一、北斗系統的定位原理

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35顆衛(wei)星(xing)在(zai)離(li)地(di)面2萬多千(qian)米的(de)(de)高空上(shang)，以(yi)固定(ding)的(de)(de)周(zhou)期環繞地(di)球(qiu)運行，使(shi)得(de)在(zai)任意時(shi)刻，在(zai)地(di)面上(shang)的(de)(de)任意一(yi)點都可以(yi)同時(shi)觀測到4顆以(yi)上(shang)的(de)(de)衛(wei)星(xing)。

由于衛(wei)星的(de)(de)位(wei)置精確可知(zhi)，在接收機對衛(wei)星觀測中，我(wo)們(men)可得(de)到(dao)(dao)衛(wei)星到(dao)(dao)接收機的(de)(de)距(ju)離(li)，利用(yong)三(san)維(wei)坐標(biao)中的(de)(de)距(ju)離(li)公式(shi)，利用(yong)3顆(ke)衛(wei)星，就可以(yi)組成3個(ge)方(fang)程(cheng)式(shi)，解出(chu)觀測點的(de)(de)位(wei)置（X，Y，Z）。考慮(lv)到(dao)(dao)衛(wei)星的(de)(de)時(shi)鐘(zhong)(zhong)與接收機時(shi)鐘(zhong)(zhong)之間的(de)(de)誤差，實際上有4個(ge)未知(zhi)數，X、Y、Z和鐘(zhong)(zhong)差，因而需要引入第4顆(ke)衛(wei)星，形(xing)成4個(ge)方(fang)程(cheng)式(shi)進(jin)行(xing)求解，從而得(de)到(dao)(dao)觀測點的(de)(de)經緯度和高程(cheng)。

事實上，接(jie)收機往往可以(yi)鎖住4顆(ke)以(yi)上的衛(wei)星(xing)(xing)，這時，接(jie)收機可按(an)衛(wei)星(xing)(xing)的星(xing)(xing)座分布分成若干(gan)組，每(mei)組4顆(ke)，然后通過算(suan)法挑選出誤差最小(xiao)的一組用作定位(wei)，從而提高精度。

衛星定(ding)位(wei)實施(shi)的(de)是“到(dao)達時間差”（時延）的(de)概念：利(li)用(yong)每(mei)一顆衛星的(de)精(jing)確位(wei)置和連續發送的(de)星上原子鐘生成的(de)導航信息獲得從衛星至接收機的(de)到(dao)達時間差。

衛(wei)(wei)星在空(kong)中(zhong)連續發(fa)送帶有時(shi)間和位(wei)置信息的(de)無線電信號，供(gong)接(jie)(jie)收機(ji)接(jie)(jie)收。由于傳輸(shu)的(de)距離(li)(li)(li)因(yin)素，接(jie)(jie)收機(ji)接(jie)(jie)收到(dao)信號的(de)時(shi)刻要比(bi)衛(wei)(wei)星發(fa)送信號的(de)時(shi)刻延(yan)(yan)遲，通(tong)常稱之為時(shi)延(yan)(yan)，因(yin)此，也(ye)可以通(tong)過時(shi)延(yan)(yan)來確定距離(li)(li)(li)。衛(wei)(wei)星和接(jie)(jie)收機(ji)同(tong)時(shi)產生同(tong)樣的(de)偽隨機(ji)碼，一旦兩個碼實現時(shi)間同(tong)步，接(jie)(jie)收機(ji)便能測定時(shi)延(yan)(yan)；將時(shi)延(yan)(yan)乘上光(guang)速，便能得到(dao)距離(li)(li)(li)。

每顆衛(wei)(wei)星(xing)上(shang)的(de)計算機和(he)導(dao)航信息發(fa)生(sheng)器非常精確地(di)了解其軌(gui)道(dao)位置和(he)系統時間(jian)，而全球監測站(zhan)網(wang)保持連續跟(gen)蹤(zong)衛(wei)(wei)星(xing)的(de)軌(gui)道(dao)位置和(he)系統時間(jian)。位于地(di)面的(de)主控(kong)站(zhan)與其運(yun)控(kong)段一起，至少(shao)每天一次對每顆衛(wei)(wei)星(xing)注(zhu)入(ru)校正數據(ju)(ju)。注(zhu)入(ru)數據(ju)(ju)包括：星(xing)座中每顆衛(wei)(wei)星(xing)的(de)軌(gui)道(dao)位置測定和(he)星(xing)上(shang)時鐘的(de)校正。這些校正數據(ju)(ju)是在復雜模型的(de)基(ji)礎上(shang)算出的(de)，可在幾個星(xing)期內保持有效。

