一、北斗系統的定位原理

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35顆(ke)衛星在離(li)地(di)面2萬多千米的(de)高空上(shang)，以固定的(de)周期環繞地(di)球運行，使得在任意(yi)時(shi)刻，在地(di)面上(shang)的(de)任意(yi)一點都可以同時(shi)觀測到4顆(ke)以上(shang)的(de)衛星。

由于衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)的(de)位(wei)(wei)置精確可(ke)知，在接收機(ji)對(dui)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)觀(guan)測(ce)中，我們可(ke)得到(dao)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)到(dao)接收機(ji)的(de)距離(li)，利用(yong)三維(wei)坐標中的(de)距離(li)公(gong)式(shi)，利用(yong)3顆(ke)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)，就(jiu)可(ke)以組成3個(ge)(ge)方(fang)程式(shi)，解出觀(guan)測(ce)點(dian)的(de)位(wei)(wei)置（X，Y，Z）。考慮(lv)到(dao)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)的(de)時鐘與接收機(ji)時鐘之間的(de)誤差，實際上有4個(ge)(ge)未知數，X、Y、Z和鐘差，因(yin)而(er)需要(yao)引入(ru)第4顆(ke)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)，形成4個(ge)(ge)方(fang)程式(shi)進行求(qiu)解，從(cong)而(er)得到(dao)觀(guan)測(ce)點(dian)的(de)經緯(wei)度和高程。

事實上，接收(shou)機往往可以鎖住(zhu)4顆以上的(de)衛(wei)星(xing)，這時，接收(shou)機可按衛(wei)星(xing)的(de)星(xing)座(zuo)分(fen)布(bu)分(fen)成若干(gan)組(zu)，每組(zu)4顆，然后通過算法挑(tiao)選出誤差最小的(de)一組(zu)用作(zuo)定位(wei)，從而提高精度(du)。

衛(wei)(wei)星(xing)定位實(shi)施的是(shi)“到(dao)達時(shi)間差”（時(shi)延(yan)）的概(gai)念：利用每(mei)一顆衛(wei)(wei)星(xing)的精確位置和(he)連續(xu)發送的星(xing)上原子鐘生成的導(dao)航信息獲(huo)得從衛(wei)(wei)星(xing)至接收機的到(dao)達時(shi)間差。

衛星在空中(zhong)連續發(fa)送帶有時間和(he)位置信(xin)息的(de)(de)無線電(dian)信(xin)號，供接收機(ji)(ji)接收。由(you)于傳輸的(de)(de)距(ju)離(li)因素，接收機(ji)(ji)接收到信(xin)號的(de)(de)時刻要比衛星發(fa)送信(xin)號的(de)(de)時刻延(yan)遲，通常稱之為(wei)時延(yan)，因此，也可以通過(guo)時延(yan)來確(que)定(ding)距(ju)離(li)。衛星和(he)接收機(ji)(ji)同時產生同樣的(de)(de)偽隨(sui)機(ji)(ji)碼(ma)(ma)，一旦兩(liang)個碼(ma)(ma)實現時間同步，接收機(ji)(ji)便(bian)能測定(ding)時延(yan)；將(jiang)時延(yan)乘(cheng)上光速，便(bian)能得到距(ju)離(li)。

每(mei)顆衛(wei)(wei)星(xing)上(shang)的計算(suan)(suan)機和(he)導航信息發(fa)生器非(fei)常精確地(di)了(le)解(jie)其軌(gui)道(dao)(dao)位置和(he)系統時間，而全球監(jian)測站網(wang)保(bao)持連續(xu)跟蹤(zong)衛(wei)(wei)星(xing)的軌(gui)道(dao)(dao)位置和(he)系統時間。位于地(di)面的主控(kong)站與(yu)其運控(kong)段一起，至少每(mei)天(tian)一次對每(mei)顆衛(wei)(wei)星(xing)注(zhu)入校正(zheng)(zheng)數據(ju)。注(zhu)入數據(ju)包括：星(xing)座中(zhong)每(mei)顆衛(wei)(wei)星(xing)的軌(gui)道(dao)(dao)位置測定和(he)星(xing)上(shang)時鐘的校正(zheng)(zheng)。這些校正(zheng)(zheng)數據(ju)是在復(fu)雜模型的基礎上(shang)算(suan)(suan)出的，可(ke)在幾個星(xing)期(qi)內(nei)保(bao)持有效。

