一、北斗系統的定位原理

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35顆衛(wei)星在離地面2萬多千米的高(gao)空上，以(yi)固定的周期環(huan)繞地球運行，使得在任(ren)意時刻(ke)，在地面上的任(ren)意一點都可以(yi)同時觀測到4顆以(yi)上的衛(wei)星。

由于衛(wei)(wei)星(xing)(xing)的(de)(de)(de)位置(zhi)精確可(ke)知(zhi)，在接收機(ji)對衛(wei)(wei)星(xing)(xing)觀(guan)測中，我們可(ke)得(de)到衛(wei)(wei)星(xing)(xing)到接收機(ji)的(de)(de)(de)距(ju)離(li)，利(li)(li)用三維坐(zuo)標中的(de)(de)(de)距(ju)離(li)公式(shi)，利(li)(li)用3顆衛(wei)(wei)星(xing)(xing)，就可(ke)以組成3個方程(cheng)(cheng)式(shi)，解出觀(guan)測點的(de)(de)(de)位置(zhi)（X，Y，Z）。考慮到衛(wei)(wei)星(xing)(xing)的(de)(de)(de)時鐘(zhong)與接收機(ji)時鐘(zhong)之間的(de)(de)(de)誤差(cha)(cha)，實際上有4個未知(zhi)數，X、Y、Z和鐘(zhong)差(cha)(cha)，因而需(xu)要(yao)引入第4顆衛(wei)(wei)星(xing)(xing)，形成4個方程(cheng)(cheng)式(shi)進行(xing)求解，從而得(de)到觀(guan)測點的(de)(de)(de)經緯(wei)度和高程(cheng)(cheng)。

事實(shi)上，接(jie)收機(ji)往(wang)往(wang)可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接(jie)收機(ji)可按衛星的星座分布(bu)分成(cheng)若(ruo)干(gan)組(zu)，每組(zu)4顆，然后通過算法挑選(xuan)出誤差(cha)最小(xiao)的一組(zu)用作定位，從(cong)而提高精度。

衛(wei)星(xing)定位(wei)實施的(de)是“到達時間(jian)差(cha)”（時延）的(de)概念(nian)：利用每一(yi)顆衛(wei)星(xing)的(de)精確位(wei)置和連續發送的(de)星(xing)上原(yuan)子鐘生成的(de)導航信息獲(huo)得(de)從衛(wei)星(xing)至接收機的(de)到達時間(jian)差(cha)。

衛星在(zai)空中連續(xu)發送帶有時(shi)間(jian)和位置信(xin)息的無線電信(xin)號，供(gong)接收(shou)(shou)機(ji)接收(shou)(shou)。由于(yu)傳輸的距離因(yin)素，接收(shou)(shou)機(ji)接收(shou)(shou)到信(xin)號的時(shi)刻(ke)要(yao)比衛星發送信(xin)號的時(shi)刻(ke)延(yan)(yan)遲，通常(chang)稱之為時(shi)延(yan)(yan)，因(yin)此(ci)，也可以通過時(shi)延(yan)(yan)來確定(ding)距離。衛星和接收(shou)(shou)機(ji)同時(shi)產生同樣(yang)的偽隨機(ji)碼(ma)，一(yi)旦(dan)兩(liang)個碼(ma)實(shi)現時(shi)間(jian)同步，接收(shou)(shou)機(ji)便(bian)能(neng)測定(ding)時(shi)延(yan)(yan)；將時(shi)延(yan)(yan)乘上光速(su)，便(bian)能(neng)得到距離。

每(mei)顆(ke)衛(wei)星(xing)上(shang)的(de)(de)計算機和導航信息發生器(qi)非常(chang)精確地了解(jie)其軌道(dao)位(wei)置和系統時間，而全球監(jian)測站網保持連續跟(gen)蹤衛(wei)星(xing)的(de)(de)軌道(dao)位(wei)置和系統時間。位(wei)于地面(mian)的(de)(de)主控站與其運控段一起，至(zhi)少(shao)每(mei)天一次對每(mei)顆(ke)衛(wei)星(xing)注入校(xiao)正數據。注入數據包括：星(xing)座中(zhong)每(mei)顆(ke)衛(wei)星(xing)的(de)(de)軌道(dao)位(wei)置測定和星(xing)上(shang)時鐘的(de)(de)校(xiao)正。這些校(xiao)正數據是在復(fu)雜模(mo)型的(de)(de)基礎上(shang)算出的(de)(de)，可在幾個星(xing)期(qi)內保持有效(xiao)。