衛星(xing)導航(hang)系統(tong)時(shi)間是由每顆衛星(xing)上(shang)原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)(zhong)的(de)銫和銣(ru)原(yuan)(yuan)子頻(pin)(pin)標(biao)(biao)保(bao)持的(de)。這(zhe)些星(xing)鐘(zhong)(zhong)一(yi)般來講精(jing)確到世界協調時(shi)（UTC）的(de)幾納秒(miao)以內，UTC是由美國海軍觀(guan)象臺(tai)的(de)“主鐘(zhong)(zhong)”保(bao)持的(de)，每臺(tai)主鐘(zhong)(zhong)的(de)穩定(ding)性(xing)為(wei)若干個10^-13秒(miao)。衛星(xing)早期采用兩部銫頻(pin)(pin)標(biao)(biao)和兩部銣(ru)頻(pin)(pin)標(biao)(biao)，后來逐步改(gai)變為(wei)更(geng)多(duo)地采用銣(ru)頻(pin)(pin)標(biao)(biao)。通(tong)常，在任一(yi)指(zhi)定(ding)時(shi)間內，每顆衛星(xing)上(shang)只有一(yi)臺(tai)頻(pin)(pin)標(biao)(biao)在工作。

衛(wei)(wei)星(xing)(xing)導航原(yuan)理：衛(wei)(wei)星(xing)(xing)至用(yong)戶間的距(ju)離測(ce)量是基于衛(wei)(wei)星(xing)(xing)信(xin)號(hao)的發射時間與到達(da)接收機的時間之(zhi)差，稱為偽距(ju)。為了計算用(yong)戶的三維位置和接收機時鐘偏差，偽距(ju)測(ce)量要求至少(shao)接收來自4顆(ke)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)的信(xin)號(hao)。

由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對(dui)流(liu)層、電離層對(dui)信號(hao)的(de)(de)影響，使得(de)民用的(de)(de)定位(wei)(wei)精(jing)度只有數十米(mi)量級(ji)。為提高(gao)定位(wei)(wei)精(jing)度，普遍采用差分定位(wei)(wei)技術（如DGPS、DGNSS），建立地面基(ji)準站(差分臺)進(jin)行衛星觀(guan)測(ce)，利用已知的(de)(de)基(ji)準站精(jing)確坐標(biao)，與觀(guan)測(ce)值進(jin)行比(bi)較(jiao)，從而(er)得(de)出一(yi)修正(zheng)數，并對(dui)外發布。接收機收到該修正(zheng)數后，與自身的(de)(de)觀(guan)測(ce)值進(jin)行比(bi)較(jiao)，消去大部(bu)分誤差，得(de)到一(yi)個比(bi)較(jiao)準確的(de)(de)位(wei)(wei)置。實驗表明，利用差分定位(wei)(wei)技術，定位(wei)(wei)精(jing)度可提高(gao)到米(mi)級(ji)。

二、系統功能

（一）四大功能

短(duan)報(bao)文(wen)通(tong)信(xin)：北斗系統用(yong)戶終端具有(you)雙向(xiang)報(bao)文(wen)通(tong)信(xin)功能，用(yong)戶可(ke)以一次(ci)傳(chuan)送40-60個(ge)漢字(zi)的(de)短(duan)報(bao)文(wen)信(xin)息(xi)。可(ke)以達(da)到一次(ci)傳(chuan)送達(da)120個(ge)漢字(zi)的(de)信(xin)息(xi)。在遠洋(yang)航行中(zhong)有(you)重(zhong)要的(de)應用(yong)價值(zhi)。

