)上原子(zi)鐘(zhong)的(de)(de)銫和銣(ru)原子(zi)頻(pin)(pin)標(biao)保(bao)持的(de)(de)。這些星(xing)鐘(zhong)一般來(lai)講精確(que)到世界(jie)協調時（UTC）的(de)(de)幾納(na)秒以內，UTC是(shi)由(you)美國海軍觀象(xiang)臺(tai)(tai)(tai)的(de)(de)“主鐘(zhong)”保(bao)持的(de)(de)，每臺(tai)(tai)(tai)主鐘(zhong)的(de)(de)穩(wen)定性為若干個10^-13秒。衛星(xing)早期采用兩部銫頻(pin)(pin)標(biao)和兩部銣(ru)頻(pin)(pin)標(biao)，后(hou)來(lai)逐(zhu)步(bu)改變為更多地采用銣(ru)頻(pin)(pin)標(biao)。通常，在任一指(zhi)定時間內，每顆衛星(xing)上只有一臺(tai)(tai)(tai)頻(pin)(pin)標(biao)在工作(zuo)。

衛(wei)星導航原理：衛(wei)星至用戶(hu)間(jian)的距離(li)測(ce)量是基于衛(wei)星信(xin)號的發(fa)射時間(jian)與到(dao)達接(jie)(jie)(jie)收(shou)機的時間(jian)之(zhi)差，稱為偽距。為了計算用戶(hu)的三維位置和接(jie)(jie)(jie)收(shou)機時鐘偏(pian)差，偽距測(ce)量要求至少接(jie)(jie)(jie)收(shou)來自4顆(ke)衛(wei)星的信(xin)號。

由于衛(wei)星運行軌道、衛(wei)星時(shi)鐘(zhong)存在誤差(cha)，大氣對流層、電離層對信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)影響(xiang)，使得民用的(de)(de)(de)定位(wei)精(jing)度(du)只有(you)數(shu)十米量級。為提(ti)高(gao)定位(wei)精(jing)度(du)，普遍(bian)采用差(cha)分(fen)(fen)定位(wei)技(ji)術(shu)（如(ru)DGPS、DGNSS），建立地面(mian)基(ji)準(zhun)(zhun)站(zhan)(差(cha)分(fen)(fen)臺)進行衛(wei)星觀(guan)測(ce)，利(li)用已知(zhi)的(de)(de)(de)基(ji)準(zhun)(zhun)站(zhan)精(jing)確坐標(biao)，與觀(guan)測(ce)值進行比(bi)(bi)(bi)較(jiao)，從而得出一(yi)修(xiu)正數(shu)，并對外(wai)發布。接收(shou)機收(shou)到該(gai)修(xiu)正數(shu)后，與自身(shen)的(de)(de)(de)觀(guan)測(ce)值進行比(bi)(bi)(bi)較(jiao)，消去大部分(fen)(fen)誤差(cha)，得到一(yi)個比(bi)(bi)(bi)較(jiao)準(zhun)(zhun)確的(de)(de)(de)位(wei)置。實驗表明，利(li)用差(cha)分(fen)(fen)定位(wei)技(ji)術(shu)，定位(wei)精(jing)度(du)可提(ti)高(gao)到米級。

二、系統功能

（一）四大功能

短報文通信：北斗系統用(yong)戶終端具有(you)雙向報文通信功能，用(yong)戶可(ke)以一次傳(chuan)送40-60個(ge)漢(han)字(zi)的短報文信息。可(ke)以達到一次傳(chuan)送達120個(ge)漢(han)字(zi)的信息。在遠洋(yang)航行中有(you)重要的應用(yong)價值。

精密授(shou)(shou)時：北(bei)斗(dou)系統具(ju)有精密授(shou)(shou)時功能(neng)，可向用(yong)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(zhan)之后為20米（類似差分狀(zhuang)態）。工作頻率：2491.75MHz。

