北斗卫星导航系统实现亚太组网
太空指南靠绝招
从古至今，人类在生产和生活实践中发明了多种导航方法，例如，天文导航、无线电导航等，但从目前和可以预见的将来来看，卫星导航是最佳的技术。卫星导航实质是把无线电导航台搬到太空上去，用卫星作为空间基准点，以增加覆盖范围。它能克服地面无线电导航台传播距离有限的先天不足，并且不受气象条件、航行距离的限制，导航精度也比较高。卫星导航技术目前已先后发展了两大类：
一类卫星导航采用多普勒测速原理，即用户根据接收到的卫星信号的多普勒频移曲线和导航卫星的轨道参数，推算出用户位置。它实际上是采用双曲面交会定位的方式：用户先接收导航卫星发送的无线电信号，然后根据多普勒频移效应，测定用户到导航卫星的相对速度，进一步得到用户到2颗导航卫星的距离差，从而构成2个以上的双曲面，再通过双曲面相交形成双曲面交会点，就能推算出用户位置。美国建造的世界第一个卫星导航系统——“子午仪”采用的就是这种方式。其缺点是不能连续实时导航，两次定位的时间间隔太长，只能提供二维定位，对高速移动物体的测量误差大等。所以，现已基本没有这种导航卫星了。
另一类卫星导航采用时间测距原理，即用户首先要测量来自天上几颗导航卫星发来信号的传播时间，然后完成数学运算，得到用户的三维坐标与速度。它实际上是采用三球交会定位的方式：以已知卫星或地球质心为球心，以已知卫星或地球质心到用户距离为半径，绘制三球的交会点，来推算出用户位置。
它又分有源（主动式）和无源（被动式）卫星导航系统两种。采用有源时间测距的卫星导航定位技术时，用户终端主动通过导航卫星向地面控制中心发出定位申请信号，然后地面控制中心发出测距信号，根据信号传输的时间测定用户到两颗卫星的距离，推算出用户的位置，最终发送到用户终端。采用无源时间测距的卫星导航定位技术时，用户被动测量来自至少4颗导航卫星发出的信号，并根据信号传输时间测定用户到这些卫星的距离，然后通过数学运算得到用户的三维坐标与速度。
我国先期的“北斗”卫星导航试验系统采用有源方式；美国的“全球定位系统”（GPS）、俄罗斯的“全球导航卫星系统”（GLONASS）、我国在建的“北斗” 卫星导航系统和欧洲的“伽利略”（Galileo）卫星导航系统都采用无源方式，它们都可为用户提供全天候、全天时、高精度、全球、连续和实时的三维位置、三维速度和精确时间信息。卫星导航的原理很简单，但卫星导航的工程很复杂。
根据导航卫星的信号覆盖范围，卫星导航系统还可分为区域性卫星导航系统和全球性卫星导航系统，我国的“北斗”卫星导航试验系统以及日本、印度正在建造的卫星导航系统等属于前者，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、我国的“北斗”卫星导航系统以及欧洲的Galileo卫星导航系统属于后者。
完成“5+5+4”
目前，60%以上的信息和定位与时间有关，其用途无所不在，所以具有定位和授时功能的卫星导航与互联网、移动通信已成为21世纪信息技术领域的三大技术之一，是当今社会重要的空间信息基础设施，因此我国很重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。通过借鉴国外发展卫星导航系统的经验教训，以及考虑我国的实际情况，我国卫星导航系统建设分三个阶段实施：
第一阶段是用少量地球静止轨道卫星来完成试验任务，即建设一个区域性有源卫星导航系统。我国在1994年启动了“北斗”卫星导航试验系统建设，2000年形成了区域有源服务能力。2000年10月31日、2000年12月21日，我国先后发射第一颗和第二颗“北斗”导航试验卫星，初步建成“北斗”卫星导航试验系统，使我国成为继美国、俄罗斯之后，世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。我国在2003年5月25日又发射了第三颗“北斗”导航试验卫星，进一步增强了“北斗”卫星导航试验系统性能。
第二阶段是建设一个覆盖亚太大部分区域的无源卫星导航系统。从2007年起，我国开始发射“北斗”导航卫星，并于2011年12月27日开始向亚太地区用户提供试运行服务，还公布了《北斗卫星导航系统发展报告》和《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（测试版）》，有力地促进了“北斗”卫星导航系统的应用。“北斗”在试运行服务期间主要性能如下: 服务区为东经84°～160°、南纬55°～北纬55°之间的大部分区域；定位精度为平面25米，高程30米；测速精度为0.4米/秒；授时精度为50纳秒（1纳秒=10亿分之一秒）。