北斗卫星导航系统特色及优势

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先进的卫星导航系统是空间信息基础设施，也是世界大国强国强军的重器。近年来，北斗卫星导航系统在我国交通、运输、能源、农林牧渔等经济领域的应 用得到迅速发展，产生了重大的经济效益和社会效益。北斗卫星导航系统带动的 卫星导航产业生机勃勃、方兴未艾，北斗卫星导航系统对拉动国内生产总值增长 的贡献难以估量。北斗卫星导航系统对经济建设和国防建设的强力推动作用正在凸显。

《北斗卫星导航原理及应用》一书作者团队长期从事卫星导航教学及研究工作，承担了多项国家自然科学基金和国家重大科研项目，该书对北斗卫星导航系 统基本原理及其在军民领域的应用案例进行详细总结，内容丰富、资料翔实、通 俗易懂，希望对从事卫星导航专业师生及工程技术人员有所裨益。

魏子卿     

中国工程院院士

2023年12月



















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全球卫星导航系统能够提供定位、测速、授时功能，是国民经济建设和现代国防不可或缺的重大空间信息基础设施，是一个国家或地区的重要战略资源。北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行、分阶段建设的卫星导航系统，2003年12 月北斗一号卫星导航系统正式开通运行，2012 年12 月北斗二号卫星导航系统开通运营，2018 年12 月北斗三号卫星导航系统完成基本系统建设并提供全球服务，2020 年6 月该系统完成全部30 颗北斗三号卫星发射任务，至此具备全球服务能力的北斗三号卫星导航系统全面建成。

北斗卫星导航系统已在民用领域和军事领域得到广泛应用，《北斗卫星导航原理及应用》（丛佃伟, 吕志伟, 刘婧编著. 北京 : 科学出版社, 2024. 11）作者结合自身卫星导航教学科研的经历，完整介绍北斗卫星导航系统的建设历程及系统特色，在总结北斗卫星导航系统应用基本原理的基础上，着重突出北斗卫星导航系统在民用领域和军事领域的主要应用，便于读者对北斗卫星导航系统的行业应用有全面的了解和深入的认识。

丛佃伟   

2024 年10 月

卫星导航系统能够同时提供导航、定位、授时功能，是国家重要的战略基础设施。目前几个主要卫星导航系统均采用了基于距离的空间后方交会方法进行卫星导航系统的设计，距离测量主要通过伪随机码测距方式实现，总体发展策略及技术路径是一致的，但在具体实现上，各国均根据国情、战略需求、技术储备等开展了一些特色建设。作者尝试总结我国北斗卫星导航系统在自身发展过程中的特色及优势，由于系统的不断演进及其他主要卫星导航系统也在不断向前发展，所以有的特色及优势可能是阶段性的。

01

具备RDSS工作体制



北斗卫星导航系统特色及优势

北斗一号卫星导航系统采用RDSS工作体制，其基本定位原理为双向测距、三球交会测量原理。地面中心站是RDSS业务的控制中心，GEO卫星构成地面中心站与用户之间的无线电链路，共同完成RDSS无线电测定业务。地面中心站通过两颗GEO卫星向用户广播询问信号(出站信号)，并根据用户响应的应答信号(入站信号)测量、计算出用户到2颗GEO卫星的距离；然后根据地面中心站存储的数字地图或用户自带的测高仪测出的高程算出用户到地心的距离，根据这3个距离就可以通过三球交会测量原理确定用户的位置，并通过出站信号将定位结果告知用户。授时和短报文通信功能也在这种出入站信号的传输过程中同时实现。

北斗二号卫星导航系统和北斗三号卫星导航系统在主要采用RNSS工作体制的基础上，继承了北斗一号卫星导航系统的RDSS服务能力。RDSS为有源服务体制，RNSS为无源服务体制，北斗卫星导航系统中的GEO卫星兼具有源服务和无源服务，MEO卫星和IGSO卫星主要提供无源服务。北斗卫星导航系统采用RDSS与RNSS两种服务体制，把导航与通信紧密结合起来，成为世界上第一个导航与定位报告深度融合的卫星导航系统，首任北斗卫星导航系统工程总设计师孙家栋院士表示：有源与无源两种体制的结合，是中国北斗的最大特色和亮点，也是中国北斗的优势所在，体现了中国人的创新智慧和对世界卫星导航系统发展的卓越贡献。美国GPS之父帕金森教授曾这样盛赞北斗的导航、通信一体化功能：既能够知道你在哪里，也能够知道我在哪里，这是多么美妙的体验。

RDSS工作体制是北斗卫星导航系统的特点和亮点，是区别于GPS、GLONASS和Galileo系统的重要特色，可为中国及周边地区提供快速定位、位置报告、短报文通信和高精度授时服务。卫星和地面设备通信链路的带宽和容量有限，入站和出站的资源都是有限的，因此必须对服务频度加以限制，根据用户的需求及重要等级进行区分。对于低频度用户，其服务频度偏低，当遇到紧急情况时，可以使用RDSS紧急定位模式。

