宣講家文稿：北鬥衛星導航系統的發展與突破

北鬥衛星導航系統是中國著眼於國家安全和經濟社會發展需要，自主建設運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。我們將從歷史背景、發展歷程、技術突破、應用推廣、未來發展等方面出發，詳細介紹北鬥衛星導航系統背後的故事。

一、衛星導航系統背景介紹

（一）人類一直在尋求導航定位的手段

我們知道，時間和空間共同構成了宇宙萬物的基本屬性，85%的人類活動都是和時間、空間的信息息息相關的。衛星導航系統的主要任務是提供時間和空間的信息，也就是告訴用戶某一時刻、在哪個地方。

正是由於人類活動和時間、空間息息相關，人類一直在探索最佳的導航定位手段。在遠古時代，人們就已經藉助自然的現象或者地物來獲取時間和空間的信息，如北鬥七星、利用磁鐵石的司南、利用太陽照射物體產生影子的日晷。隨著人類的活動逐漸擴大，到航海時代，人類就可以利用一些簡單的儀器進行時間和位置的計算，如利用燈塔和船隻的距離、方位來引導船隻航行，還有利用指南針特性的羅盤以及航海鍾和航海表。在近代，人類利用的儀器由簡單的儀器發展到精密的儀器，如無線電雷達、慣性導航、電羅經、石英鐘和原子鐘。

（二）衛星導航：當今最重要的導航定位手段

目前，衛星導航系統是最重要的導航定位手段，有以下幾個非常獨特的優勢：一是能夠做到陸海空天全空域、全天時、全天候覆蓋；二是目前的實時定位精度可以達到10米的量級，授時的精度可以達到數十納秒；三是非常簡單、適用，可以以軟體或晶片的形式嵌入手機等終端；四是很便宜，目前一個消費級的終端晶片成本僅10塊錢。

（三）PNT的發展史就是人類活動空間不斷擴展的歷史

綜上所述，PNT的發展史就是人類活動空間不斷擴展的歷史。所謂的PNT是指什麼？P是定位、N是導航、T是授時，也就是說，PNT就是我們平常所說的定位導航授時。PNT的發展史的第一階段是人類遷徙、狩獵、農耕的階段，採用目測自然現象來進行定位；發展到遠洋航海的階段，我們有了羅盤和航海鍾；擴大到航空、遠程陸路的階段，我們有無線電和雷達；隨著1957年人類的第一顆人造衛星上天，我們的活動空間又擴展到了近地空間，產生了以衛星導航系統為核心的定位手段。但是，衛星導航系統也有自身的缺點，如無線電波不能穿透水體，所以水下、室內和深空將是衛星導航系統的新的發展方向。

（四）衛星導航定位的基本原理

衛星導航定位的基本原理非常簡單，就是距離交會法，即：

以已知點為中心、以未知點到已知點的距離為半徑劃一個圓，我們可以假設在二維空間之內以A點為已知點，以C點為用戶未知點，C點到A點為半徑劃一個圓，再假設一個已知點B點又可以形成一個圓，兩圓交會可以形成兩個點，其中必定有一個點是未知點的位置。

對於三維的情況，圓就變成一個球，已知點A、B、D分別是球的球心，三個球相交的點就是未知點的位置。

衛星導航系統是利用距離交會法的原理，用至少四顆以上的衛星來交會出地面未知點的位置，其中有幾個關鍵要素：一是衛星的位置，也就是已知點、球心；二是衛星到用戶的距離，作為球的半徑；三是用戶相對於衛星的時間差。整個衛星導航系統包括幾個部分：空間部分、地面控制部分以及用戶部分。

1.空間部分

衛星導航系統的空間部分發揮著以下作用：一是接收和存儲地面控制系統上傳的導航電文，並通過導航電文計算出衛星的位置和時間；二是發送用戶的導航定位信號，包括偽隨機碼、載波和導航電文等。

目前的四大導航系統的衛星參數是各不相同的。GPS、GLONASS的衛星數量是24個，GALILEO是30個，北鬥三號則是「24+3+3」共30顆，包括MEO、IGSO、GEO三類。其中，MEO是指中軌道衛星，軌道距離地面的高度是21500公裡，IGSO衛星和GEO衛星軌道高度是35786公裡。根據衛星軌道理論，如果衛星的軌道高度是35780公裡左右，那麼它的運行周期和地球自轉的周期是一致的，都是24小時；再假設衛星是在赤道的上空，在上述條件下，衛星就和地面保持相對靜止；其中，IGSO衛星不在赤道上方，它的運行軌道面和赤道面有一個夾角。GEO衛星和IGSO衛星只能實現區域覆蓋，即：運行軌跡只能覆蓋地球的一部分；MEO衛星的軌道高度是20000公裡左右，運行的軌道周期大約是12個小時左右，與地球自轉的時間差就會造成MEO衛星繞著地球進行旋轉，實現全球覆蓋。

2.地面控制部分

衛星導航系統的地面控制部分是由主控站、監測站、注入站等一系列跟蹤站所構成的。其中，監測站跟蹤衛星並獲取觀測數據，再將觀測數據傳送給主控站；主控站利用傳輸過來的數據計算衛星的位置和時間，將導航電文等信息傳送給注入站；信息再由注入站上傳到衛星。

3.用戶部分

衛星導航系統的用戶部分由用戶和接收設備構成。如果用戶要實現導航定位，就需要有一個接收設備。接收設備的主要作用是，接收衛星發射出來的信息，包括偽碼、載波相位和導航電文等信息，再通過一定的數據處理算法得到用戶的位置、速度和時間。

衛星導航系統要實現導航定位，需要有三個關鍵要素：一是衛星的已知位置；二是測得「球」的半徑，也就是衛星到用戶之間的距離，主要是分米級至米級的偽碼與毫米級的載波相位兩種信息，並且需要以一定頻率的合法且公開的無線電信號發射給用戶；三是搭載高精度的原子鐘的第四顆衛星，創造了衛星導航系統在時間上的嚴格同步條件，實現了授時的性能。

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作者：耿濤 武漢大學衛星導航定位技術研究中心教授

本文節選自宣講家網獨家文稿　《耿濤：北鬥衛星導航系統的發展與突破》

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