一、北斗系統(tǒng)的定位原理

35顆衛(wèi)星在離地面2萬(wàn)多千米的高空上，以固定的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。

由于衛(wèi)星的位置精確可知，在接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置（X，Y，Z）?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。

事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

衛(wèi)星定位實(shí)施的是“到達(dá)時(shí)間差”（時(shí)延）的概念：利用每一顆衛(wèi)星的精確位置和連續(xù)發(fā)送的星上原子鐘生成的導(dǎo)航信息獲得從衛(wèi)星至接收機(jī)的到達(dá)時(shí)間差。

衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送帶有時(shí)間和位置信息的無(wú)線電信號(hào)，供接收機(jī)接收。由于傳輸?shù)木嚯x因素，接收機(jī)接收到信號(hào)的時(shí)刻要比衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)的時(shí)刻延遲，通常稱之為時(shí)延，因此，也可以通過(guò)時(shí)延來(lái)確定距離。衛(wèi)星和接收機(jī)同時(shí)產(chǎn)生同樣的偽隨機(jī)碼，一旦兩個(gè)碼實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，接收機(jī)便能測(cè)定時(shí)延；將時(shí)延乘上光速，便能得到距離。

每顆衛(wèi)星上的計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航信息發(fā)生器非常精確地了解其軌道位置和系統(tǒng)時(shí)間，而全球監(jiān)測(cè)站網(wǎng)保持連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的軌道位置和系統(tǒng)時(shí)間。位于地面的主控站與其運(yùn)控段一起，至少每天一次對(duì)每顆衛(wèi)星注入校正數(shù)據(jù)。注入數(shù)據(jù)包括：星座中每顆衛(wèi)星的軌道位置測(cè)定和星上時(shí)鐘的校正。這些校正數(shù)據(jù)是在復(fù)雜模型的基礎(chǔ)上算出的，可在幾個(gè)星期內(nèi)保持有效。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間是由每顆衛(wèi)星上原子鐘的銫和銣原子頻標(biāo)保持的。這些星鐘一般來(lái)講精確到世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）的幾納秒以內(nèi)，UTC是由美國(guó)海軍觀象臺(tái)的“主鐘”保持的，每臺(tái)主鐘的穩(wěn)定性為若干個(gè)10^-13秒。衛(wèi)星早期采用兩部銫頻標(biāo)和兩部銣頻標(biāo)，后來(lái)逐步改變?yōu)楦嗟夭捎勉滎l標(biāo)。通常，在任一指定時(shí)間內(nèi)，每顆衛(wèi)星上只有一臺(tái)頻標(biāo)在工作。

衛(wèi)星導(dǎo)航原理：衛(wèi)星至用戶間的距離測(cè)量是基于衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射時(shí)間與到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間之差，稱為偽距。為了計(jì)算用戶的三維位置和接收機(jī)時(shí)鐘偏差，偽距測(cè)量要求至少接收來(lái)自4顆衛(wèi)星的信號(hào)。

由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，使得民用的定位精度只有數(shù)十米量級(jí)。為提高定位精度，普遍采用差分定位技術(shù)（如DGPS、DGNSS），建立地面基準(zhǔn)站(差分臺(tái))進(jìn)行衛(wèi)星觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分定位技術(shù)，定位精度可提高到米級(jí)。

二、系統(tǒng)功能

（一）四大功能

短報(bào)文通信：北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報(bào)文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個(gè)漢字的短報(bào)文信息?？梢赃_(dá)到一次傳送達(dá)120個(gè)漢字的信息。在遠(yuǎn)洋航行中有重要的應(yīng)用價(jià)值。

精密授時(shí)：北斗系統(tǒng)具有精密授時(shí)功能，可向用戶提供20ns-100ns時(shí)間同步精度。

定位精度：水平精度100米（1σ），設(shè)立標(biāo)校站之后為20米（類(lèi)似差分狀態(tài)）。工作頻率：2491.75MHz。

系統(tǒng)容納的最大用戶數(shù)：540000戶/小時(shí)。

（二）軍用功能

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的軍事功能與GPS類(lèi)似，如：運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位導(dǎo)航；為縮短反應(yīng)時(shí)間的武器載具發(fā)射位置的快速定位；人員搜救、水上排雷的定位需求等。