北斗卫星导航系统具备RDSS工作体制，使系统具备了指挥监控的基本条件。指挥类用户设备通过系统授权与一定数量的普通用户构成指挥集团，具有分级管理、实时监控下属用户、指挥关系调配和导航定位等功能。指挥类用户设备能够获得下属用户机的RDSS定位数据和短报文通信内容，以及下属用户通过位置报告发来的RNSS定位结果，还能够向所有下属用户发送通播信息，从而起到指挥、管理整个指挥集团的作用。

02

独特的混合卫星星座方案



北斗卫星导航系统特色及优势

GNSS空间卫星星座由在空间呈一定布局的卫星组成，在设计上要保证GNSS卫星在任何时刻都具有对服务区覆盖的可靠性，空间星座设计是一个复杂、不断优化的过程，涉及信号覆盖率、用户定位精度、系统有效性、卫星几何分布等多方面技术性指标，同时还需考虑如何降低开发和维护成本、自身条件等非技术因素。对于不同的卫星导航系统，服务区有全球性的，也有区域性的，对于不同的区域卫星导航系统，又有区域特性和用户需求的差异。根据卫星运行轨道及高度的不同，GNSS卫星通常分为如下三种类型。

GEO卫星。GEO卫星轨道半径为42164km，轨道面与地球赤道面重合(轨道倾角为0°)，并且具有与地球相同的角速度，从地球上看好像是停留在地球赤道上空。由于轨道高度高和静止在规定的赤道上空，所以其发射信号能24h连续覆盖固定的一大片区域(每颗卫星可覆盖地球表面固定区域的42%)，对建设区域覆盖卫星导航系统而言，其卫星利用率最高，我国在北斗卫星导航系统的建设过程中充分考虑了这个因素。GEO卫星都处于赤道面内，受导航定位所需几何构型的限制，每个卫星接收机最多只能利用经度相隔较大的两颗GEO卫星的测量值，因此我国北斗一号卫星导航系统的卫星星座除了利用2颗GEO卫星外，还需要数字高程模型数据库的支持。北斗二号卫星导航系统除了利用GEO卫星外，为了避免依赖地面高程数据的支持，在星座中加入了相对地球移动的IGSO卫星。

IGSO卫星。IGSO卫星是一种运动状态与地球赤道面存在一个轨道倾角的地球同步卫星，运行高度与GEO卫星相同。从地球上看，其卫星有着“8”字形运行轨道，即卫星轨道中心位于赤道上空的某一经度处，其24h轨迹在相应的一个经度带内南北来回运动。在中纬度地区，IGSO卫星在连续24h的可见时间高达15h，因此其利用率较高，也适用于构建区域性系统星座。我国北斗二号卫星星座建设方案的倡议者许其凤院士正是充分考虑到GEO卫星和IGSO卫星高利用率的特点，在国际上最早提出了采用GEO卫星和IGSO卫星构建卫星导航系统星座的“5+3”和“5+5”方案，并获得工程应用。从实际运行效果来看，这个方案是适合我国阶段需求的异于GPS、GLONASS等系统的星座建设方案。此后，日本准天顶卫星导航系统和印度区域卫星导航系统也采用了类似的设计方案。

我国采用GEO卫星和IGSO卫星星座还可以极大地降低卫星定位对原子钟的性能要求，同时弥补由监测站难以全球布设导致的卫星星历精度差的不足。

MEO卫星。其倾角一般在55°～65°，运行周期约12h，其轨迹历经全球，倾角大小的选择主要取决于GNSS信号覆盖性在所需最佳化的纬度值，例如，对于采用55°轨道倾角的卫星，在北纬40°至南纬40°地区有最佳的覆盖效果。分析计算表明，若24颗倾角为55°的MEO卫星均匀分布在3 个轨道面上，则这种分布可以满足GNSS全球的良好信号覆盖性。GPS、GLONASS和Galileo三个系统全部采用了MEO卫星进行星座建设，每颗中轨道的GPS卫星能覆盖地球表面的37.9%。

低地球轨道(low earth orbit，LEO)卫星运行在离地球较近的轨道上，其信号覆盖面较小，卫星利用率较低。大椭圆轨道卫星运行高度变化剧烈，使得接收机端的信号多普勒频移和信号接收功率范围变化较大，不利于对大多数以码分多址(code division multiple access，CDMA)作为信号多址机制的GNSS接收机信道设计。因此，目前主要卫星导航系统没有采用这两种卫星。当然随着技术的发展和需求的增加，将来有可能会出现新的变化，由于LEO卫星信号能够达到更强，且在轨卫星数量众多，低轨卫星导航技术已经得到发展。