系統容納(na)的最大用戶數：540000戶/小時(shi)。

（二）軍用功能

“北斗(dou)”衛星導航(hang)定位(wei)系統的(de)(de)軍事功能與GPS類似(si)，如：運動目(mu)標(biao)的(de)(de)定位(wei)導航(hang)；為(wei)縮短反應時間的(de)(de)武器載具發射位(wei)置的(de)(de)快速(su)定位(wei)；人員搜救(jiu)、水(shui)上排雷(lei)的(de)(de)定位(wei)需求(qiu)等。

這項功(gong)能用(yong)在軍事(shi)上，意味著可主動進行各(ge)級部隊的定位，也(ye)就是說各(ge)級部隊一旦配備“北(bei)(bei)(bei)斗”衛星導(dao)航(hang)定位系(xi)統，除了可供自身定位導(dao)航(hang)外，高層指揮部也(ye)可隨時(shi)通過“北(bei)(bei)(bei)斗”系(xi)統掌握部隊位置，并(bing)傳遞(di)相關命令，對任務(wu)的執行有相當大的助(zhu)益(yi)。換言之，可利用(yong)“北(bei)(bei)(bei)斗”衛星導(dao)航(hang)定位系(xi)統執行部隊指揮與管制及戰場管理(li)。

（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(zai)衛星導航裝置找到(dao)你要走的路線。

2、氣象應用

北(bei)斗導航衛星(xing)氣(qi)(qi)象應(ying)用的開展(zhan)，可以(yi)促進中(zhong)國天氣(qi)(qi)分析(xi)和(he)數(shu)值天氣(qi)(qi)預報、氣(qi)(qi)候變(bian)化監測和(he)預測，也可以(yi)提高空間天氣(qi)(qi)預警業務水(shui)平，提升中(zhong)國氣(qi)(qi)象防(fang)災(zai)(zai)減(jian)災(zai)(zai)的能力。

除此之外(wai)，北(bei)斗(dou)導(dao)航(hang)衛星(xing)系統的(de)(de)氣象應用對推動北(bei)斗(dou)導(dao)航(hang)衛星(xing)創(chuang)新應用和(he)產業拓展(zhan)也(ye)具(ju)有重要的(de)(de)影響。

3、道路交通管理

衛星導航將有利于減緩交通阻塞，提(ti)升道路(lu)(lu)交通管(guan)理(li)(li)水平。通過在車輛(liang)(liang)上(shang)安裝衛星導航接收機和(he)數據發射機，車輛(liang)(liang)的位(wei)置信息就能在幾(ji)秒鐘內自動轉發到中心站。這些位(wei)置信息可用于道路(lu)(lu)交通管(guan)理(li)(li)。

4、鐵路智能交通

衛星(xing)導(dao)航(hang)將(jiang)促進傳統運(yun)輸方式實現升級與轉型。例如，在鐵路運(yun)輸領域，通過安(an)裝衛星(xing)導(dao)航(hang)終端(duan)設備(bei)，可極大縮(suo)短列車行駛間隔時間，降低運(yun)輸成(cheng)本，有效(xiao)提(ti)高(gao)(gao)運(yun)輸效(xiao)率(lv)。未(wei)來，北斗(dou)衛星(xing)導(dao)航(hang)系統將(jiang)提(ti)供高(gao)(gao)可靠(kao)、高(gao)(gao)精度(du)的(de)定(ding)位、測速、授時服(fu)務(wu)，促進鐵路交(jiao)通的(de)現代(dai)化(hua)，實現傳統調度(du)向智能交(jiao)通管(guan)理(li)的(de)轉型。