衛星(xing)導航系統時(shi)(shi)間是由(you)(you)每顆(ke)衛星(xing)上(shang)原子鐘(zhong)(zhong)的銫(se)和銣(ru)(ru)原子頻(pin)標保持的。這(zhe)些星(xing)鐘(zhong)(zhong)一般來講(jiang)精(jing)確到世界(jie)協調(diao)時(shi)(shi)（UTC）的幾納秒(miao)以內，UTC是由(you)(you)美國海(hai)軍觀象臺的“主鐘(zhong)(zhong)”保持的，每臺主鐘(zhong)(zhong)的穩定性(xing)為(wei)若干個10^-13秒(miao)。衛星(xing)早期采用(yong)兩(liang)(liang)部(bu)銫(se)頻(pin)標和兩(liang)(liang)部(bu)銣(ru)(ru)頻(pin)標，后(hou)來逐步改變(bian)為(wei)更(geng)多地采用(yong)銣(ru)(ru)頻(pin)標。通常，在(zai)任一指定時(shi)(shi)間內，每顆(ke)衛星(xing)上(shang)只(zhi)有一臺頻(pin)標在(zai)工作。

衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)導航(hang)原理：衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)至用戶間(jian)的(de)距離測(ce)量是基于衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)信號(hao)的(de)發射時間(jian)與到達接(jie)收(shou)機的(de)時間(jian)之差，稱(cheng)為偽距。為了計算(suan)用戶的(de)三(san)維位置和接(jie)收(shou)機時鐘偏差，偽距測(ce)量要求至少接(jie)收(shou)來自(zi)4顆衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)的(de)信號(hao)。

由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤(wu)差，大氣對流層、電離(li)層對信號的(de)影響，使得(de)民(min)用的(de)定位(wei)(wei)(wei)精度只有數(shu)十米(mi)(mi)量(liang)級。為提高定位(wei)(wei)(wei)精度，普遍采用差分定位(wei)(wei)(wei)技術（如DGPS、DGNSS），建(jian)立地面基(ji)準站(zhan)(差分臺(tai))進行衛星觀測，利(li)用已知的(de)基(ji)準站(zhan)精確坐標，與(yu)觀測值進行比(bi)較，從(cong)而得(de)出(chu)一(yi)修(xiu)正(zheng)數(shu)，并對外發布(bu)。接收(shou)機收(shou)到(dao)該修(xiu)正(zheng)數(shu)后，與(yu)自(zi)身(shen)的(de)觀測值進行比(bi)較，消(xiao)去大部分誤(wu)差，得(de)到(dao)一(yi)個(ge)比(bi)較準確的(de)位(wei)(wei)(wei)置。實(shi)驗表明(ming)，利(li)用差分定位(wei)(wei)(wei)技術，定位(wei)(wei)(wei)精度可提高到(dao)米(mi)(mi)級。

二、系統功能

（一）四大功能

短(duan)報(bao)(bao)文通(tong)信(xin)(xin)：北斗系統用戶終端具有雙(shuang)向報(bao)(bao)文通(tong)信(xin)(xin)功能，用戶可以(yi)一次傳送40-60個(ge)漢字的短(duan)報(bao)(bao)文信(xin)(xin)息(xi)。可以(yi)達(da)到一次傳送達(da)120個(ge)漢字的信(xin)(xin)息(xi)。在遠洋(yang)航行中有重(zhong)要的應用價值。

精密(mi)授(shou)時(shi)：北斗系(xi)統具有精密(mi)授(shou)時(shi)功能，可向用戶提供20ns-100ns時(shi)間同步精度。

定位精度(du)(du)：水平精度(du)(du)100米（1σ），設立標校(xiao)站(zhan)之后為20米（類似差分狀態）。工(gong)作(zuo)頻(pin)率：2491.75MHz。

