北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）是我国自行研制开发的独立区域性、有源三维卫星定位与通信系统（CNSS）。北斗卫星导航系统促进了卫星导航产业链的形成，形成了完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动了卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。目前全世界有4套卫星导航系统：中国北斗、美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”、欧洲“伽利略”。其中美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”已建成投入使用。中国北斗，欧洲“伽利略”仍处于建设阶段。

卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会经济效益。中国作为发展中国家，拥有广阔的领土和海域，高度重视卫星导航系统的建设，努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。图14-11为北斗卫星导航系统。

图14-1 1北斗卫星导航系统

2000年以来，我国已成功发射了8颗“北斗导航试验卫星”，建成了北斗导航试验系统（第一代系统）。2011年4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭，将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。2012年12月27日起，向我国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。

我国的北斗卫星导航系统提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务；授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

我国计划在2020年左右将覆盖全球，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。

（一）组成

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。30颗非静止轨道卫星又由27颗中轨道（MEO）卫星和3颗倾斜同步（IGSO）卫星组成，27颗中轨道卫星平均分布在倾角为55°的三个平面上，轨道高度为21500km，采用“东方红”-3号卫星平台；地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站；用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧洲“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。

（二）工作原理

北斗卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星Ⅰ和卫星Ⅱ同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查询到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。技术参数如下：

1）短报文通信：一次可传送多达120个汉字的信息。

2）精密授时：精度达10ns。

3）定位精度：水平精度100m（1σ），设立标校站之后为20m（类似差分状态）。

4）工作频率：2491.75MHz。

5）系统容量：每小时540000户。

（三）建设原则

北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：

（1）开放性 北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。

（2）自主性 中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。

（3）兼容性 在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。

（4）渐进性 中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。

（四）系统优劣势

（1）优势

1）和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，增加了通信功能。

2）全天候快速定位，与GPS精度相当。

3）同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持。

4）覆盖中国及周边国家和地区，24h全天候服务，无通信盲区。

5）特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用。

6）独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”的问题。(www.daowen.com)

7）自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。

（2）劣势

1）北斗一号系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。

2）北斗一号系统属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务。

（3）与GPS的比较

1）覆盖范围。北斗卫星导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经为70°～140°，北纬为5°～55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6～9颗卫星（实际上最多能观测到11颗）。

2）数量和轨道。北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°，导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周为11小时58分。

3）定位原理。北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，提供用户的三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己的三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量、价格和功耗方面处于不利的地位。

4）定位精度。北斗卫星导航系统的三维定位精度约为几十米，授时精度约为100ns。GPS的三维定位精度P码目前已由16m提高到6m，C／A码目前已由25～100m提高到12m，授时精度目前约为20ns。

5）用户容量。北斗卫星导航系统由于是主动双向测距的询问-应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。

6）生存能力。和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星进行工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里，而不是由用户设备完成的，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。GPS为了弥补这种系统易损性，正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。

7）实时性。“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发和中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通信功能是GPS所不具备的。

8）实际应用。

①军用。我国大陆卫星导航定位应用近年来发展迅速，但是绝大多数的军民应用范畴都是建立在美国GPS之上，一旦发生战争，美国将会关闭GPS或加大民用码误差。所以我国必须发展自主的卫星导航定位系统。“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。不过，因运作方式不同，“北斗”卫星导航定位系统有一些GPS没有的军事功能，其中最重要的就是部队的指挥管制。由于“北斗”卫星导航定位系统的简短通信功能可进行“群呼”，如集团用户中心发出的各种指令经“北斗”指挥型用户机上传至“北斗”卫星接着转给地面控制中心，再经出站链路传至“北斗”卫星向目标用户转发，使得集团用户中心可对其下属用户进行指挥调度。另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户知道自己的测定位置，而且其调度指挥的上层单位或其他有关单位也可得知用户所在位置。

②民用。北斗卫星导航定位系统的服务区域为中国及周边国家和地区，它可以在服务区域内，在任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度信息，并提供双向短报文通信和精密授时服务。北斗系统可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位。我国北斗卫星导航系统2011年10月完成全面测试，具备向我国大部分地区提供初始服务的条件，2012年已为亚太地区用户提供服务。