衛(wei)星(xing)導(dao)航系統時(shi)間是由每顆衛(wei)星(xing)上(shang)原子鐘(zhong)(zhong)的銫(se)和銣原子頻標保持的。這些星(xing)鐘(zhong)(zhong)一(yi)般來(lai)講精確到(dao)世界協調時(shi)（UTC）的幾納秒以(yi)內，UTC是由美(mei)國海(hai)軍(jun)觀象(xiang)臺(tai)的“主鐘(zhong)(zhong)”保持的，每臺(tai)主鐘(zhong)(zhong)的穩定性為若干個10^-13秒。衛(wei)星(xing)早期采用兩部(bu)銫(se)頻標和兩部(bu)銣頻標，后來(lai)逐步改變為更多地采用銣頻標。通常，在任(ren)一(yi)指定時(shi)間內，每顆衛(wei)星(xing)上(shang)只有(you)一(yi)臺(tai)頻標在工作。

衛(wei)星(xing)導航原理：衛(wei)星(xing)至用(yong)戶(hu)間(jian)的距離測(ce)量是(shi)基于衛(wei)星(xing)信(xin)號的發射時(shi)間(jian)與到達接收機的時(shi)間(jian)之差，稱為偽距。為了(le)計算用(yong)戶(hu)的三維位(wei)置和接收機時(shi)鐘偏差，偽距測(ce)量要(yao)求(qiu)至少(shao)接收來自4顆衛(wei)星(xing)的信(xin)號。

由于衛星(xing)運(yun)行軌道、衛星(xing)時鐘存在誤差(cha)(cha)，大(da)氣對(dui)流層、電離層對(dui)信號的(de)(de)影(ying)響，使(shi)得民用(yong)的(de)(de)定位(wei)精度只有(you)數十米量級(ji)。為(wei)提(ti)高定位(wei)精度，普遍(bian)采用(yong)差(cha)(cha)分(fen)定位(wei)技(ji)術(shu)（如DGPS、DGNSS），建立地面基(ji)準站(zhan)(差(cha)(cha)分(fen)臺)進(jin)行衛星(xing)觀(guan)測(ce)，利用(yong)已知的(de)(de)基(ji)準站(zhan)精確(que)坐(zuo)標(biao)，與觀(guan)測(ce)值(zhi)進(jin)行比(bi)較，從而得出一修正(zheng)數，并對(dui)外(wai)發布。接收(shou)機收(shou)到該(gai)修正(zheng)數后，與自身的(de)(de)觀(guan)測(ce)值(zhi)進(jin)行比(bi)較，消去大(da)部分(fen)誤差(cha)(cha)，得到一個比(bi)較準確(que)的(de)(de)位(wei)置(zhi)。實驗表(biao)明，利用(yong)差(cha)(cha)分(fen)定位(wei)技(ji)術(shu)，定位(wei)精度可(ke)提(ti)高到米級(ji)。

二、系統功能

（一）四大功能

短報文(wen)通信：北斗系統用(yong)戶終(zhong)端具有雙向(xiang)報文(wen)通信功能，用(yong)戶可以一(yi)次傳(chuan)送(song)40-60個(ge)漢(han)字的(de)短報文(wen)信息(xi)。可以達(da)到一(yi)次傳(chuan)送(song)達(da)120個(ge)漢(han)字的(de)信息(xi)。在遠洋航行中有重要的(de)應(ying)用(yong)價(jia)值。

