衛星導航原理,北鬥導航到底如何?

北鬥三號系統採用3軌道設計，分別在距離地面21500千米中圓軌道的3個軌道面、赤道上方35800千米高的地球靜止軌道和同高度的傾斜地球同步軌道部署了24顆、3顆和3顆衛星，5顆試驗衛星，總數35顆。其他3家導航系統衛星都處於中圓軌道，而美國GPS有32顆衛星(8顆備份)，俄羅斯格洛納斯有29顆(5顆備份)，歐盟的伽利略有30顆(3顆備份)。

①1994年，中國決定啟動北鬥一號工程，進行試驗探索，該階段以2000年成功發射2顆地球靜止軌道衛星為結束。北鬥一號也稱為北鬥衛星導航試驗系統，採用的是比較落後的有源區域衛星定位系統。該系統在進行定位解算時需要用戶發送請求給衛星，然後由地面控制中心完成全部的計算任務，將用戶需要的數據傳回給用戶。北鬥一號共4顆衛星。

有源定位系統的優點是成本較低、定位快，但是在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數、隱蔽性等方面均受到限制，另外該系統無測速功能，也不能用於精確制導武器。無源定位由於要靠終端計算，性能有限，定位速度慢，但在其他方面全面領先。

無源定位系統則是用戶終端不向衛星發送請求信號，而是直接同時接受4課衛星的信號，在用戶終端完成定位計算工作。

②2004年，中國啟動了具有初步全球導航能力的北鬥衛星導航系統建設(北鬥二號)。2007年，中國首顆無源定位衛星在西昌發射場發射成功，標誌著國產衛星定位系統進入了一個新的時代。北鬥二號共發射20顆衛星，其中標稱星座只有14顆（5顆地球靜止軌道衛星+5顆傾斜同步軌道衛星+4顆中圓地球軌道衛星），剩餘6顆屬於備份衛星和試驗衛星。除了採用和其他三大系統同樣的無源定位技術以外，北鬥二號還有一大進步：開始使用國產原子鐘。

原子鐘是利用電子躍遷釋放電磁波原理製造的鐘。在原子內部，電子繞原子核高速旋轉，有不同的旋轉軌道。電子在不同的旋轉軌道上具有不連續的能量差異，稱為能級。電子在不同能級之間躍遷頻率是固定的，利用這一特性，便可以製作出非常精確的計時儀器。

星載原子鐘是導航衛星上的精密儀器，需要滿足衛星發射及在軌運行時需要面對的振動、溫度、輻照等環境要求，而且對體積和重量指標極為苛刻。北鬥一號建設時，衛星使用的原子鐘需由瑞士進口。而到了北鬥二號時，我國開始使用中國航天科工提供的原子鐘，自2012年開始，北鬥已經開始全部使用國產原子鐘，其性能與進口產品相當。

2018年11月19日，我國用長徵三號乙運載火箭以「一箭雙星」方式成功發射第42、43顆北鬥導航衛星，全球組網基本系統空間星座部署任務圓滿完成。衛星調試完成後，北鬥系統於當年12月開始提供全球服務。2020年6月23日最後1顆（第55顆）北鬥導航衛星發射，北鬥三號全球組網工作圓滿結束。

北鬥三號共發射35顆衛星，其中標稱星座只有30顆（24顆中圓軌道衛星+3顆地球靜止軌道衛星+3顆地球傾斜軌道衛星），剩餘5顆屬於試驗衛星。真正北鬥導航衛星只包含北鬥二號和三號共55顆。

衛星定位

下面說衛星導航定位原理

為什麼天上的衛星能夠給地上的人提供定位?這就涉及到「四星定位」原理。假如你所在位置在空間中距離某一顆衛星距離為25000km，距離另一顆衛星距離為8000km，那麼以這2個距離為半徑、以2顆衛星為球心畫球，這2個球的相交面會形成一個圓形，你的位置可能在這個圓形上任一一點。這時候引入第3顆衛星。假如你和其距離為31000km，以此為半徑繞該衛星畫球，這個球和之前的圓就相交在這2個點上。排除掉1個不在地球上的點，剩下1個點就是你的位置。這樣，通過3顆衛星，你就能知道你在地球上的坐標(x，y，z)。

但是，在實際情況下，前面說的「距離」都是偽距，也就是假的距離。因為實際測量中，這些距離是用信號傳輸時間(光速)倒推的，最典型的就是衛星使用的原子鐘和地面接收機石英鐘之間的誤差。

石英鐘的時間誤差比原子鐘大幾個數量級，這可能導致測量出的位置出現幾十至數百米的誤差。

這時就需要引入第4顆衛星作為時間零點，專門用來計算時間誤差，才能精確解算出位置信息。此外，同時能接收到的衛星信號越多，計算出來的位置精度就越好。

從純數學角度說，計算3個未知數(x，y，z)需要3個方程，這3個方程由3個衛星位置及到用戶距離組成，加入時間誤差變量(t)之後，未知數變為4個(x，y，z，t)，因此需要4個方程，這種情況就需要4顆星了。

通過這一技術，目前全球四大衛星導航技術精度，定位的精度基本在米量級。按照美國GPS設計理念，在中距離軌道上布置24顆衛星，就能保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星，實現定位。

