喬雪峰

近日，中國(guó)再次一箭雙星，北斗家族又增加了兩個(gè)新成員。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步完善，以及應(yīng)用技術(shù)的不斷提升，加強(qiáng)北斗品牌建設(shè)，讓北斗系統(tǒng)深入人心，使得絕大部分中國(guó)人都知道北斗的內(nèi)容和核心，成為我們義不容辭的使命和責(zé)任。

全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

美國(guó)GPS，俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略、中國(guó)北斗，并稱(chēng)世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS是英文GIoba1 PositioNlng System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱(chēng)。GPS起始于1958年美國(guó)軍方的一個(gè)項(xiàng)目，1964年投入使用。20世紀(jì)70年代，美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)CJPS。主要目的是為陸海空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)搜集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。

格洛納斯（GLONASS），是俄語(yǔ)“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的縮寫(xiě)。格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作用類(lèi)似于美國(guó)的GPS、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)最早開(kāi)發(fā)于蘇聯(lián)時(shí)期，后由俄羅斯繼續(xù)該計(jì)劃。俄羅斯1993年開(kāi)始獨(dú)自建立本國(guó)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2007年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，當(dāng)時(shí)只開(kāi)放俄羅斯境內(nèi)衛(wèi)星定位及導(dǎo)航服務(wù)。到2009年，其服務(wù)范圍已經(jīng)拓展到全球。該系統(tǒng)主要服務(wù)內(nèi)容包括確定陸地、海上及空中目標(biāo)的坐標(biāo)及運(yùn)動(dòng)速度信息等。

伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo satellite navigation svstem），是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該計(jì)劃于1999年2月由歐洲委員會(huì)公布，歐洲委員會(huì)和歐空局共同負(fù)責(zé)。系統(tǒng)由軌道高度為23616km的30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星軌道高度約2.4萬(wàn)公里，位于3個(gè)傾角為56度的軌道平面內(nèi)。2014年明，伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第二批一顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，太空中已有的6顆正式的伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星，可以組成網(wǎng)絡(luò)，初步發(fā)揮地面精確定位的功能。該項(xiàng)目總共將發(fā)射32顆衛(wèi)星，總投入達(dá)34億歐元。因各成員國(guó)存在分歧，計(jì)劃已幾經(jīng)推遲。

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite Svstem，BDS）是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GAIIIEO，是聯(lián)合國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)已認(rèn)定的供應(yīng)商。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶(hù)段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類(lèi)用戶(hù)提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力，定位精度10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。

中國(guó)北斗之路

中國(guó)從上個(gè)世紀(jì)70年代就開(kāi)始布局衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃，七五規(guī)劃中提出了“新四星”。80年代初期，以成芳允院士為首的專(zhuān)家團(tuán)體提出了雙星定位方案，這是當(dāng)時(shí)公認(rèn)的最優(yōu)方案，但因經(jīng)濟(jì)條件等種種原因又?jǐn)R置了十年。1991年，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)GPS在作戰(zhàn)中的應(yīng)用非常成功，也就是從這一刻開(kāi)始，中國(guó)的決策層開(kāi)始深刻意識(shí)到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要作用，被擱置十年的雙星定位方案又開(kāi)始啟動(dòng)。

中國(guó)選擇研發(fā)北斗，GPS帶來(lái)的軍事壓力是主要因素。眾所周知，雖然GPS對(duì)全球免費(fèi)開(kāi)放了民用系統(tǒng)，但是軍用系統(tǒng)的精度是民用系統(tǒng)無(wú)法比擬的。而且所謂免費(fèi)開(kāi)放，事實(shí)上源于GPS自身特定原因，因?yàn)樗菃蜗蛲ㄓ嵭l(wèi)星，也就是只管發(fā)射信號(hào)，到底誰(shuí)接收了，它根本不知道。因?yàn)槊裼妙I(lǐng)域?qū)τ诩夹g(shù)的簡(jiǎn)單化和接收設(shè)備的便捷化要求，使得它的加密非常容易被破解，因此精明的美國(guó)人索性大度地讓全球共享民用系統(tǒng)，從而在國(guó)家軟實(shí)力方面更勝一籌。隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在軍事方面和民事方面的應(yīng)用日漸廣泛，中國(guó)作為發(fā)展中的大國(guó)，自然不能對(duì)此無(wú)動(dòng)于衷，合起趕超成為唯一出路。

北斗一代選擇了雙星定位路線(xiàn)，那么靜止的高軌道是必然選擇。既然這兩顆衛(wèi)星是靜止軌道的，自然可以與國(guó)際通信衛(wèi)星一樣完成通信任務(wù)，于是既能定位又能通信就被設(shè)計(jì)成為了北斗一代的技術(shù)特點(diǎn)，而GPS等其它定位導(dǎo)航系統(tǒng)都是不支持通信功能的。但是由于這兩顆星的軌道很高，導(dǎo)致了地面被測(cè)物體與衛(wèi)星的相對(duì)速度很低，于是多普勒效應(yīng)就不明顯，其定位精度自然遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不過(guò)GPS，而通訊功能又比不過(guò)海事衛(wèi)星，于是中國(guó)又提出了北斗二代計(jì)劃。