我国北斗二号卫星导航系统采用以GEO卫星和IGSO卫星为主的混合星座方案，能够以相对较少数量的卫星保证区域内的服务性能；卫星数量少，缩短了系统部署时间；GEO卫星可以增加有源定位和短报文通信服务，且便于实现系统级的广域差分功能。最重要的是该方案还解决了我国监测站布局受限及当时条件下原子钟性能不足的系统建设瓶颈问题。考虑到异构星座具备的优点和在我国卫星导航系统建设中的成功实践，北斗三号卫星导航系统虽然以MEO卫星为主，但仍保留了GEO卫星和IGSO卫星，采用同步卫星(GEO卫星、IGSO卫星)增强的全球系统可使亚太地区的导航性能得到显著增强，确保在我国军用、民用最关注的区域内北斗卫星导航系统的性能能够超越其他卫星导航系统，能够在未来激烈的GNSS性能竞争中，保持更高的区域定位、授时性能。

03

具备系统级广域差分功能



北斗卫星导航系统特色及优势

差分GNSS(differential globalnavigation satellite system，DGNSS)能有效提高卫星导航系统定位性能，其工作的主要依据是卫星钟差、卫星星历误差、电离层延迟和对流层延迟影响具有强的空间相关性和时间相关性。存在相距不远的两个接收机共同观测同一颗GNSS卫星的情况，由于卫星高度较高，当两个接收机相距100km时，与卫星的夹角不超过0.3º，这意味着卫星信号到两个接收机的传播路径非常相近，即在传输路径上受相近误差的影响(电离层延迟和对流层延迟)。由于观测的是同一颗卫星，卫星端的误差项(卫星钟差、卫星星历误差)对两个接收机也是相同的。正是基于这样的考量，人们建立了多种DGNSS。根据服务范围可将其分为局域差分和广域差分两类；按照观测量的不同可将其分为位置差分、伪距差分、载波相位平滑后的伪距差分以及载波相位差分四种；根据用户接收机的定位结果形式可将其分为绝对定位、相对定位两种；根据差分操作的级数不同可将其分为单差、双差和三差三种；根据用户接收机运动状态可将其分为静态定位和动态定位两种；根据实时性不同可将其分为实时处理和测后处理两类；根据差分矫正量的播放方式不同，如果是经由卫星(通常是GEO卫星)播发的，则称其为星基差分系统，否则称其为陆基增强系统(ground-based augmentation systems，GBAS)。

我国北斗卫星导航系统是世界上第一个系统级的广域差分卫星导航系统，不必像GPS等需要额外建设广域增强系统(wide area augmentationsystem，WAAS)来实现广域差分的功能。北斗卫星导航系统自身卫星星座中包含GEO卫星，可利用自身GEO卫星作为平台播发差分校正量来实现系统级的广域差分，即在系统内实现了星基增强系统的功能。

04

基于星间测距技术的

卫星定轨方法



北斗卫星导航系统特色及优势

卫星轨道的计算精度直接影响利用卫星导航系统所能实现的定位、测速精度，与GPS卫星导航系统建设条件不同，我国无法实现地面测控站的全球均匀分布，只能依靠区域性地面测控网跟踪定轨。在进行北斗二号卫星导航系统建设时，利用了GEO卫星、IGSO卫星的特点解决了仅在我国国土测控范围实现对卫星的高精度定轨的难题。但在建设全球卫星导航系统时，MEO卫星是主要工作卫星，受限于国土范围经度跨度，仅利用境内跟踪站将造成MEO卫星被跟踪弧段短，致使最终MEO卫星的定轨精度很难得到提高，而且在战时条件下不受高度保护的地面测控站极易受到敌方精确打击，这也限制了我国卫星导航系统的卫星定轨方法不能依赖境外设站方法解决，以免受制于其他国家。从适应导航战的角度出发，我国也需要进行导航卫星自主定轨技术的研究。

导航卫星自主定轨是指卫星在长时间缺少地面系统支持的情形下，通过星间观测(测距、测速、测向)、星间通信以及星上数据处理过程，不断修正地面中心站注入的预报星历和钟差参数，并自主生成导航电文和保持星座基本构型，维持整个系统正常运行的实现过程。美国学者Ananda 早在1984 年便提出了在不需要地面系统支持的情况下，利用GPS星间测距观测进行卫星自主定轨的想法。1990 年6 月，Ananda 基本完成了自主定轨的理论、设计和数据模拟等工作。目前，Block Ⅱ F 卫星的自主定轨模式能运行60 天左右，其用户测距误差(user range error，URE)不高于3m。