精密授(shou)時(shi)：北斗系統具(ju)有(you)精密授(shou)時(shi)功能(neng)，可向用戶提供20ns-100ns時(shi)間同步(bu)精度。

定位精度：水(shui)平精度100米（1σ），設立標校(xiao)站之后為20米（類(lei)似差(cha)分狀態(tai)）。工(gong)作頻率(lv)：2491.75MHz。

系統容納(na)的最(zui)大用戶數：540000戶/小時(shi)。

（二）軍用功能

“北斗”衛(wei)星導(dao)航定(ding)位系統的(de)軍(jun)事功能與(yu)GPS類似，如：運動(dong)目標的(de)定(ding)位導(dao)航；為縮短反(fan)應(ying)時(shi)間的(de)武器載具發射位置的(de)快(kuai)速定(ding)位；人員搜救(jiu)、水上(shang)排雷的(de)定(ding)位需求等(deng)。

這(zhe)項功能用(yong)(yong)在軍事上，意味著可主動進行(xing)各級(ji)部(bu)隊(dui)的定位(wei)(wei)(wei)，也就(jiu)是說各級(ji)部(bu)隊(dui)一旦配備“北斗”衛(wei)星導(dao)(dao)航定位(wei)(wei)(wei)系(xi)統，除了可供自身定位(wei)(wei)(wei)導(dao)(dao)航外，高層指(zhi)揮部(bu)也可隨時通(tong)過(guo)“北斗”系(xi)統掌握(wo)部(bu)隊(dui)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)，并傳遞相關命令，對(dui)任務的執行(xing)有(you)相當(dang)大的助益。換言之，可利用(yong)(yong)“北斗”衛(wei)星導(dao)(dao)航定位(wei)(wei)(wei)系(xi)統執行(xing)部(bu)隊(dui)指(zhi)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(ji)或車(che)載衛星導航(hang)裝(zhuang)置找到你(ni)要走的路線。

2、氣象應用

北(bei)斗導航衛星氣(qi)象應用(yong)的(de)開展，可以促進中國(guo)(guo)天氣(qi)分(fen)析和數值天氣(qi)預報、氣(qi)候變化監測和預測，也可以提高空(kong)間天氣(qi)預警業務水平，提升(sheng)中國(guo)(guo)氣(qi)象防災(zai)減災(zai)的(de)能(neng)力。

除此之外，北(bei)(bei)斗導航衛星系統的(de)氣象應用對推動北(bei)(bei)斗導航衛星創新應用和產業拓展(zhan)也具有重(zhong)要的(de)影響。

3、道路交通管理

衛星(xing)(xing)導航將有利于減緩交(jiao)通(tong)阻塞，提升道路交(jiao)通(tong)管(guan)理(li)水(shui)平。通(tong)過在車輛上安裝衛星(xing)(xing)導航接收機和數據(ju)發射機，車輛的位置信息就能在幾秒(miao)鐘內自(zi)動(dong)轉發到中心站(zhan)。這些位置信息可用于道路交(jiao)通(tong)管(guan)理(li)。

4、鐵路智能交通

衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)將(jiang)促進傳統(tong)運(yun)輸方式實現(xian)升級與轉型(xing)。例如，在鐵(tie)路運(yun)輸領(ling)域，通(tong)過安裝(zhuang)衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)終端設備(bei)，可(ke)極大縮短列(lie)車行(xing)駛間隔時(shi)間，降低運(yun)輸成本，有效提高運(yun)輸效率。未來(lai)，北斗(dou)衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)系統(tong)將(jiang)提供高可(ke)靠、高精度的(de)定位、測速、授(shou)時(shi)服務，促進鐵(tie)路交通(tong)的(de)現(xian)代化，實現(xian)傳統(tong)調度向智能交通(tong)管(guan)理的(de)轉型(xing)。

