文 | 国家无线电监测中心上海监测站 袁冰清 蔡芸云 王英翔

　　摘要：北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统。本文主要阐述了建立北斗系统的必要性和意义，介绍了北斗系统的发展历程、星座组成及定位原理、特点，分析了北斗系统面临的挑战。

　　关键词：卫星导航 北斗系统 全球定位系统

　　0 引言

　　2020 年6 月23 日，中国西昌卫星发射中心，长征火箭搭载着最后一颗北斗组网卫星划破长空，成功发射。2020 年7 月31 日上午，习近平总书记宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。从此，我国及全球公众可以使用由北斗三号系统提供的导航定位服务。目前，北斗卫星导航系统（BDS）与美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）和欧盟伽利略定位系统（Galileo）一道，成为联合国卫星导航委员会认定的全球卫星导航四大核心系统。虽然我国的北斗系统起步最晚，但“后来居上”，成为可与美国GPS 媲美的最先进的全球导航定位系统。

　　1 建立北斗系统的必要性

　　从保障国家安全和卫星系统可靠性等方面来说，我国自主建设卫星导航系统是十分必要的。美国最新的导航卫星GPS-3 已可以根据需要，迅速停止特定地理位置的导航信号发送。如果我国的导航定位与授时完全依赖于美国的GPS，这对国家安全和经济发展而言是十分不利的。

　　因此，建立由我国自主研制运行的卫星导航系统，是我国经济和社会发展的需要，是我国国防安全与军事现代化的需要。北斗三号系统的开通，使我国在军事和民用领域都能独立使用自己的卫星导航系统，摆脱了此前受制于人的局面。

　　2 北斗系统的发展历程

　　国务院新闻办公室于2016 年6 月16 日发布《中国北斗卫星导航系统》白皮书，介绍了中国北斗卫星导航系统实行“三步走”发展战略。北斗导航系统共经历了三代，2020 年发射的最后一颗即为第三代，又称作“北斗三号”。

　　（1）北斗一号

　　北斗一号，可称作北斗卫星导航试验系统，使用的是有源定位方式，由空中三颗卫星（两颗工作卫星、一颗备份卫星）、地面控制中心以及用户终端三部分组成。校准精度为20 米，未校准精度为100 米。1994 年，该试验系统正式立项， 2000 年10 月31 日和12 月21 日，“北斗一号”第一颗、第二颗卫星相继成功发射。2003 年5月25 日，备份卫星成功发射，试验系统完成组建。这使得我国成为世界上第三个建立了卫星导航系统的国家。

　　北斗一号卫星导航系统服务范围为东经70°-140°、北纬5°-55°，基本上仅为中国用户提供服务。在卫星的寿命到期后，这一系统已停止工作。

　　（2）北斗二号

　　2004 年，北斗二号系统启动建设。2007 年4 月14 日，北斗二号首颗卫星成功发射；2012 年10 月25 日，第16颗北斗导航卫星发射升空并进入预定轨道，标志着北斗二号系统星座部署完成。2012 年12 月27 日，北斗二号系统正式向亚太地区提供服务。北斗二号系统作为北斗系统“三步走”战略中的第二步，是承前启后的关键一步。由14 颗组网卫星和32 个地面站天地协同组网运行的北斗二号卫星导航系统，克服了北斗一号系统存在的不足且兼容北斗一号的有源定位，增加了无源定位体制；用户仅需接收信号就能定位，且解决了用户容量限制。北斗二号系统能为中国及亚太大部分地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。其定位精度显著提升，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2 米/ 秒。

　　（3）北斗三号

　　2009 年，北斗三号系统建设启动，2020 年6 月最后一颗组网卫星发射成功。至此，北斗系统提供无源导航信号的卫星一共有55 颗，包括北斗二号14 颗组网卫星及6颗备用星、北斗三号的5 颗试验卫星和30 颗组网卫星。

　　其中，30 颗组网卫星包含了3 颗地球静止轨道（GEO）卫星、3 颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星及24 颗中圆地球轨道（MEO）卫星。北斗三号系统继承了北斗有源定位和无源定位两种技术体制，通过星间链路，解决了全球组网需要境外布置站点的问题。在北斗二号的基础上，北斗三号进一步提升了各项性能、扩展功能，可为全球用户提供基础导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信以及国际搜救等服务。

　　3 北斗系统星座组成及定位原理

　　图1 北斗三号星座组成

　　北斗三号星座系统由GEO、IGSO、MEO 三种轨道卫星组成，如图1 所示。每颗卫星结合各自运行轨道的特点以及承载功能，既能各司其职，又能优势互补，共同为全球用户提供优质的定位、导航及授时服务。每种轨道卫星的功能如表1 所示。

　　4 北斗系统的特点

　　（1）三频信号。GPS 使用的是双频信号，而北斗系统使用的三频信号能够构建更复杂的模型，从而减小电离层延迟的高阶误差，以提高定位的精度，增强数据预处理能力，有效提高抗干扰能力。

　　（2）有源定位及无源定位。有源定位只需两颗卫星就可以完成定位，但是需要信息中心DEM 数据库支持并参与解算，而无源定位至少需要4 颗卫星。

　　（3）短报文通信服务。卫星定位终端与北斗卫星或者北斗地面服务站之间，能够直接通过卫星信号进行双向信息传递。这种报文发送服务在很多紧急情况下会发挥很大的作用。

　　（4）以境内监控为主。卫星定位系统一般由三个部分组成，分别是空间星座部分、地面监控部分和用户接收机部分。其中，地面监控部分也分为监控站、主控站和注入站三个部分。由于我国没有办法把监控站建到全球，所以在系统设计的初期，我国就考虑把地面监控部分只建在中国境内，再运用星间链路以确保整个系统的正常运行。

　　此外，中国境外的首个陆地遥感卫星数据接收站“北极站”，已于2016 年12 月15 日投入试运行。中国将在南美洲的阿根廷建造首个境外卫星跟踪站。从北极到南美，中国卫星产业开启了全球化模式。

　　（5）定位精度。北斗三号全球范围的水平定位精度优于10 米，测速精度优于0.2 米/ 秒，授时精度优

　　于20 纳秒，服务可用性优于99％，在亚太地区其性能更优。

　　（6）促进整个制造业的升级。北斗三号卫星的组部件、卫星核心元器件已全部实现国产化。卫星导航产品从天线、芯片、板卡到接收机，已经形成了一个完整的产业链，可以带动就业、拉动经济，促进上下游制造业的升级。

　　参考文献：

　　[1] 北斗卫星导航系统[OL].http://www.beidou.gov.cn

　　[2] 寿司状的蒲公英. 和全球定位系统（GPS）相比，北斗导航有什么优点？ [OL].https://www.zhihu.com/

　　question/22289372/answer/27250528

　　[3] Lovejy. 关于北斗三号的一点小知识！ [OL].https://zhuanlan.zhihu.com/p/165599045