一、北斗系統的定位原理

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35顆衛(wei)(wei)星在(zai)離地(di)面2萬多(duo)千米的(de)高空上，以固(gu)定的(de)周期環(huan)繞地(di)球運行，使得在(zai)任意(yi)時刻(ke)，在(zai)地(di)面上的(de)任意(yi)一點(dian)都(dou)可以同時觀測到4顆以上的(de)衛(wei)(wei)星。

由于(yu)衛(wei)星的(de)位置精確可(ke)知，在接(jie)收機對(dui)衛(wei)星觀(guan)測(ce)(ce)中，我(wo)們可(ke)得(de)到衛(wei)星到接(jie)收機的(de)距(ju)離(li)，利(li)用三維坐標中的(de)距(ju)離(li)公(gong)式，利(li)用3顆衛(wei)星，就可(ke)以組成3個(ge)(ge)方程式，解(jie)出觀(guan)測(ce)(ce)點的(de)位置（X，Y，Z）。考慮到衛(wei)星的(de)時鐘與接(jie)收機時鐘之間的(de)誤差(cha)，實際上有4個(ge)(ge)未知數，X、Y、Z和鐘差(cha)，因而(er)需要引入第4顆衛(wei)星，形成4個(ge)(ge)方程式進行求解(jie)，從而(er)得(de)到觀(guan)測(ce)(ce)點的(de)經緯度和高程。

事實上，接收(shou)機(ji)往往可以(yi)鎖(suo)住4顆(ke)以(yi)上的(de)衛(wei)(wei)星(xing)，這時，接收(shou)機(ji)可按衛(wei)(wei)星(xing)的(de)星(xing)座分(fen)布(bu)分(fen)成若干(gan)組(zu)(zu)，每組(zu)(zu)4顆(ke)，然(ran)后通過算(suan)法挑選出誤差最小的(de)一組(zu)(zu)用作定位，從而提高精度(du)。

衛(wei)(wei)星(xing)定位(wei)實施的(de)是“到(dao)達時間(jian)差”（時延）的(de)概念：利用每一顆衛(wei)(wei)星(xing)的(de)精確位(wei)置和連續(xu)發(fa)送的(de)星(xing)上原子鐘生(sheng)成(cheng)的(de)導航信息獲得從(cong)衛(wei)(wei)星(xing)至接收機的(de)到(dao)達時間(jian)差。

衛星在空中(zhong)連續發送帶(dai)有(you)時(shi)(shi)間和(he)位(wei)置信息的無線(xian)電信號，供接收(shou)機(ji)接收(shou)。由于(yu)傳輸的距(ju)離因(yin)素，接收(shou)機(ji)接收(shou)到信號的時(shi)(shi)刻要比(bi)衛星發送信號的時(shi)(shi)刻延遲，通(tong)常(chang)稱之(zhi)為時(shi)(shi)延，因(yin)此，也(ye)可以通(tong)過時(shi)(shi)延來確定距(ju)離。衛星和(he)接收(shou)機(ji)同(tong)時(shi)(shi)產生同(tong)樣的偽隨機(ji)碼，一旦兩個碼實(shi)現時(shi)(shi)間同(tong)步(bu)，接收(shou)機(ji)便能測定時(shi)(shi)延；將時(shi)(shi)延乘上光速，便能得到距(ju)離。

每顆衛(wei)星(xing)(xing)(xing)上(shang)的計算機和導(dao)航信(xin)息(xi)發生器非常(chang)精確地(di)了解其軌(gui)道(dao)位置和系統(tong)時(shi)(shi)間，而全球(qiu)監測站(zhan)網保持連續跟(gen)蹤衛(wei)星(xing)(xing)(xing)的軌(gui)道(dao)位置和系統(tong)時(shi)(shi)間。位于地(di)面的主控(kong)站(zhan)與(yu)其運(yun)控(kong)段(duan)一起(qi)，至少(shao)每天一次(ci)對(dui)每顆衛(wei)星(xing)(xing)(xing)注(zhu)入校正(zheng)數(shu)據。注(zhu)入數(shu)據包括：星(xing)(xing)(xing)座(zuo)中每顆衛(wei)星(xing)(xing)(xing)的軌(gui)道(dao)位置測定和星(xing)(xing)(xing)上(shang)時(shi)(shi)鐘的校正(zheng)。這些校正(zheng)數(shu)據是(shi)在復雜模型的基礎上(shang)算出的，可在幾個星(xing)(xing)(xing)期內保持有效(xiao)。