5、海運和水運

海運和水(shui)運是(shi)全世界最廣泛的(de)運輸方(fang)式之一，也是(shi)衛(wei)星導航(hang)最早應用(yong)的(de)領(ling)域(yu)之一。在世界各大(da)洋(yang)和江河湖(hu)泊行駛(shi)的(de)各類船舶大(da)多(duo)都安(an)(an)裝(zhuang)了衛(wei)星導航(hang)終端設備，使(shi)海上和水(shui)路運輸更為高效和安(an)(an)全。北斗(dou)(dou)衛(wei)星導航(hang)系統將在任何天氣條件下(xia)，為水(shui)上航(hang)行船舶提供導航(hang)定(ding)位和安(an)(an)全保障。同時(shi)，北斗(dou)(dou)衛(wei)星導航(hang)系統特有的(de)短報文通(tong)信功能將支(zhi)持各種新型服(fu)務的(de)開發。

6、航空運輸

當飛(fei)機(ji)(ji)在機(ji)(ji)場跑道著陸時，最(zui)基(ji)本的(de)要(yao)求是確保飛(fei)機(ji)(ji)相(xiang)互間的(de)安(an)(an)全距離(li)。利用衛(wei)星導航精確定位與測速的(de)優(you)勢，可實時確定飛(fei)機(ji)(ji)的(de)瞬時位置，有效(xiao)減小飛(fei)機(ji)(ji)之間的(de)安(an)(an)全距離(li)，甚至在大霧天(tian)氣情況下，可以實現自動盲(mang)降，極大提(ti)高(gao)飛(fei)行(xing)安(an)(an)全和機(ji)(ji)場運(yun)營效(xiao)率。通過(guo)將(jiang)(jiang)北斗衛(wei)星導航系(xi)統(tong)與其他系(xi)統(tong)的(de)有效(xiao)結合，將(jiang)(jiang)為航空運(yun)輸(shu)提(ti)供更多的(de)安(an)(an)全保障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用于沙(sha)漠、山區、海(hai)洋等人煙稀(xi)少(shao)地(di)區的搜(sou)索救(jiu)援(yuan)(yuan)。在發生(sheng)(sheng)地(di)震(zhen)、洪(hong)災(zai)等重(zhong)大災(zai)害時(shi)，救(jiu)援(yuan)(yuan)成功的關鍵在于及時(shi)了解(jie)災(zai)情并迅速到達(da)救(jiu)援(yuan)(yuan)地(di)點。北(bei)斗衛(wei)星導(dao)航系統除導(dao)航定(ding)位外，還具備短(duan)報(bao)(bao)文(wen)通信(xin)功能，通過衛(wei)星導(dao)航終端設備可及時(shi)報(bao)(bao)告(gao)所處位置和(he)受災(zai)情況，有(you)效縮短(duan)救(jiu)援(yuan)(yuan)搜(sou)尋時(shi)間，提高搶(qiang)險救(jiu)災(zai)時(shi)效，大大減(jian)少(shao)人民生(sheng)(sheng)命(ming)財產損失。

8、指導放牧

2014年10月，北(bei)斗(dou)系統(tong)(tong)開(kai)始在(zai)青(qing)海省牧區試點(dian)建設北(bei)斗(dou)衛星放牧信息化指(zhi)導(dao)系統(tong)(tong)，主要(yao)依靠牧區放牧智能(neng)指(zhi)導(dao)系統(tong)(tong)管理平臺、牧民專用北(bei)斗(dou)智能(neng)終端和(he)牧場(chang)(chang)數據采集(ji)自動(dong)站(zhan)，實現(xian)數據信息傳輸，并(bing)通過北(bei)斗(dou)地面(mian)站(zhan)及北(bei)斗(dou)星群中(zhong)轉、中(zhong)繼處理，實現(xian)草場(chang)(chang)牧草、牛羊(yang)的動(dong)態監控。2015年夏季，試點(dian)牧區的牧民就(jiu)能(neng)使用專用北(bei)斗(dou)智能(neng)終端設備來指(zhi)導(dao)放牧。