系(xi)統容(rong)納的最(zui)大(da)用戶數：540000戶/小時。

（二）軍用功能

“北斗”衛星導航(hang)定(ding)位系統的(de)軍(jun)事功(gong)能與GPS類似，如(ru)：運動目(mu)標的(de)定(ding)位導航(hang)；為縮短反應時間的(de)武器載(zai)具發射(she)位置的(de)快速定(ding)位；人員搜救、水上排(pai)雷(lei)的(de)定(ding)位需求等(deng)。

這項功(gong)能用在軍事上，意味著可主動進行各(ge)(ge)級部隊(dui)(dui)的(de)(de)定位(wei)(wei)，也(ye)就(jiu)是說(shuo)各(ge)(ge)級部隊(dui)(dui)一旦(dan)配備“北(bei)斗(dou)(dou)(dou)”衛星導(dao)航(hang)定位(wei)(wei)系(xi)統(tong)，除(chu)了可供自身定位(wei)(wei)導(dao)航(hang)外，高層指揮部也(ye)可隨(sui)時通過“北(bei)斗(dou)(dou)(dou)”系(xi)統(tong)掌握(wo)部隊(dui)(dui)位(wei)(wei)置，并傳遞相關命令(ling)，對任務的(de)(de)執(zhi)行有相當大的(de)(de)助(zhu)益。換言之，可利用“北(bei)斗(dou)(dou)(dou)”衛星導(dao)航(hang)定位(wei)(wei)系(xi)統(tong)執(zhi)行部隊(dui)(dui)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(xin)片(pian)的手機或(huo)車載衛(wei)星(xing)導航裝置找到你要走的路線(xian)。

2、氣象應用

北斗導(dao)航衛星氣(qi)(qi)象應用的開展，可(ke)以(yi)促進中國(guo)天(tian)氣(qi)(qi)分析和數值天(tian)氣(qi)(qi)預(yu)報(bao)、氣(qi)(qi)候變(bian)化(hua)監測和預(yu)測，也可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)空間天(tian)氣(qi)(qi)預(yu)警業務(wu)水(shui)平(ping)，提(ti)升中國(guo)氣(qi)(qi)象防災減災的能力。

除此(ci)之外，北(bei)(bei)斗(dou)導航衛(wei)星系統的(de)氣象應用(yong)對推動北(bei)(bei)斗(dou)導航衛(wei)星創新(xin)應用(yong)和產業(ye)拓展也(ye)具有重(zhong)要(yao)的(de)影響(xiang)。

3、道路交通管理

衛星導航將有利于(yu)減緩交通(tong)(tong)阻塞，提升道路交通(tong)(tong)管理水平。通(tong)(tong)過在車輛上安裝衛星導航接收機和數據(ju)發(fa)射(she)機，車輛的(de)位置信息就能(neng)在幾秒鐘內(nei)自動(dong)轉(zhuan)發(fa)到(dao)中心(xin)站。這些(xie)位置信息可(ke)用于(yu)道路交通(tong)(tong)管理。

4、鐵路智能交通

衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航(hang)(hang)將(jiang)促進傳統(tong)運(yun)輸(shu)方式(shi)實現(xian)升(sheng)級與轉型。例(li)如，在鐵(tie)路運(yun)輸(shu)領域，通(tong)過安裝衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航(hang)(hang)終端(duan)設(she)備，可(ke)極大縮短列車行駛間隔時(shi)(shi)間，降低運(yun)輸(shu)成本，有效提高運(yun)輸(shu)效率。未來(lai)，北(bei)斗衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航(hang)(hang)系統(tong)將(jiang)提供(gong)高可(ke)靠(kao)、高精度的(de)定位、測(ce)速(su)、授時(shi)(shi)服務，促進鐵(tie)路交(jiao)通(tong)的(de)現(xian)代化，實現(xian)傳統(tong)調度向智能交(jiao)通(tong)管理(li)的(de)轉型。

