一、北斗系統的定位原理

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35顆衛(wei)星在(zai)離地(di)面(mian)2萬多千(qian)米(mi)的(de)高空(kong)上(shang)，以固定的(de)周期環繞地(di)球運行，使(shi)得在(zai)任(ren)意時刻(ke)，在(zai)地(di)面(mian)上(shang)的(de)任(ren)意一點(dian)都可以同(tong)時觀測到4顆以上(shang)的(de)衛(wei)星。

由于衛(wei)(wei)星(xing)的(de)位置精確可知(zhi)，在接收機(ji)對衛(wei)(wei)星(xing)觀測(ce)中，我們可得(de)到(dao)衛(wei)(wei)星(xing)到(dao)接收機(ji)的(de)距(ju)離，利用(yong)三維(wei)坐標中的(de)距(ju)離公式，利用(yong)3顆衛(wei)(wei)星(xing)，就(jiu)可以組成(cheng)3個方(fang)程(cheng)式，解出觀測(ce)點(dian)的(de)位置（X，Y，Z）。考慮到(dao)衛(wei)(wei)星(xing)的(de)時鐘與接收機(ji)時鐘之間(jian)的(de)誤(wu)差(cha)，實際上(shang)有4個未知(zhi)數(shu)，X、Y、Z和鐘差(cha)，因而(er)需要引入第4顆衛(wei)(wei)星(xing)，形成(cheng)4個方(fang)程(cheng)式進行(xing)求解，從(cong)而(er)得(de)到(dao)觀測(ce)點(dian)的(de)經緯度和高程(cheng)。

事(shi)實(shi)上，接收(shou)機往(wang)往(wang)可(ke)以(yi)鎖住4顆以(yi)上的衛(wei)星(xing)，這時(shi)，接收(shou)機可(ke)按衛(wei)星(xing)的星(xing)座分布分成若干組，每(mei)組4顆，然后通過算法挑選出(chu)誤差最(zui)小(xiao)的一組用作定位，從而提高精度。

衛星(xing)定(ding)位(wei)(wei)實施的(de)(de)(de)是“到達(da)(da)時(shi)間(jian)差(cha)”（時(shi)延）的(de)(de)(de)概念：利(li)用每一顆衛星(xing)的(de)(de)(de)精確(que)位(wei)(wei)置(zhi)和(he)連續發送的(de)(de)(de)星(xing)上原子鐘生成的(de)(de)(de)導航(hang)信息(xi)獲得從衛星(xing)至接收機的(de)(de)(de)到達(da)(da)時(shi)間(jian)差(cha)。

衛星(xing)在空中連續發送帶有時(shi)(shi)(shi)(shi)間和(he)(he)位置信息的(de)無線電信號，供接(jie)收(shou)(shou)機(ji)(ji)接(jie)收(shou)(shou)。由于傳輸的(de)距離因素，接(jie)收(shou)(shou)機(ji)(ji)接(jie)收(shou)(shou)到(dao)信號的(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)刻要比衛星(xing)發送信號的(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)刻延(yan)遲，通(tong)常稱之為時(shi)(shi)(shi)(shi)延(yan)，因此，也可(ke)以通(tong)過時(shi)(shi)(shi)(shi)延(yan)來確定距離。衛星(xing)和(he)(he)接(jie)收(shou)(shou)機(ji)(ji)同時(shi)(shi)(shi)(shi)產生(sheng)同樣的(de)偽(wei)隨機(ji)(ji)碼(ma)，一旦兩(liang)個碼(ma)實現時(shi)(shi)(shi)(shi)間同步，接(jie)收(shou)(shou)機(ji)(ji)便能(neng)測定時(shi)(shi)(shi)(shi)延(yan)；將時(shi)(shi)(shi)(shi)延(yan)乘上光速，便能(neng)得(de)到(dao)距離。