衛(wei)(wei)星導航系統時(shi)間是(shi)由每(mei)顆(ke)(ke)衛(wei)(wei)星上原子鐘(zhong)的(de)銫和(he)銣原子頻(pin)標保持(chi)的(de)。這些星鐘(zhong)一般來講(jiang)精確(que)到世(shi)界協調(diao)時(shi)（UTC）的(de)幾納秒以內，UTC是(shi)由美國海(hai)軍觀象臺的(de)“主鐘(zhong)”保持(chi)的(de)，每(mei)臺主鐘(zhong)的(de)穩(wen)定(ding)性為若(ruo)干個10^-13秒。衛(wei)(wei)星早期采用兩(liang)部銫頻(pin)標和(he)兩(liang)部銣頻(pin)標，后來逐(zhu)步改(gai)變為更多地(di)采用銣頻(pin)標。通常，在任一指定(ding)時(shi)間內，每(mei)顆(ke)(ke)衛(wei)(wei)星上只有一臺頻(pin)標在工作。

衛(wei)星導航原理：衛(wei)星至(zhi)用(yong)戶間的(de)(de)距離測(ce)(ce)量(liang)是基于(yu)衛(wei)星信號的(de)(de)發射(she)時(shi)間與到(dao)達接收機的(de)(de)時(shi)間之(zhi)差，稱為偽(wei)距。為了(le)計(ji)算用(yong)戶的(de)(de)三維位置和(he)接收機時(shi)鐘偏差，偽(wei)距測(ce)(ce)量(liang)要求至(zhi)少接收來自4顆衛(wei)星的(de)(de)信號。

由(you)于(yu)衛星運行軌(gui)道、衛星時鐘存(cun)在誤差(cha)(cha)(cha)，大(da)氣對(dui)(dui)流(liu)層、電離層對(dui)(dui)信(xin)號的(de)影響，使得(de)民(min)用的(de)定(ding)位(wei)精度(du)(du)只有數十米(mi)量級。為提高(gao)定(ding)位(wei)精度(du)(du)，普遍采用差(cha)(cha)(cha)分定(ding)位(wei)技(ji)術(shu)（如(ru)DGPS、DGNSS），建立(li)地面基(ji)準(zhun)(zhun)站(zhan)(差(cha)(cha)(cha)分臺)進(jin)行衛星觀測，利用已知的(de)基(ji)準(zhun)(zhun)站(zhan)精確坐(zuo)標(biao)，與觀測值進(jin)行比(bi)較，從(cong)而得(de)出一修正(zheng)數，并對(dui)(dui)外(wai)發布。接收機(ji)收到該(gai)修正(zheng)數后，與自(zi)身(shen)的(de)觀測值進(jin)行比(bi)較，消去(qu)大(da)部分誤差(cha)(cha)(cha)，得(de)到一個比(bi)較準(zhun)(zhun)確的(de)位(wei)置。實驗表明，利用差(cha)(cha)(cha)分定(ding)位(wei)技(ji)術(shu)，定(ding)位(wei)精度(du)(du)可(ke)提高(gao)到米(mi)級。

二、系統功能

（一）四大功能

短(duan)報文(wen)通(tong)信(xin)：北斗系統用(yong)戶(hu)終端具有(you)雙向報文(wen)通(tong)信(xin)功能，用(yong)戶(hu)可(ke)以一次傳送(song)40-60個(ge)(ge)漢字(zi)的短(duan)報文(wen)信(xin)息(xi)。可(ke)以達到一次傳送(song)達120個(ge)(ge)漢字(zi)的信(xin)息(xi)。在遠洋(yang)航(hang)行中有(you)重要的應(ying)用(yong)價值(zhi)。