9）覆盖全球。第一代卫星导航系统在我国卫星导航系统建设中是一个起步阶段，可以说是用很少的资金投入，打破了国外卫星导航领域的垄断，填补了我国卫星导航领域的空白。但是由于本身原理上的限制，只能是一个区域卫星导航定位系统，无法发展成像GPS那样的全球卫星系统。所以在第一代导航系统建设的同时，中国也同时开始了第二代卫星导航系统的建设论证。策略是“解决急需，兼顾长远；先区域，后全球”。因此，第二代系统的建设分为几步走：首先，完成一期工程，建成区域卫星导航系统。在我国重点地区提供基本的导航、定位、授时服务，满足急需。同时为应用开发全球系统建设奠定基础。这一阶段，就是要在2012年把区域系统的卫星全部发射上天，其中包括地球静止轨道（GEO）卫星、倾斜同步轨道（IGSO）卫星、中圆轨道（MEO）卫星。到目前为止，已经发射了16颗北斗导航卫星。卫星上天需要轨道位置，系统运行需要频率资源。导航卫星的频率资源大部分被美国的GPS占有，俄罗斯的格罗纳斯也占了一部分，中国和欧盟就只能见缝插针，因此北斗系统和伽利略系统计划使用的频率互有重叠。在2015年前，将完成全球系统建设的在轨飞行技术试验工作，全面解决二期工程的关键技术。2020年前，将完成二期工程，建成与国外先进卫星导航系统技术服务相当的全球卫星导航系统。到时，北斗系统的空间段将由30多颗不同轨道类型的卫星组成。二期工程完成之后，北斗导航系统服务范围将由我国及周边地区向全球扩展，导航定位精度将提高，全球区域达到水平5m，高程8m。此外，系统安全性能将进一步提高，短报文通信性能也将得到进一步改善。在民用领域，民间已可以开始使用北斗系统。目前，在建的北斗卫星导航系统除空间段卫星系统、地面运控系统外，用户应用系统也在大力建设之中。我国已经把北斗系统用户终端机的开发作为推广应用的重要内容，不少国内厂商都在积极研制基于北斗系统的轻便、实用的用户终端设备。

（五）未来发展

较之目前仍在运行的“北斗一号”，“北斗二号”在诸多方面具有优势，包括可以有效避免遭受电磁干扰和攻击，实现无源定位，在精度方面大大提高，“北斗一号”精度在10m之内，而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内。

随着北斗二号的发射成功，中国自主研制的北斗卫星导航系统预计在2020年左右将形成覆盖全球的卫星导航定位系统。

正在建设的北斗卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，授时精度为50ns，测速精度为0.2m／s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。随着“北斗一号”卫星导航定位系统的推广应用，中国正在着力研究开发下一代卫星导航定位系统（CNSS）。

北斗卫星导航系统将是一个由30余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的大型航天系统，技术复杂、规模庞大，其建设应用将实现我国航天从单星研制向组批生产、从保单星成功向组网成功、从以卫星为核心向以系统为核心、从面向行业用户向大众用户的历史性转型，开启我国航天事业的新征程，并将对维护我国国家安全、推动经济社会科技文化全面发展提供重要保障。

（六）面临的挑战

在与国外导航系统竞争的情况下，在较短时间内完成北斗在国家经济安全领域的推广应用和在大众市场的迅速扩展，还面临不少挑战：

1）必须拥有核心自主知识产权的接收机芯片。在卫星导航芯片这一核心技术领域，我国的专利还寥寥无几，而国外厂商仅基带芯片已拥有2000多项专利。在不远的将来，可能会出现又一个“有机无芯”的产业。要解决这一问题，需要创造更好的机制，鼓励在基础研究、产品开发等方面自主创新，掌握核心技术，保护自主知识产权，提高核心竞争力。

2）必须提出有竞争力的应用解决方案和规模推广策略。目前，GPS已占据我国卫星导航应用的绝大部分市场，在这种情况下，北斗系统产业化面临巨大挑战。我国拥有全球卫星导航应用的最大市场，紧紧抓住应用的基础市场，充分发挥北斗服务特色，创造性地提出应用解决方案和规模化推广策略，是北斗系统应用推广和产业化的关键。

3）卫星性能的竞争。导航卫星设计和研制水平决定着系统的性能，目前北斗卫星设计已经达到国外导航卫星水平，在未来发展中要不断自主创新，争取在国际导航卫星研制领域处于领先地位。

4）系统发展的博弈。面向未来，卫星导航系统需要持续的发展建设，以满足用户更高的使用要求；需要国家持续的经费投入、人才培养、产业推广，以确保我国北斗卫星导航系统在未来发展与国际竞争中占据优势地位。

“北斗”导航应用将迎来“规模化、社会化、产业化、国际化”的历史机遇，我国将在2015年前完成“北斗”导航产品标准、民用服务资质等法规体系建设，同时在北京建设一个国家级检测中心，在全国按区域建设7个区域级授权检测中心，加快推动“北斗”导航检测认证进入国家认证认可体系，相关检测标准进入国家标准系列。