每顆(ke)衛(wei)星(xing)上的(de)(de)(de)(de)計算(suan)機和導航(hang)信息發(fa)生(sheng)器非常精確地了解其(qi)軌道位置(zhi)和系統時(shi)間(jian)，而(er)全球監測(ce)站網保(bao)持(chi)連續跟蹤衛(wei)星(xing)的(de)(de)(de)(de)軌道位置(zhi)和系統時(shi)間(jian)。位于地面的(de)(de)(de)(de)主控站與其(qi)運控段一(yi)起(qi)，至(zhi)少每天(tian)一(yi)次(ci)對每顆(ke)衛(wei)星(xing)注入校正數據。注入數據包括(kuo)：星(xing)座中每顆(ke)衛(wei)星(xing)的(de)(de)(de)(de)軌道位置(zhi)測(ce)定和星(xing)上時(shi)鐘的(de)(de)(de)(de)校正。這些校正數據是在(zai)復雜(za)模型(xing)的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上算(suan)出的(de)(de)(de)(de)，可在(zai)幾個星(xing)期(qi)內保(bao)持(chi)有效。

衛星(xing)(xing)導航系(xi)統(tong)時間是由每(mei)顆(ke)衛星(xing)(xing)上(shang)原子(zi)鐘的銫(se)和(he)銣原子(zi)頻(pin)(pin)(pin)標(biao)保持的。這些(xie)星(xing)(xing)鐘一般來講精確(que)到世界協調時（UTC）的幾納秒(miao)以內，UTC是由美(mei)國海(hai)軍觀象臺的“主鐘”保持的，每(mei)臺主鐘的穩定(ding)性為(wei)若干(gan)個10^-13秒(miao)。衛星(xing)(xing)早期(qi)采用(yong)兩部(bu)銫(se)頻(pin)(pin)(pin)標(biao)和(he)兩部(bu)銣頻(pin)(pin)(pin)標(biao)，后(hou)來逐步改變為(wei)更多地采用(yong)銣頻(pin)(pin)(pin)標(biao)。通常(chang)，在(zai)任一指定(ding)時間內，每(mei)顆(ke)衛星(xing)(xing)上(shang)只有一臺頻(pin)(pin)(pin)標(biao)在(zai)工作。

衛(wei)(wei)星導航原理(li)：衛(wei)(wei)星至用(yong)戶間的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離測量(liang)是基于(yu)衛(wei)(wei)星信號的(de)(de)(de)發射(she)時間與到達接收(shou)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)時間之差，稱(cheng)為偽距(ju)(ju)。為了計算用(yong)戶的(de)(de)(de)三維位置和接收(shou)機(ji)(ji)時鐘(zhong)偏差，偽距(ju)(ju)測量(liang)要求至少接收(shou)來自4顆衛(wei)(wei)星的(de)(de)(de)信號。

由于衛(wei)星運(yun)行(xing)軌道、衛(wei)星時鐘存在誤(wu)差(cha)(cha)，大(da)氣對(dui)流(liu)層、電離層對(dui)信號的(de)(de)影響(xiang)，使得(de)民用(yong)的(de)(de)定位(wei)(wei)精(jing)(jing)(jing)度(du)只有數(shu)(shu)十米量級。為提高定位(wei)(wei)精(jing)(jing)(jing)度(du)，普遍采用(yong)差(cha)(cha)分(fen)(fen)定位(wei)(wei)技(ji)術(shu)（如DGPS、DGNSS），建立地面基(ji)準站(差(cha)(cha)分(fen)(fen)臺)進(jin)行(xing)衛(wei)星觀(guan)測，利(li)用(yong)已(yi)知的(de)(de)基(ji)準站精(jing)(jing)(jing)確坐標，與觀(guan)測值進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)(jiao)，從而得(de)出一(yi)修正(zheng)數(shu)(shu)，并對(dui)外(wai)發布(bu)。接收(shou)機收(shou)到(dao)該修正(zheng)數(shu)(shu)后，與自身的(de)(de)觀(guan)測值進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)(jiao)，消去大(da)部分(fen)(fen)誤(wu)差(cha)(cha)，得(de)到(dao)一(yi)個比(bi)較(jiao)(jiao)準確的(de)(de)位(wei)(wei)置。實驗表明(ming)，利(li)用(yong)差(cha)(cha)分(fen)(fen)定位(wei)(wei)技(ji)術(shu)，定位(wei)(wei)精(jing)(jing)(jing)度(du)可提高到(dao)米級。

二、系統功能

（一）四大功能

短(duan)報(bao)文通信：北斗系(xi)統用(yong)戶終端具有(you)雙向報(bao)文通信功能，用(yong)戶可(ke)以一次傳(chuan)送40-60個(ge)漢字的(de)短(duan)報(bao)文信息。可(ke)以達到一次傳(chuan)送達120個(ge)漢字的(de)信息。在遠洋航行中有(you)重要的(de)應用(yong)價(jia)值。