精密授時(shi)：北斗系統具有(you)精密授時(shi)功能(neng)，可向用(yong)戶(hu)提供20ns-100ns時(shi)間同步精度。

定位精度：水平精度100米(mi)（1σ），設立標校站之后(hou)為20米(mi)（類似差分狀態）。工作頻(pin)率(lv)：2491.75MHz。

系統(tong)容納(na)的最大用戶數(shu)：540000戶/小時。

（二）軍用功能

“北斗(dou)”衛星導航(hang)定位(wei)系統的(de)軍事功能與GPS類(lei)似，如(ru)：運動目標(biao)的(de)定位(wei)導航(hang)；為縮短反應時間的(de)武器載具發射位(wei)置的(de)快速定位(wei)；人員搜救、水上排(pai)雷的(de)定位(wei)需求(qiu)等。

這項功(gong)能用在軍事上，意(yi)味著可(ke)主(zhu)動進行(xing)各級部隊(dui)(dui)的定(ding)位(wei)，也就是說各級部隊(dui)(dui)一旦配備“北斗(dou)”衛星導航定(ding)位(wei)系統(tong)，除了可(ke)供(gong)自身定(ding)位(wei)導航外(wai)，高(gao)層指揮部也可(ke)隨時通過(guo)“北斗(dou)”系統(tong)掌(zhang)握部隊(dui)(dui)位(wei)置(zhi)，并傳遞相關命令，對任務的執(zhi)行(xing)有相當大的助益。換言之，可(ke)利(li)用“北斗(dou)”衛星導航定(ding)位(wei)系統(tong)執(zhi)行(xing)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(jie)收芯片的手(shou)機或車載(zai)衛(wei)星導航(hang)裝置找到(dao)你要走的路線。

2、氣象應用

北(bei)斗導航(hang)衛(wei)星氣(qi)(qi)象(xiang)應用(yong)的開展，可以(yi)促進中國(guo)天氣(qi)(qi)分析(xi)和(he)數值天氣(qi)(qi)預報、氣(qi)(qi)候變化監(jian)測和(he)預測，也(ye)可以(yi)提高空間(jian)天氣(qi)(qi)預警業務(wu)水(shui)平，提升中國(guo)氣(qi)(qi)象(xiang)防災減災的能(neng)力。

除此之外(wai)，北(bei)斗(dou)導航衛(wei)星(xing)系統的氣(qi)象應(ying)用對推動北(bei)斗(dou)導航衛(wei)星(xing)創新應(ying)用和產(chan)業拓展也具有重要(yao)的影響。

3、道路交通管理

衛星(xing)導航將有利于減緩(huan)交(jiao)通阻塞，提升(sheng)道(dao)路交(jiao)通管理水平(ping)。通過在車(che)輛上安裝衛星(xing)導航接收機和數據發射機，車(che)輛的位置信(xin)息(xi)就能在幾(ji)秒(miao)鐘內自動轉發到中心站。這些位置信(xin)息(xi)可用于道(dao)路交(jiao)通管理。

4、鐵路智能交通

衛星(xing)導(dao)航(hang)將促進傳(chuan)統運輸(shu)(shu)方式實現(xian)升級與(yu)轉(zhuan)型(xing)。例如，在鐵(tie)路運輸(shu)(shu)領域，通(tong)過安裝衛星(xing)導(dao)航(hang)終端設備(bei)，可極大縮短列車(che)行駛間(jian)隔(ge)時間(jian)，降低運輸(shu)(shu)成本，有(you)效(xiao)提(ti)(ti)高運輸(shu)(shu)效(xiao)率(lv)。未來，北斗衛星(xing)導(dao)航(hang)系統將提(ti)(ti)供高可靠、高精(jing)度(du)的定位、測速(su)、授(shou)時服務，促進鐵(tie)路交(jiao)通(tong)的現(xian)代(dai)化，實現(xian)傳(chuan)統調(diao)度(du)向智能交(jiao)通(tong)管理的轉(zhuan)型(xing)。

5、海運和水運

海(hai)運(yun)(yun)和(he)(he)(he)水(shui)運(yun)(yun)是(shi)全世界最廣泛的運(yun)(yun)輸(shu)方式(shi)之(zhi)一，也是(shi)衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)(dao)航(hang)(hang)最早(zao)應用的領域之(zhi)一。在世界各(ge)大洋和(he)(he)(he)江河湖泊行駛的各(ge)類船(chuan)舶(bo)大多都安裝了衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)(dao)航(hang)(hang)終端設備，使海(hai)上(shang)和(he)(he)(he)水(shui)路(lu)運(yun)(yun)輸(shu)更為(wei)高效和(he)(he)(he)安全。北斗衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)(dao)航(hang)(hang)系統(tong)將在任何天(tian)氣條件下，為(wei)水(shui)上(shang)航(hang)(hang)行船(chuan)舶(bo)提供(gong)導(dao)(dao)航(hang)(hang)定位和(he)(he)(he)安全保障。同時，北斗衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)(dao)航(hang)(hang)系統(tong)特有(you)的短報文通(tong)信(xin)功能將支持各(ge)種新型(xing)服務的開發。