北斗三号卫星导航系统采用卫星间测距和数据传输技术，实现了高轨卫星、低轨卫星及地面中心站的链路互通，可以实现对MEO卫星的全弧段跟踪，实现满足系统建设需求的卫星定轨精度，该方法除能降低导航卫星对地面测控站的依赖外，还能够有效弥补我国地面测控站分布不均匀带来的缺陷，提高定轨精度。在地面测控系统支持的情况下，通过星间双向测距还提供了一个独立的检验卫星钟差和星历精度的方式，提高了可靠性。

05

具备自主知识产权和特色

的卫星信号体制



北斗卫星导航系统特色及优势

一个设计合理、性能完善的信号体制在GNSS中非常重要，决定着导航系统的性能，是系统设计和升级换代过程中必须予以考虑的因素。信号体制对GNSS性能的影响主要体现在精度、抗干扰、抗多径和兼容性四个方面，此外还涉及信号捕获与跟踪灵敏度、对信号位与子帧的同步、首次定位时间等诸多方面的性能，以及伪码复制方式、窄带接收机的分贝损耗、数据处理能力要求等诸多细节对接收机复杂度的影响。

导航系统的业务频段主要集中在国际电信联盟分配的960～1610MHz，该频段除卫星无线电导航外，还包括了航空无线电导航、航空移动、卫星地球探测、空间研究等其他全球业务。我国提出并实现了国际电信联盟框架下S频段用于全球导航服务的合法地位，率先设计了北斗全球系统使用S频段导航信号的技术方案，为北斗赢得了全球发展的重要基础。

北斗卫星导航系统是全球首个全星座都播发三频信号的卫星导航系统，三频信号相比于双频信号，能更好地消除高阶电离层延迟的影响，提高了定位的可靠性，当一个频率信号出现问题时，可使用传统方法利用另外两个频率进行定位。三频GNSS的显著特点是可以形成具有更长波长、更小电离层延迟影响、更小噪声等优良特性的组合观测量，在周跳探测、模糊度快速固定以及完好性检测等方面都有独特的优势。

06

高精度卫星双向授时精度



北斗卫星导航系统特色及优势

授时功能是指用户时钟与北斗卫星导航系统时间基准严格同步，北斗卫星导航系统具有单向授时和双向授时两种工作模式。授时型用户机输出的标准时间信号一般为秒脉冲信号。单向授时通过授时型用户机接收中心控制系统播发的授时信息，经时延修正后实现定时。时延修正量包括用户机的单向零值、中心控制系统至卫星的距离时延、卫星至用户的距离时延。单向授时的修正周期为1次/min，修正后的单向定时精度优于100ns。双向授时通过授时型用户机向中心控制系统发送定时申请，并根据中心控制系统返回的定时修正量完成时间修正后实现定时。定时修正量为中心控制系统至用户的正向传播时延，在中心控制系统完成计算，经出站信号发送给用户。双向授时修正周期根据定时申请服务频度而定，修正后的双向定时精度优于20ns。

卫星导航系统是一个基于时间测量的测距定位系统，用户的位置和速度信息通过测量时间频率获得，时间信息的生成与保持、时间频率信号的测量是卫星导航系统最重要的技术之一。通过建立系统时与国家标准时之间的关系，保持与协调世界时的同步，进而实现授时功能。卫星导航系统具有高精度、全天时、全天候、大范围、低成本的特点，成为当今标准时间频率信号传递的最主要手段。我国北斗卫星导航系统具备双向授时功能，能够实现比GPS、GLONASS更高的授时精度。



本文摘编自《北斗卫星导航原理及应用》（丛佃伟, 吕志伟, 刘婧编著. 北京 : 科学出版社, 2024. 11）一书“第1 章 绪 论”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(导航与时频技术丛书)

ISBN978-7-03-080432-7

责任编辑：张艳芬 李 娜

卫星导航系统能够同时提供定位、导航、授时功能，是国民经济建设和现代国防不可或缺的重大空间信息基础设施，是完成时空基准统一的最高效、最便捷的途径。卫星导航系统已渗透到国民经济诸多领域和人们日常生活的方方面面，成为建设和谐社会、服务人民大众、提升生活质量的重要工具；卫星导航系统具备巨大的军事应用价值，是现代战争武器系统效能的“倍增器”。

本书可作为高等院校卫星导航专业本科生与专科生的参考用书，也可供相关科研人员和工程技术人员参考。

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书号：9787030767967

本书是卫星导航工程技术领域的一本专著。本书系统介绍基于我国国情的北斗卫星导航系统星座的设计约束条件和性能评价体系，全面汇集北斗一号双星导航系统、北斗二号区域导航系统和北斗三号全球导航系统在星座设计与工程实现方面取得的研究成果，主要包括北斗卫星导航系统星座任务分析、建模仿真、组网维护、性能评估，以及备份策略等，详细论述北斗卫星导航系统倾斜地球同步轨道和中地球轨道卫星寿命末期的离轨处置原则与策略。

（本文编辑：刘四旦）

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