精(jing)密(mi)授時：北斗系統具有(you)精(jing)密(mi)授時功能，可向用戶(hu)提供20ns-100ns時間同步精(jing)度。

定位精度：水(shui)平精度100米(mi)（1σ），設立(li)標校站之后為20米(mi)（類(lei)似差分狀態）。工作(zuo)頻率：2491.75MHz。

系統(tong)容納的最(zui)大用戶數：540000戶/小時。

（二）軍用功能

“北斗”衛(wei)星導(dao)航定(ding)位系統的(de)(de)軍事功能與GPS類(lei)似，如：運動目(mu)標的(de)(de)定(ding)位導(dao)航；為縮短反應時間的(de)(de)武器載具發(fa)射位置(zhi)的(de)(de)快(kuai)速定(ding)位；人員搜救、水上排(pai)雷的(de)(de)定(ding)位需求(qiu)等。

這項功能用在軍事(shi)上，意味著可(ke)主動進(jin)行(xing)各級部隊(dui)的(de)(de)定(ding)(ding)位(wei)(wei)(wei)，也就(jiu)是說各級部隊(dui)一(yi)旦配備“北斗”衛(wei)星導(dao)航定(ding)(ding)位(wei)(wei)(wei)系統，除(chu)了可(ke)供自(zi)身定(ding)(ding)位(wei)(wei)(wei)導(dao)航外(wai)，高層(ceng)指揮(hui)部也可(ke)隨時(shi)通過(guo)“北斗”系統掌握部隊(dui)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)，并(bing)傳遞相關命令(ling)，對任務的(de)(de)執行(xing)有相當大的(de)(de)助(zhu)益。換言之(zhi)，可(ke)利用“北斗”衛(wei)星導(dao)航定(ding)(ding)位(wei)(wei)(wei)系統執行(xing)部隊(dui)指揮(hui)與管制(zhi)及(ji)戰(zhan)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(shou)芯片的手機或車載衛星導航(hang)裝置(zhi)找(zhao)到你要走的路線。

2、氣象應用

北斗(dou)導航衛星氣象(xiang)應用的(de)開展，可以(yi)促進(jin)中(zhong)國天(tian)氣分析和數值天(tian)氣預(yu)報、氣候變化監測(ce)和預(yu)測(ce)，也可以(yi)提高空間天(tian)氣預(yu)警業務水平，提升中(zhong)國氣象(xiang)防災減(jian)災的(de)能力。

除(chu)此之外，北(bei)斗(dou)導航衛星(xing)系(xi)統的(de)氣象應(ying)用(yong)(yong)對推(tui)動北(bei)斗(dou)導航衛星(xing)創(chuang)新應(ying)用(yong)(yong)和產業拓展也具(ju)有重要(yao)的(de)影響。

3、道路交通管理

衛星(xing)導航(hang)將有(you)利于減緩交通阻(zu)塞，提升(sheng)道路(lu)交通管理(li)水平。通過在(zai)車輛(liang)上安(an)裝衛星(xing)導航(hang)接收機和數(shu)據(ju)發(fa)射(she)機，車輛(liang)的(de)位(wei)置(zhi)信(xin)息就能在(zai)幾秒鐘內(nei)自動轉發(fa)到中(zhong)心站。這些位(wei)置(zhi)信(xin)息可(ke)用于道路(lu)交通管理(li)。

4、鐵路智能交通

衛星(xing)導航將促進傳(chuan)(chuan)統運輸(shu)方式實現升級與轉型。例如，在鐵(tie)路(lu)運輸(shu)領(ling)域，通過安裝衛星(xing)導航終端設備，可極大縮短列車行駛(shi)間隔時間，降低(di)運輸(shu)成本，有(you)效提高(gao)(gao)運輸(shu)效率。未來，北斗(dou)衛星(xing)導航系統將提供高(gao)(gao)可靠、高(gao)(gao)精(jing)度的(de)(de)定位、測(ce)速、授時服務，促進鐵(tie)路(lu)交通的(de)(de)現代化，實現傳(chuan)(chuan)統調度向智能(neng)交通管理的(de)(de)轉型。