這項(xiàng)功能用在軍事上，意味著可主動(dòng)進(jìn)行各級(jí)部隊(duì)的定位，也就是說(shuō)各級(jí)部隊(duì)一旦配備“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，除了可供自身定位導(dǎo)航外，高層指揮部也可隨時(shí)通過(guò)“北斗”系統(tǒng)掌握部隊(duì)位置，并傳遞相關(guān)命令，對(duì)任務(wù)的執(zhí)行有相當(dāng)大的助益。換言之，可利用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)執(zhí)行部隊(duì)指揮與管制及戰(zhàn)場(chǎng)管理。

（三）民用功能

1、個(gè)人位置服務(wù)

當(dāng)你進(jìn)入不熟悉的地方時(shí)，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的手機(jī)或車(chē)載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置找到你要走的路線。

2、氣象應(yīng)用

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星氣象應(yīng)用的開(kāi)展，可以促進(jìn)中國(guó)天氣分析和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候變化監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，也可以提高空間天氣預(yù)警業(yè)務(wù)水平，提升中國(guó)氣象防災(zāi)減災(zāi)的能力。

除此之外，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的氣象應(yīng)用對(duì)推動(dòng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星創(chuàng)新應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)拓展也具有重要的影響。

3、道路交通管理

衛(wèi)星導(dǎo)航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過(guò)在車(chē)輛上安裝衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)，車(chē)輛的位置信息就能在幾秒鐘內(nèi)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。這些位置信息可用于道路交通管理。

4、鐵路智能交通

衛(wèi)星導(dǎo)航將促進(jìn)傳統(tǒng)運(yùn)輸方式實(shí)現(xiàn)升級(jí)與轉(zhuǎn)型。例如，在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，通過(guò)安裝衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，可極大縮短列車(chē)行駛間隔時(shí)間，降低運(yùn)輸成本，有效提高運(yùn)輸效率。未來(lái)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將提供高可靠、高精度的定位、測(cè)速、授時(shí)服務(wù)，促進(jìn)鐵路交通的現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度向智能交通管理的轉(zhuǎn)型。

5、海運(yùn)和水運(yùn)

海運(yùn)和水運(yùn)是全世界最廣泛的運(yùn)輸方式之一，也是衛(wèi)星導(dǎo)航最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一。在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類(lèi)船舶大多都安裝了衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，使海上和水路運(yùn)輸更為高效和安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導(dǎo)航定位和安全保障。同時(shí)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報(bào)文通信功能將支持各種新型服務(wù)的開(kāi)發(fā)。

6、航空運(yùn)輸

當(dāng)飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)跑道著陸時(shí)，最基本的要求是確保飛機(jī)相互間的安全距離。利用衛(wèi)星導(dǎo)航精確定位與測(cè)速的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)時(shí)確定飛機(jī)的瞬時(shí)位置，有效減小飛機(jī)之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)盲降，極大提高飛行安全和機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率。通過(guò)將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的有效結(jié)合，將為航空運(yùn)輸提供更多的安全保障。

7、應(yīng)急救援

衛(wèi)星導(dǎo)航已廣泛用于沙漠、山區(qū)、海洋等人煙稀少地區(qū)的搜索救援。在發(fā)生地震、洪災(zāi)等重大災(zāi)害時(shí)，救援成功的關(guān)鍵在于及時(shí)了解災(zāi)情并迅速到達(dá)救援地點(diǎn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除導(dǎo)航定位外，還具備短報(bào)文通信功能，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可及時(shí)報(bào)告所處位置和受災(zāi)情況，有效縮短救援搜尋時(shí)間，提高搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)效，大大減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失。

8、指導(dǎo)放牧

2014年10月，北斗系統(tǒng)開(kāi)始在青海省牧區(qū)試點(diǎn)建設(shè)北斗衛(wèi)星放牧信息化指導(dǎo)系統(tǒng)，主要依靠牧區(qū)放牧智能指導(dǎo)系統(tǒng)管理平臺(tái)、牧民專(zhuān)用北斗智能終端和牧場(chǎng)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，并通過(guò)北斗地面站及北斗星群中轉(zhuǎn)、中繼處理，實(shí)現(xiàn)草場(chǎng)牧草、牛羊的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。2015年夏季，試點(diǎn)牧區(qū)的牧民就能使用專(zhuān)用北斗智能終端設(shè)備來(lái)指導(dǎo)放牧。

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