5、海運和水運

海(hai)運(yun)和(he)水(shui)運(yun)是全世(shi)界(jie)最(zui)廣泛的(de)運(yun)輸(shu)方式之一，也是衛星(xing)導航(hang)(hang)最(zui)早(zao)應用的(de)領域(yu)之一。在世(shi)界(jie)各大(da)洋和(he)江河湖泊行駛的(de)各類(lei)船(chuan)舶大(da)多都安裝了衛星(xing)導航(hang)(hang)終端設備，使海(hai)上和(he)水(shui)路(lu)運(yun)輸(shu)更為(wei)(wei)高效和(he)安全。北斗衛星(xing)導航(hang)(hang)系統(tong)將在任何天氣條件下，為(wei)(wei)水(shui)上航(hang)(hang)行船(chuan)舶提供(gong)導航(hang)(hang)定位和(he)安全保障(zhang)。同(tong)時，北斗衛星(xing)導航(hang)(hang)系統(tong)特有的(de)短報文通信(xin)功能將支持各種新型服務的(de)開(kai)發(fa)。

6、航空運輸

當飛(fei)機(ji)(ji)在機(ji)(ji)場(chang)跑道著陸時，最基本的(de)(de)要求是確(que)保飛(fei)機(ji)(ji)相互間的(de)(de)安全(quan)(quan)距離。利用衛星導航(hang)(hang)精確(que)定位與測速的(de)(de)優勢，可實時確(que)定飛(fei)機(ji)(ji)的(de)(de)瞬時位置，有效(xiao)(xiao)減小飛(fei)機(ji)(ji)之間的(de)(de)安全(quan)(quan)距離，甚(shen)至在大(da)霧天氣(qi)情況下，可以(yi)實現自動盲(mang)降，極大(da)提(ti)高飛(fei)行安全(quan)(quan)和機(ji)(ji)場(chang)運(yun)營效(xiao)(xiao)率。通過(guo)將北(bei)斗衛星導航(hang)(hang)系統(tong)與其他(ta)系統(tong)的(de)(de)有效(xiao)(xiao)結合，將為航(hang)(hang)空運(yun)輸提(ti)供更多的(de)(de)安全(quan)(quan)保障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用于(yu)沙漠、山區、海洋等人(ren)煙稀少地區的搜(sou)索救援(yuan)。在(zai)發(fa)生地震、洪災(zai)等重(zhong)大災(zai)害時(shi)(shi)，救援(yuan)成功的關(guan)鍵在(zai)于(yu)及時(shi)(shi)了解災(zai)情(qing)并迅(xun)速到達救援(yuan)地點。北斗衛(wei)(wei)星導(dao)(dao)航(hang)系統(tong)除(chu)導(dao)(dao)航(hang)定位外(wai)，還具備短(duan)報(bao)文(wen)通信功能，通過(guo)衛(wei)(wei)星導(dao)(dao)航(hang)終端設備可及時(shi)(shi)報(bao)告所處位置和(he)受(shou)災(zai)情(qing)況，有效縮短(duan)救援(yuan)搜(sou)尋時(shi)(shi)間，提高(gao)搶險救災(zai)時(shi)(shi)效，大大減少人(ren)民生命財產損(sun)失。

8、指導放牧

2014年10月，北斗(dou)系統(tong)開(kai)始在青海省牧(mu)區(qu)試點建設北斗(dou)衛星放(fang)牧(mu)信息化指(zhi)導系統(tong)，主要依靠牧(mu)區(qu)放(fang)牧(mu)智(zhi)能(neng)指(zhi)導系統(tong)管理平臺、牧(mu)民(min)專(zhuan)用北斗(dou)智(zhi)能(neng)終端和牧(mu)場(chang)數(shu)據(ju)(ju)采集自(zi)動站，實現數(shu)據(ju)(ju)信息傳(chuan)輸，并通過北斗(dou)地面站及北斗(dou)星群中轉、中繼處理，實現草場(chang)牧(mu)草、牛羊的動態監控。2015年夏(xia)季，試點牧(mu)區(qu)的牧(mu)民(min)就能(neng)使用專(zhuan)用北斗(dou)智(zhi)能(neng)終端設備(bei)來指(zhi)導放(fang)牧(mu)。