6、航空運輸

當飛機(ji)在(zai)機(ji)場(chang)(chang)跑道著(zhu)陸時(shi)，最基本(ben)的(de)(de)(de)要求是確(que)保飛機(ji)相互間的(de)(de)(de)安(an)(an)全(quan)距離(li)。利用衛星導(dao)航精確(que)定(ding)位(wei)與(yu)測(ce)速的(de)(de)(de)優勢，可實時(shi)確(que)定(ding)飛機(ji)的(de)(de)(de)瞬(shun)時(shi)位(wei)置，有效(xiao)減(jian)小飛機(ji)之間的(de)(de)(de)安(an)(an)全(quan)距離(li)，甚至在(zai)大霧天氣情況(kuang)下，可以實現自(zi)動(dong)盲降，極(ji)大提(ti)高飛行安(an)(an)全(quan)和機(ji)場(chang)(chang)運營效(xiao)率。通過將北斗衛星導(dao)航系統與(yu)其(qi)他系統的(de)(de)(de)有效(xiao)結(jie)合，將為(wei)航空(kong)運輸提(ti)供(gong)更多的(de)(de)(de)安(an)(an)全(quan)保障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用于沙漠(mo)、山區、海洋等(deng)人(ren)(ren)煙稀少地(di)(di)(di)區的搜索救(jiu)援。在發生(sheng)地(di)(di)(di)震、洪災(zai)等(deng)重大災(zai)害(hai)時(shi)(shi)(shi)(shi)，救(jiu)援成功的關鍵在于及(ji)時(shi)(shi)(shi)(shi)了解災(zai)情并迅速到達救(jiu)援地(di)(di)(di)點。北斗衛星導(dao)航(hang)系統除導(dao)航(hang)定位外，還具備短(duan)報文(wen)通(tong)信功能，通(tong)過衛星導(dao)航(hang)終(zhong)端(duan)設備可及(ji)時(shi)(shi)(shi)(shi)報告所(suo)處位置和(he)受災(zai)情況(kuang)，有(you)效縮短(duan)救(jiu)援搜尋時(shi)(shi)(shi)(shi)間，提高搶險救(jiu)災(zai)時(shi)(shi)(shi)(shi)效，大大減(jian)少人(ren)(ren)民生(sheng)命財(cai)產損失。

8、指導放牧

2014年10月，北(bei)(bei)(bei)(bei)斗系(xi)統(tong)開(kai)始(shi)在青海省牧(mu)(mu)區(qu)(qu)試點(dian)建(jian)設北(bei)(bei)(bei)(bei)斗衛(wei)星(xing)放牧(mu)(mu)信(xin)息(xi)化指(zhi)導(dao)(dao)(dao)系(xi)統(tong)，主要依靠牧(mu)(mu)區(qu)(qu)放牧(mu)(mu)智(zhi)能指(zhi)導(dao)(dao)(dao)系(xi)統(tong)管理平臺(tai)、牧(mu)(mu)民(min)專用(yong)北(bei)(bei)(bei)(bei)斗智(zhi)能終端和牧(mu)(mu)場數據采集自動站(zhan)，實(shi)現數據信(xin)息(xi)傳(chuan)輸，并(bing)通(tong)過北(bei)(bei)(bei)(bei)斗地面站(zhan)及(ji)北(bei)(bei)(bei)(bei)斗星(xing)群中(zhong)轉、中(zhong)繼處(chu)理，實(shi)現草(cao)場牧(mu)(mu)草(cao)、牛羊的(de)動態監控。2015年夏季，試點(dian)牧(mu)(mu)區(qu)(qu)的(de)牧(mu)(mu)民(min)就能使(shi)用(yong)專用(yong)北(bei)(bei)(bei)(bei)斗智(zhi)能終端設備來(lai)指(zhi)導(dao)(dao)(dao)放牧(mu)(mu)。