到2012年10月，我国建成了由5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（2颗在轨备份）以及4颗中圆地球轨道卫星组成的“北斗” 区域性导航卫星星座（简称5+5+4），其中5颗地球静止轨道卫星分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。在这个星座中，5颗地球静止轨道卫星和5颗倾斜地球同步轨道卫星是核心，一旦有卫星失效或者处于在轨维修状态，4颗中圆轨道卫星可以起到部分替代作用。“北斗”导航卫星总设计师杨慧表示，对于限定区域的服务区而言，“5+5+4”的混合星座结构具有最佳的“鲁棒性”和经济性，最符合“少花钱多办事”的原则。“北斗”区域卫星导航系统的主要功能是：定位、测速、单双向授时、短报文通信；服务区域：中国及部分亚太地区；定位精度：优于10米；测速精度：优于0.2米/秒；授时精度：50纳秒；短报文通信：120个汉字/次。
第三阶段是建设一个覆盖全球的无源卫星导航系统。到2020年，我国将建成由30余颗卫星组成的“北斗”全球导航卫星星座。据中国卫星导航系统管理办公室发布的“北斗”卫星导航系统发展报告介绍，“北斗”全球导航卫星星座由5颗地球静止轨道卫星和30颗非地球静止轨道卫星组成。运行在地球静止轨道的“北斗”导航卫星不仅可增加卫星数量，提高导航定位精度，还能保留“北斗” 导航试验卫星的通信功能。运行在非地球静止轨道的“北斗”导航卫星包括27颗中圆地球轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星，其中中圆地球轨道卫星的轨道高度为21500公里，轨道倾角为55°，它们均匀分布在3个轨道面上，是卫星导航的主力；倾斜地球同步轨道卫星轨道高度36000公里，均匀分布在3个倾斜地球同步轨道面上，轨道倾角55°，3颗倾斜地球同步轨道卫星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，相位差120°，主要用于增加覆盖面。
除了空间段的卫星之外，“北斗” 卫星导航系统还包括地面控制和用户终端两部分组成。
地面控制部分由若干主控站、注入站和监测站组成。主控站主要任务是收集各个监测站的观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行控制与管理等；注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息注入，有效载荷的控制管理；监测站对导航卫星进行连续跟踪监测，接收导航信号，发送给主控站，为卫星轨道确定和时间同步提供观测数据。
用户终端部分由各类“北斗”用户终端，以及与其他卫星导航系统兼容的终端组成，能够满足不同领域和行业的应用需求。我国已研制了多种“北斗”导航卫星定位终端，提供给不同用户使用，如车载型用户机、舰载型用户机、定时型用户机、通信型用户机、便携式用户机和指挥型用户机。
简言之，我国卫星导航系统建设的“三步走”是：从区域性有源服务能力到区域性无源服务能力，再到全球性无源服务能力，所以这是一个渐进的过程。其包括三大任务——关键技术攻关与试验、工程建设、应用推广与产业化。到2020年，在全球性无源卫星导航系统中，“北斗”卫星导航系统将与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo呈现“四足鼎立”的局面。
博采众长创新多
“北斗”在技术上实现了两大创新：其一是把导航与通信紧密地结合起来，这种融合可能成为将来新一代卫星导航系统的发展方向；其二是混合星座的构成，将全球服务和区域增强服务组合在一起，将一般服务和重点保障服务能力有机地组合在一起，将原来分别建设的全球系统和区域增强系统统一地加以考虑，可以充分保障系统的合理性、整体性及灵活性。
“北斗”卫星导航系统吸收了美国GPS和俄罗斯GLONASS各自的优点。例如，“北斗”与GPS一样采用码分多址方式传输信息，而不是像GLONASS采用频分多址方式传输信息，目的是大大降低用户接收机的成本，以便地面应用；在中圆轨道卫星入轨方式和星座优化设计上，“北斗”没像GPS那样把卫星布置在6个轨道面上，而是与GLONASS一样，采用3个轨道面均匀分布的对称星座设计，这样有利于“一箭多星”发射，从而降低发射成本。我国“北斗”中圆轨道卫星采用“一箭多星”的发射方式，其他两种轨道卫星采用“一箭一星”的方式进行发射。在2012年，我国已两次采用“一箭两星”方式成功发射了4颗“北斗”中圆轨道卫星。
与GPS、GLONASS相比，“北斗”导航卫星也有一些比较独特之处。例如，GPS、GLONASS的导航卫星星座都运行在中圆轨道，采用这种对称星座，轨道面均匀，相位也均匀，可谓是覆盖全球的最优星座。而我国“北斗”导航卫星采用中圆轨道＋地球静止轨道＋倾斜地球同步轨道三种混合轨道，其优点是能为用户提供更多的可见卫星，支持更长的连续观测时间和更高精度。