以上是通過導航衛星實現定位的基本原理，如果你用的是普通車載導航儀或者手機，用的定位原理就和上述一樣。但是，由於導航衛星發射的信號從太空到地面的過程不是一帆風順的，其在通過電離層、對流層等區域，電磁波信號會發生「延緩」，相當於信號在他們那裡打了個彎。同時，導航衛星「告訴」用戶的其位置坐標和時間也並不是絕對準確的。這導致了地面用戶的定位位置有5~10米左右的誤差。

除了衛星定位本身，還有2種方法可以提高定位精度，使得定位精度達到釐米乃至毫米的級別。

其中一種是實時動態載波相位差分(RTK)，即基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給移動站。移動站不僅通過數據連結收來自基準站的數據，還要採集GPS觀測數據，並在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出釐米級定位結果。

用通俗的話來說，RTK是先架設基站，然後基站把自己的誤差告訴你，你再用這個誤差項結合自己的數據，去消除自己移動站的誤差。

對於單基準站動態定位，一般要求基準站和移動站之間的距離為10~15km，定位精度為釐米級。之後提出的多基準站RTK，如虛擬參考站VRS等技術在50~70公裡內可實現釐米級實時動態定位。

RTK技術雖然可以達到很高的精度，但通常要受到測站間距離的限制。精密單點定位PPP應運而生，利用單臺雙頻地球導航衛星系統GNSS接收機，基於載波相位觀測值和國際GNSS服務組織IGS 提供的衛星軌道和鐘差產品進行單點定位的技術。

精密單點定位(PPP)技術，即利用單臺雙頻地球導航衛星系統GNSS接收機，基於載波相位觀測值和國際GNSS服務組織IGS 提供的衛星軌道和鐘差產品進行單點定位的技術。IGS在全球建有多個觀測站，通過觀測站，計算出衛星軌道和鐘差等數據，將數據播發給商用衛星，商用衛星再播發給流動站，流動站根據以上數據，結合自身算法，實現釐米級定位。

簡單說就是先建許多觀測站糾正定位誤差，然後將糾正後的高精度信息發給移動站。

定位誤差主要包括以下來源：

1、軌道誤差，就是衛星告訴你的位置和其真實的位置有偏差。

2、時鐘誤差，就是衛星告訴你的時間和標準時間有偏差。

（這個多說兩句，相對論效應是由於衛星鐘和接收機鍾所處的狀態(運動速度和重力位)不同而引起的衛星鐘和接收機鍾之間產生相對鍾誤差現象。GPS的衛星鐘比地面鍾走地快，每秒約差0.45毫秒。消除這影響的方法是將GPS衛星鐘的標準頻率減小約0.0045MHz。但由於地球的運動和衛星軌道高度的變化，以及地球重力場的變化，相對論的影響並非常數，還有一系列計算消除殘差）----這裡我簡說下，相對論效應是說由於地球重力造成時空彎曲，彎曲的時空造成時間的變化。

3、偽距噪聲，就是導航信號本身的精度。

4、電離層延遲，就是衛星信號在從太空穿越大氣層，經過電離層時其速度會變慢，而我們卻不知道它慢了多少時間。

5、對流層延遲，與電離層延遲相似。

6、多徑，就是衛星信號碰到一些反射物體，發射的信號會對實際信號有影響，讓用戶誤判到底哪個才是真正想要的信號。

7、接收機噪聲，就是接收機自己在測量距離時也會帶入自己的誤判。

在實際使用中，根據美國之前公布的GPS系統數據，時鐘誤差、軌道誤差和偽距噪聲導致的誤差都是1米，電離層延遲是10米，對流層延遲是1米，多徑是0.5米，接收機噪聲是1米。和衛星直接相關的，就是時鐘誤差、軌道誤差和偽距噪聲這3項，其他的要靠增強輔助手段。

另一個衛星系統精度的硬性指標是地面站數量和位置，這點和消除電離層延遲等誤差相關。這方面的數據目前尚無詳細版本，但基本可以判斷，軍事基地遍布全球的美國，GPS地面站的位置會遠遠優於其他系統，可實現全天候無縫覆蓋，測定軌精度高，注入頻度高。

其他3家除了在自己的地盤經營地面站外，根據公開報導，我國曾和巴基斯坦和東協籤訂合作協議。而歐洲則在非洲的傳統影響範圍發展地面站系統。另外，中俄、中歐之前也曾達成協議，互相在對方領土修建地面站。

中國有著全球最大的衛星導航市場，而這個市場此前一直被美國的GPS系統佔據。而在軍用領域，對於精確定位的需求更高，但在過往很長時間內，我國不得不依賴GPS。而美國在GPS系統建設之初，就應軍方要求使用了選擇可用性機制(SA)，其定位信息被故意加入了誤差。雖然後來美國宣布取消SA機制，但實際在使用其產品時都仍有很大的風險及不可預測性。

北鬥系統35顆衛星分布在3條軌道上，其中27顆中圓軌道衛星保持對全球範圍內任一點的穩定覆蓋，而地球靜止軌道和傾斜同步軌道的8顆衛星則停留在亞太地區上空提供專屬服務，大幅提高本地區精度。

作為全球最先建成的衛星導航系統，GPS在民用市場已經一統江山，而在美國強大的財力支持下，其維護和發展也不成問題。其他3家只能依託於本土市場和GPS市場的夾縫，徐圖發展。