北斗卫星导航系统概述
00钟恩彬
引言
自从 1960 年美国发射第一颗导航卫星并于1964年组成美国海军导航卫星系
统(NNSS)以来，导航卫星经过了从多普勒定位技术到伪码扩频测距定位，从间断、部分覆盖导航到全天候、全天时、全覆盖导航，从单纯广播式导航到通信导航融合
技术的发展，其中运行了近二十年的美国 GPS 系统是卫星导航技术发展
的结晶。

随着卫星导航系统应用价值的不断扩展， GPS 也暴露了一些不足，比如，GPS 能够解决单一用户的精确定位导航问题，但由于它是广播式的导航，用户不能与导航卫星建立通信，定位信息不能传输给用户中心，这一缺点使得它若在战场上运用时虽然能给导弹导航，但不能向指挥中心回传打击效果。

我国充分吸收 GPS 的经验，于上世纪 80 年代开始研究设计自己的卫星导航系统—北斗卫星导
航系统。

截至目前，我国已经发射了 16 颗组网卫星，基本实现了亚太区域覆盖，我们很快就将用上国产的北斗终端设备了。

在此背景下，本文将主要从北斗卫星导航系统的基本原理、与其它系统的比较两个方面简要介绍北斗卫星导航系统。

一、北斗卫星导航系统的基本原理
卫星定位说白了就是测出几颗卫星到定位点的距离，然后在建立的三维空间坐标系中以这些距离为半径画几个球，球的交点即为定位点的坐标，至于导航就是选定一个参考点，测算出它的坐标，引导用户到该参考坐标点就是导航。

关键的问题是如何测量出实时的距离，这就需要利用电磁波在卫星与用户之间的来回传播来测算。

不过实际的系统远不止这么简单，例如必须保证发射和接受同步，这就好比要使卫星和用户接收机同时开始播放同一首歌，这时站在接收机旁的人会停到两个版本的歌声，滞后的就是来自卫星的歌声，这个时延乘上光速 c 即为卫星到定位点的距离，当然，这个时延的测量也必须用精准的时钟。

为了保证这些，电磁波上必须加载复杂的导航电文。

导航电文不是由卫星单独产生的，而要有地面主控站来控制完成，所以为了不受制于人，我国决定开发自己的卫星导航系统。

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端组成，空间端包括 35 颗组网卫星，其中 5 颗为静止轨道 (GEO)卫星，地面端主要有主控站、注入站
和监测站等，而用户端既包括北斗用户终端，也包括与其它导航系统兼容的
终端。

北斗卫星导航系统分三阶段组网，目前已成功完成北斗-1 的试验和北
斗-2 区域定位导航系统的组网，接下来将在2020 年左右完成北斗-2 全球定位导航系统的组网，届时北斗定位精度将由于10 米，测速精度由于0.2 米每秒，授时精度 20 纳秒。

北斗 -1 是有源定位导航，即用户主动向卫星发送信号请求服务，它只覆
盖我国领土范围 (包括钓鱼岛 )，它的解算原理工作过程是[1]：1)首先由中心控制系统向卫星 1和卫星 2 同时发送询问信号 ,经卫星转发器向服务区内的用户广播。

2)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。

3)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 :即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。

4)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
以算出用户到第二颗卫星的距离 ,从而知道用户处于两颗卫星为球心的一个球
面 ,另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高
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。

北斗 -2 是无源定位导航，它包括区域系统和全球系统，它的基本定位原
理与美国的 GPS大体相同[2]：以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后采
用空间距离后方交会的方法，计算求出接收机的三维位置、三维方向以及
运动速度和时间信息。

对于需定位的每一点来说都包含有 4 个未知数：该点
三维地心坐标和卫星接收机的时钟差，故定位至少需要 4 颗卫星的观测来进行计算。

一般来说，接收机的解算值包括伪距和载波相位[3]，两者结合可得到用户的位置。

在计算位置坐标时，四颗卫星的位置必须要知道，以这四颗卫星为
球心画四个球，四个球的交点即为用户位置。

若采用一个接收机确定卫星位置，误差会比较大，所以北斗 -2 采用两个以上接收机确定卫星位置的
方法即相对定位，这样可大大减小误差。

二、北斗与其它卫星导航系统的比较
目前世界上最成熟的卫星定位导航系统是美国的全球定位系统 -GPS，所以这里主要比较一下北斗与 GPS。

相较于 GPS，我们的北斗最大的优势是它除了具备与其它系统一样的定位、导航与授时功能外，还保留了通信功能，
即短报文通信（北斗一次最多可双向传输 120 个汉字），而 GPS 要靠地面通信网或其它卫星进行通信。

这得益于北斗采用主动双向导航，就是前面讲的
有源定位和无源定位相结合的方式，由于美苏争霸时期论证不够完整， GPS 放弃了很有民用应用价值的保留通信式导航方式，而选择了主动式导航方式即无源定位方式，所以目前 GPS 靠一个辅助系统即 A-GPS 来完善通信功能。

北斗导航系统由于是主动双向测距系统，用户设备不仅要通过地球同步卫星向地面中心站发射申请信号，而且还要接收地面中心站返回的信号，因此系
统的用户容量取决于卫星的可用频带宽度、信号的调制和编码方式以及地面中心站的运算速度，它的用户容量是有限的。

而 GPS 是单向测距系统，用户设备只要能接收从导航卫星发出的导航电文就可进行测距定位，因此的用户
容量是无限的[4]。

北斗还有一个优势，就是与其它卫星导航系统的兼容。

所谓兼容就是在
同一台接收机上处理来自不同系统的导航电文，实现联合定位。

不同的卫星
定位系统有特定的坐标基准和时间基准，北斗采用的是CSCS2000国家大地坐标系统和北斗时间系统（BeiDou T）；GPS 采用的是 WGS-84 坐标系统和GPS 时间系统（ GPST）。

在北斗和 GPS 联合解算时，应将二者的坐标基准和时间基准进行转换和统一[5] 。

当然，北斗也有不足之处，北斗的精度不如GPS，这主要是由于两者用于同步的原子钟精度不同，这导致卫星在向用户
发送含有同步信息的导航电文时产生的时延误差会比较大，从而影响卫星到用户端距离的测算。

北斗-1 采用有源定位导航也有对原子钟精度不高的考虑，不过随着我国科研工作者在这方面研究的深入，相信更高精度的原子钟
将运用在北斗组网卫星上。

结束语
卫星定位导航系统是一个很复杂的系统，本文只是很粗略地描述了一下
北斗的定位原理，对诸如导航电文的信号结构等没有深入分析，不过可以作为一篇大致了解北斗卫星导航系统的参考文章。

北斗卫星导航系统工程发展至今已将近 30 年，随着我国卫星导航技术的日臻成熟与完善，相信不久的将来，北斗必然会在未来的卫星导航市场竞争中争得一席之地。

参考文献
[1]周露、刘宝忠 .《北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用》
[2]易鸣镝、顾洪夫、陈广飞 .《GPS 定位原理浅析及误差分析》
[3]王权 .《全球定位系统 -GPS 定位原理及应用》
[4]魏武财 .《北斗导航系统与 GPS 的比较》
[5]高星伟、过静珺、丁志刚等 .《基于时空系统的北斗与 GPS融合定位》。