“北斗”区域导航卫星星座没有以中圆轨道卫星为主，这是因为少量的中圆轨道卫星绕地球旋转，每天只有30%的时间位于中国的国土上空，其他时间不能为中国提供服务。因此，“北斗”区域导航卫星星座更多地采用了倾斜地球同步轨道卫星和地球静止轨道卫星。据有关专家介绍，运行在这两种轨道的卫星活动范围相对固定，其中地球静止轨道卫星的轨道倾角为0°，相对地面是不动的，但只用这一种卫星在定位时会有问题，因为地球静止轨道卫星无法覆盖高纬度地区，而且几颗地球静止轨道卫星有时会处于同一条线上，这样就不能计算定点的位置，所以还需要倾斜地球同步轨道卫星，这种卫星也是地球同步卫星，但轨道倾角是55°，它的轨迹呈8字形，有70%～80%的时间停留在中国国土上空。用倾斜地球同步轨道卫星进行定位，这在世界上是第一次。
“北斗”全球卫星导航星座以中圆轨道卫星为主，另外包括倾斜地球轨道卫星、地球静止轨道卫星。有关专家称，这三种轨道卫星在卫星平台、有效载荷上互有区别，在功能上各司其职。后续的“北斗”中圆轨道卫星在卫星平台和载荷两方面会作较大改动，主要包括增加卫星设计寿命、提高卫星自主生存能力、设计新的卫星结构构型，以适应“一箭多星”发射方式、提供更高精度的星载时间基准、增加星间链路等。“北斗”全球卫星导航系统建成后，向全球用户提供开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，测速精度为0.2米/秒，授时精度为10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息，即全球范围更高性能的导航定位服务，以及亚太地区的广域差分服务和短报文通信服务，广域差分服务精度为1米，短报文通信服务能力为每次120个汉字。
即使在2020年建成“北斗”全球卫星导航系统，该系统仍突出区域服务能力，因为对我国进行区域广域增强是“北斗”卫星导航系统的重要建设任务，也是“北斗”卫星导航系统运行控制系统的组成部分。它还突出位置报告与短电文通信功能，其定位与位置报告最短完成时间为1秒，定位与指挥调度集于一体，事件内容与发生的地点、时间在一封短信中完成，摆脱了“先定位再报告”的若干苦恼与弊病。
“北斗”是世界上首个集定位、授时和报文通信为一体的卫星导航系统。免费发送短报文是“北斗”独有的一种重要功能，短短的120个字在很多时候是“救命”的法宝。通过GPS，用户只能知道“自己在哪”，但是通过“北斗”，用户还能让别人知道“自己在哪”。把导航与通信紧密结合起来，很适用于交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等需要把导航与移动数据通信相结合的用户。
“北斗”的另一大特点是它与别的卫星导航系统之间具有兼容与互操作。卫星导航系统有其脆弱性，单一的导航系统易被干扰、遮蔽，采用GPS＋“北斗”的双卫星导航系统可以提高系统的可用性和导航精度。据有关专家介绍，GPS在亚太地区的覆盖率一般只能达到60%～70%，如果加上“北斗”后覆盖率可以达到80%以上，从而能提高卫星导航的可用性，并使导航精度提高20%左右，比如，在GPS导航精度为1米的地方，同时融合“北斗”的数据后，导航精度能达到大约0.8米。
与GPS相比，“北斗”的首次定位速度和授时精度都表现出更好的优越性。“北斗”卫星导航系统结网完成后，系统用户定位、电文通信和位置报告只需要几秒钟，而GPS首次定位却需要1～3分钟。
由于“北斗”导航卫星星座将由分布在3个轨道的35颗卫星组成，所以它与由31颗卫星组成星座的美国GPS、24颗卫星组成星座的俄罗斯GLONASS相比，规模更庞大。届时，“北斗”的全球定位精度将可与GPS相抗衡，在亚太地区定位精度还会更高。
总之，“北斗”卫星导航系统的建造具有4个特点：
（1）它将由区域导航定位逐渐转向全球导航定位；
（2）它采用类似于美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo卫星导航系统的无源定位导航体制，发射4个频点的导航信号；
（3）它继承了“北斗”导航试验卫星的短信报文通信功能，并将扩充通信容量；
（4）星座中的地球静止轨道卫星能发射“北斗”导航卫星、GPS、Galileo广域差分信息和完好性信息，使差分定位精度达到1米。
“北斗”卫星导航系统的亮点归纳起来也有4个：
（1）“北斗”星座采用特殊的混合轨道；
（2）“北斗”用户终端增加了“短报文通信”功能；
（3）“北斗”用户与用户之间可以实现数据交换；
（4）“北斗”多模用户机可以接收“北斗”、GPS、Galileo信号。其中，在通信信号盲区发送短信是“北斗”的独门绝技。