5、海運和水運

海運和(he)水(shui)(shui)運是(shi)全世界(jie)最廣泛(fan)的(de)運輸方(fang)式之一，也是(shi)衛星(xing)導(dao)航(hang)(hang)最早應用的(de)領域之一。在世界(jie)各(ge)大洋和(he)江河湖泊行駛的(de)各(ge)類船舶大多都(dou)安(an)裝了衛星(xing)導(dao)航(hang)(hang)終(zhong)端設備，使海上(shang)和(he)水(shui)(shui)路運輸更為(wei)高效和(he)安(an)全。北斗(dou)衛星(xing)導(dao)航(hang)(hang)系統將在任何天(tian)氣條件下(xia)，為(wei)水(shui)(shui)上(shang)航(hang)(hang)行船舶提供導(dao)航(hang)(hang)定(ding)位和(he)安(an)全保(bao)障。同時，北斗(dou)衛星(xing)導(dao)航(hang)(hang)系統特(te)有的(de)短報文通信功能將支持各(ge)種新型(xing)服務的(de)開(kai)發。

6、航空運輸

當(dang)飛(fei)機(ji)(ji)在機(ji)(ji)場(chang)(chang)跑道著陸時(shi)，最(zui)基本的要求是確(que)保飛(fei)機(ji)(ji)相互間(jian)的安(an)(an)全(quan)距離。利用衛(wei)星導航精確(que)定(ding)位與測速的優勢，可實(shi)時(shi)確(que)定(ding)飛(fei)機(ji)(ji)的瞬時(shi)位置(zhi)，有(you)效(xiao)(xiao)減小飛(fei)機(ji)(ji)之間(jian)的安(an)(an)全(quan)距離，甚至(zhi)在大霧天氣情況下(xia)，可以實(shi)現自(zi)動盲降，極(ji)大提高飛(fei)行安(an)(an)全(quan)和機(ji)(ji)場(chang)(chang)運(yun)營效(xiao)(xiao)率。通(tong)過將(jiang)北(bei)斗衛(wei)星導航系(xi)統與其他系(xi)統的有(you)效(xiao)(xiao)結合，將(jiang)為航空運(yun)輸提供(gong)更多的安(an)(an)全(quan)保障(zhang)。

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(shao)地(di)區的搜(sou)索救(jiu)援(yuan)(yuan)。在發生(sheng)地(di)震、洪災(zai)(zai)(zai)等重大(da)(da)災(zai)(zai)(zai)害(hai)時，救(jiu)援(yuan)(yuan)成功的關鍵在于及時了解(jie)災(zai)(zai)(zai)情(qing)并迅速到達救(jiu)援(yuan)(yuan)地(di)點。北(bei)斗衛(wei)星導(dao)(dao)航系統(tong)除導(dao)(dao)航定(ding)位外，還具備短(duan)報文通(tong)信功能，通(tong)過衛(wei)星導(dao)(dao)航終端設備可及時報告所(suo)處位置和受災(zai)(zai)(zai)情(qing)況，有(you)效(xiao)縮短(duan)救(jiu)援(yuan)(yuan)搜(sou)尋時間(jian)，提高搶險救(jiu)災(zai)(zai)(zai)時效(xiao)，大(da)(da)大(da)(da)減(jian)少(shao)人民生(sheng)命財(cai)產損失。

8、指導放牧

2014年10月(yue)，北(bei)斗(dou)系(xi)統開始在青海省牧(mu)(mu)(mu)區試點(dian)建(jian)設北(bei)斗(dou)衛星(xing)放牧(mu)(mu)(mu)信息(xi)化指(zhi)導系(xi)統，主要(yao)依靠(kao)牧(mu)(mu)(mu)區放牧(mu)(mu)(mu)智能指(zhi)導系(xi)統管理(li)平臺(tai)、牧(mu)(mu)(mu)民(min)專(zhuan)(zhuan)用(yong)北(bei)斗(dou)智能終端(duan)和(he)牧(mu)(mu)(mu)場(chang)數據采集(ji)自動站，實現(xian)數據信息(xi)傳輸，并通過(guo)北(bei)斗(dou)地面(mian)站及北(bei)斗(dou)星(xing)群中(zhong)轉、中(zhong)繼處(chu)理(li)，實現(xian)草場(chang)牧(mu)(mu)(mu)草、牛羊的(de)動態監控(kong)。2015年夏(xia)季，試點(dian)牧(mu)(mu)(mu)區的(de)牧(mu)(mu)(mu)民(min)就能使用(yong)專(zhuan)(zhuan)用(yong)北(bei)斗(dou)智能終端(duan)設備來指(zhi)導放牧(mu)(mu)(mu)。