5、海運和水運

海運(yun)和水運(yun)是全(quan)世界最(zui)廣泛的(de)運(yun)輸方式之一(yi)，也是衛(wei)星導航(hang)最(zui)早(zao)應(ying)用的(de)領域之一(yi)。在世界各(ge)(ge)大洋(yang)和江河湖泊行駛的(de)各(ge)(ge)類船舶(bo)(bo)大多都安裝了衛(wei)星導航(hang)終端設備，使(shi)海上(shang)和水路(lu)運(yun)輸更為高效和安全(quan)。北斗衛(wei)星導航(hang)系統將(jiang)在任(ren)何(he)天氣條(tiao)件(jian)下(xia)，為水上(shang)航(hang)行船舶(bo)(bo)提供(gong)導航(hang)定位(wei)和安全(quan)保(bao)障。同時，北斗衛(wei)星導航(hang)系統特(te)有的(de)短(duan)報(bao)文(wen)通信功能將(jiang)支(zhi)持各(ge)(ge)種(zhong)新(xin)型服(fu)務的(de)開發。

6、航空運輸

當飛機(ji)(ji)(ji)在機(ji)(ji)(ji)場跑道著陸時(shi)，最基本的(de)要求(qiu)是確保(bao)飛機(ji)(ji)(ji)相(xiang)互間的(de)安(an)全距(ju)(ju)離。利(li)用衛(wei)星導航(hang)精確定(ding)位與測速的(de)優勢，可實時(shi)確定(ding)飛機(ji)(ji)(ji)的(de)瞬(shun)時(shi)位置，有效減小飛機(ji)(ji)(ji)之間的(de)安(an)全距(ju)(ju)離，甚至在大(da)霧天氣情況下，可以實現自(zi)動盲降，極(ji)大(da)提高(gao)飛行安(an)全和機(ji)(ji)(ji)場運營效率。通(tong)過將北斗衛(wei)星導航(hang)系統(tong)與其他系統(tong)的(de)有效結(jie)合，將為航(hang)空運輸提供更多的(de)安(an)全保(bao)障(zhang)。

7、應急救援

衛星導航已(yi)廣泛用于沙漠、山區(qu)、海洋等(deng)人(ren)煙稀少地(di)區(qu)的(de)搜索救(jiu)援(yuan)。在發生地(di)震、洪災(zai)等(deng)重大(da)(da)災(zai)害時(shi)(shi)，救(jiu)援(yuan)成功的(de)關鍵在于及時(shi)(shi)了解(jie)災(zai)情(qing)(qing)并迅(xun)速到達救(jiu)援(yuan)地(di)點。北斗衛星導(dao)(dao)航(hang)系統除(chu)導(dao)(dao)航(hang)定位外，還具備(bei)短報文通(tong)信功能，通(tong)過(guo)衛星導(dao)(dao)航(hang)終(zhong)端設備(bei)可及時(shi)(shi)報告所處位置和受災(zai)情(qing)(qing)況，有(you)效(xiao)縮短救(jiu)援(yuan)搜尋時(shi)(shi)間，提高搶險救(jiu)災(zai)時(shi)(shi)效(xiao)，大(da)(da)大(da)(da)減少人(ren)民生命財(cai)產(chan)損失。

8、指導放牧

2014年10月，北斗(dou)(dou)系統(tong)開始在青海(hai)省(sheng)牧(mu)(mu)區(qu)(qu)試(shi)點(dian)建設(she)北斗(dou)(dou)衛(wei)星放(fang)(fang)牧(mu)(mu)信(xin)(xin)息化指(zhi)(zhi)導系統(tong)，主要依靠牧(mu)(mu)區(qu)(qu)放(fang)(fang)牧(mu)(mu)智(zhi)能指(zhi)(zhi)導系統(tong)管理平臺、牧(mu)(mu)民專用北斗(dou)(dou)智(zhi)能終端和牧(mu)(mu)場(chang)數(shu)據采集自動站(zhan)，實(shi)現數(shu)據信(xin)(xin)息傳輸(shu)，并通過北斗(dou)(dou)地面站(zhan)及北斗(dou)(dou)星群中(zhong)(zhong)轉、中(zhong)(zhong)繼處(chu)理，實(shi)現草場(chang)牧(mu)(mu)草、牛羊(yang)的動態監控。2015年夏(xia)季，試(shi)點(dian)牧(mu)(mu)區(qu)(qu)的牧(mu)(mu)民就(jiu)能使用專用北斗(dou)(dou)智(zhi)能終端設(she)備來指(zhi)(zhi)導放(fang)(fang)牧(mu)(mu)。