精密授時(shi)：北斗系統具有(you)精密授時(shi)功(gong)能，可向用戶提供(gong)20ns-100ns時(shi)間同步精度(du)。

定位精度：水平精度100米(mi)（1σ），設立標校(xiao)站(zhan)之后為20米(mi)（類(lei)似差分狀態）。工作(zuo)頻率(lv)：2491.75MHz。

系(xi)統容納的最(zui)大用(yong)戶數：540000戶/小時。

（二）軍用功能

“北斗(dou)”衛星導航定(ding)位(wei)系(xi)統(tong)的(de)軍事功(gong)能與GPS類似，如：運動目標(biao)的(de)定(ding)位(wei)導航；為縮(suo)短反應時間的(de)武器(qi)載具發射位(wei)置的(de)快速定(ding)位(wei)；人員搜救、水上排雷(lei)的(de)定(ding)位(wei)需求等。

這(zhe)項功(gong)能用在軍事上(shang)，意味著可(ke)主動進(jin)行各級(ji)部(bu)(bu)隊(dui)的(de)(de)定位(wei)(wei)，也(ye)就是說各級(ji)部(bu)(bu)隊(dui)一(yi)旦配備“北斗”衛(wei)星導(dao)(dao)航(hang)定位(wei)(wei)系(xi)統，除了可(ke)供自身定位(wei)(wei)導(dao)(dao)航(hang)外，高層指揮部(bu)(bu)也(ye)可(ke)隨(sui)時通過(guo)“北斗”系(xi)統掌握部(bu)(bu)隊(dui)位(wei)(wei)置，并傳遞相(xiang)關命令，對任務的(de)(de)執行有相(xiang)當大的(de)(de)助益。換言(yan)之，可(ke)利用“北斗”衛(wei)星導(dao)(dao)航(hang)定位(wei)(wei)系(xi)統執行部(bu)(bu)隊(dui)指揮與管(guan)制(zhi)及戰場管(guan)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(jie)收芯片的手機或車(che)載衛星導航裝(zhuang)置找到你要(yao)走的路線。

2、氣象應用

北斗導航衛星(xing)氣象應用(yong)的開展，可(ke)以促進(jin)中國天氣分析和數值天氣預(yu)報(bao)、氣候變化(hua)監(jian)測和預(yu)測，也(ye)可(ke)以提高空間天氣預(yu)警業務水平，提升(sheng)中國氣象防災減災的能力。

除此之外，北(bei)斗導航(hang)(hang)衛(wei)星系(xi)統的氣(qi)象應(ying)用(yong)(yong)對(dui)推動北(bei)斗導航(hang)(hang)衛(wei)星創新應(ying)用(yong)(yong)和產(chan)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(jiao)通(tong)阻塞，提升道(dao)路交(jiao)通(tong)管理(li)水(shui)平。通(tong)過在車輛上安裝(zhuang)衛星導航接收機和數據發射機，車輛的位置(zhi)信息就(jiu)能在幾秒鐘內自(zi)動轉(zhuan)發到(dao)中心站。這些位置(zhi)信息可用于道(dao)路交(jiao)通(tong)管理(li)。

4、鐵路智能交通

衛星(xing)導(dao)航(hang)將促進(jin)傳統(tong)(tong)運(yun)輸(shu)方式實現升級與轉型。例如(ru)，在鐵路(lu)運(yun)輸(shu)領域，通(tong)過安裝衛星(xing)導(dao)航(hang)終(zhong)端設備(bei)，可(ke)極大縮短列車行駛間隔時(shi)間，降低運(yun)輸(shu)成本，有效(xiao)提(ti)高(gao)運(yun)輸(shu)效(xiao)率。未來，北斗衛星(xing)導(dao)航(hang)系統(tong)(tong)將提(ti)供高(gao)可(ke)靠、高(gao)精度的(de)定位、測速(su)、授時(shi)服務，促進(jin)鐵路(lu)交(jiao)通(tong)的(de)現代化(hua)，實現傳統(tong)(tong)調度向(xiang)智能交(jiao)通(tong)管理的(de)轉型。

5、海運和水運

海(hai)運(yun)和水(shui)(shui)運(yun)是全(quan)世界最廣泛的運(yun)輸方式之一(yi)，也是衛(wei)星(xing)導航最早應用的領域之一(yi)。在世界各大洋和江(jiang)河湖泊行駛(shi)的各類船舶大多都(dou)安裝了衛(wei)星(xing)導航終端設備，使海(hai)上和水(shui)(shui)路(lu)運(yun)輸更(geng)為高(gao)效(xiao)和安全(quan)。北斗(dou)衛(wei)星(xing)導航系統將在任何(he)天氣條件(jian)下(xia)，為水(shui)(shui)上航行船舶提供導航定位和安全(quan)保障(zhang)。同(tong)時，北斗(dou)衛(wei)星(xing)導航系統特有的短報(bao)文通(tong)信(xin)功能(neng)將支持各種新型服務的開發。

6、航空運輸

當飛機(ji)(ji)(ji)在機(ji)(ji)(ji)場跑(pao)道著陸時(shi)，最基本的(de)(de)要求是(shi)確保(bao)(bao)飛機(ji)(ji)(ji)相互間的(de)(de)安(an)(an)全(quan)距離(li)。利用衛星導(dao)航(hang)(hang)精(jing)確定位(wei)與(yu)(yu)測速的(de)(de)優勢(shi)，可實(shi)時(shi)確定飛機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)瞬時(shi)位(wei)置，有(you)效減小飛機(ji)(ji)(ji)之(zhi)間的(de)(de)安(an)(an)全(quan)距離(li)，甚至(zhi)在大(da)霧天氣情況下，可以實(shi)現自動盲降(jiang)，極(ji)大(da)提高飛行安(an)(an)全(quan)和機(ji)(ji)(ji)場運營(ying)效率(lv)。通過(guo)將北(bei)斗(dou)衛星導(dao)航(hang)(hang)系統與(yu)(yu)其(qi)他系統的(de)(de)有(you)效結合(he)，將為航(hang)(hang)空(kong)運輸提供更(geng)多(duo)的(de)(de)安(an)(an)全(quan)保(bao)(bao)障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用于沙(sha)漠、山區(qu)、海洋(yang)等人(ren)煙稀(xi)少(shao)地區(qu)的搜索救(jiu)援(yuan)(yuan)。在發生(sheng)地震、洪災(zai)(zai)(zai)等重大(da)(da)災(zai)(zai)(zai)害時，救(jiu)援(yuan)(yuan)成(cheng)功(gong)的關鍵在于及時了解災(zai)(zai)(zai)情并迅速(su)到達救(jiu)援(yuan)(yuan)地點。北斗(dou)衛(wei)星導航系(xi)統除導航定位外，還(huan)具(ju)備短(duan)報(bao)文通信功(gong)能，通過衛(wei)星導航終端(duan)設備可及時報(bao)告所(suo)處位置和(he)受災(zai)(zai)(zai)情況(kuang)，有(you)效縮短(duan)救(jiu)援(yuan)(yuan)搜尋時間，提(ti)高搶(qiang)險救(jiu)災(zai)(zai)(zai)時效，大(da)(da)大(da)(da)減少(shao)人(ren)民生(sheng)命(ming)財產損失。

8、指導放牧

2014年(nian)10月，北(bei)(bei)斗(dou)系統(tong)開始在青海(hai)省牧(mu)(mu)區試點建(jian)設北(bei)(bei)斗(dou)衛星放牧(mu)(mu)信息(xi)化指(zhi)導系統(tong)，主要依靠牧(mu)(mu)區放牧(mu)(mu)智能(neng)(neng)指(zhi)導系統(tong)管理平(ping)臺、牧(mu)(mu)民(min)專用北(bei)(bei)斗(dou)智能(neng)(neng)終(zhong)端(duan)和牧(mu)(mu)場數據采集(ji)自動站，實現數據信息(xi)傳(chuan)輸(shu)，并(bing)通(tong)過北(bei)(bei)斗(dou)地面站及北(bei)(bei)斗(dou)星群中轉、中繼處理，實現草(cao)場牧(mu)(mu)草(cao)、牛羊的(de)動態監控。2015年(nian)夏季，試點牧(mu)(mu)區的(de)牧(mu)(mu)民(min)就能(neng)(neng)使用專用北(bei)(bei)斗(dou)智能(neng)(neng)終(zhong)端(duan)設備來指(zhi)導放牧(mu)(mu)。