北斗二代計(jì)劃在2020年前發(fā)射35顆衛(wèi)星，形成全球性的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，比GPS還多5顆。多出的這5顆是在赤道上空的靜止高軌道衛(wèi)星，主要是完成短信任務(wù)的，其它30顆跟美國(guó)GPS的30顆一樣，都是中軌道的運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星。雖然現(xiàn)在還沒(méi)有把35顆衛(wèi)星打全，但亞太地區(qū)的北斗二代定位導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建并投入使用。GPS和北斗的中軌道運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星都是30顆，它們各在太空上織就了一張網(wǎng)，GPS網(wǎng)眼最密處是在美國(guó)上空，北斗二代網(wǎng)眼最密處在中國(guó)上空。因此，加拿大和墨西哥當(dāng)然會(huì)選擇GPS，而對(duì)于亞太國(guó)家來(lái)說(shuō)北斗卻更有優(yōu)勢(shì)。

北斗二代定位原理

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息；用于預(yù)報(bào)未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化）；以及北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)對(duì)碼的量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱(chēng)為偽距。對(duì)OA碼測(cè)得的偽距稱(chēng)為UA碼偽距，精度約為20米左右，對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱(chēng)為P碼偽距，精度約為2米左右。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱(chēng)為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開(kāi)始觀(guān)測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀(guān)測(cè)值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對(duì)定位、并有一段連續(xù)觀(guān)測(cè)值時(shí)才能使用相位觀(guān)測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位精度也只能采用相位觀(guān)測(cè)值。

按定位方式，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀(guān)測(cè)量，可用于車(chē)船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀(guān)測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀(guān)測(cè)量也可采用相位觀(guān)測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀(guān)測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。

在北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀(guān)測(cè)量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀(guān)測(cè)量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。

八大應(yīng)用領(lǐng)域

自北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)以來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用在理論研究、應(yīng)用技術(shù)研發(fā)、接收機(jī)制造及應(yīng)用與服務(wù)等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，已形成了基礎(chǔ)產(chǎn)品、應(yīng)用終端、系統(tǒng)應(yīng)用和運(yùn)營(yíng)服務(wù)比較完整的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)體系。國(guó)產(chǎn)北斗核心芯片、模塊等關(guān)鍵技術(shù)全面突破，性能指標(biāo)與國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)。相關(guān)產(chǎn)品已逐步使用推廣到交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、森林防火、通信時(shí)統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)等諸多領(lǐng)域，正在產(chǎn)生廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。特別是在南方冰凍災(zāi)害、四川汶川、蘆山和青海玉樹(shù)抗震救災(zāi)、北京奧運(yùn)會(huì)以及上海世博會(huì)期間發(fā)揮了重要作用。

在交通運(yùn)輸方面，北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于重點(diǎn)運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控管理、公路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控、港口高精度實(shí)時(shí)定位調(diào)度監(jiān)控等領(lǐng)域；在海洋漁業(yè)方面，基于北斗系統(tǒng)，為漁業(yè)管理部門(mén)提供船位監(jiān)控、緊急救援、信息發(fā)布、漁船出入港管理等服務(wù)；在水文監(jiān)測(cè)方面，成功應(yīng)用于多山地域水文測(cè)報(bào)信息的實(shí)時(shí)傳輸，提高災(zāi)情預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為制訂防洪抗旱調(diào)度方案提供重要支持；在氣象預(yù)報(bào)方面，成功研制一系列氣象測(cè)報(bào)型北斗終端設(shè)備，啟動(dòng)“大氣海洋和空間監(jiān)測(cè)預(yù)警示范應(yīng)用”，形成實(shí)用可行的系統(tǒng)應(yīng)用解決方案，實(shí)現(xiàn)氣象站之間的數(shù)字報(bào)文自動(dòng)傳輸；在森林防火方面，成功應(yīng)用于森林防火，定位與短報(bào)文通信功能在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了較大作用；在通信時(shí)統(tǒng)方面，成功開(kāi)展北斗雙向授時(shí)應(yīng)用示范，突破光纖拉遠(yuǎn)等關(guān)鍵技術(shù)，研制出一體化衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)；在電力調(diào)度方面，成功開(kāi)展基于北斗的電力時(shí)間同步應(yīng)用示范，為電力事故分析、電力預(yù)警系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等高精度時(shí)間應(yīng)用創(chuàng)造了條件；在救災(zāi)減災(zāi)方面，基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航定位、短報(bào)文通信以及位置報(bào)告功能，提供全國(guó)范圍的實(shí)時(shí)救災(zāi)指揮調(diào)度、應(yīng)急通信、災(zāi)情信息快速上報(bào)與共享等服務(wù)，顯著提高了災(zāi)害應(yīng)急救援的快速反應(yīng)能力和決策能力。

北斗系統(tǒng)建設(shè)歷程

2000年10月，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星正式送入軌道。

2003年12月，北斗一號(hào)系統(tǒng)正式開(kāi)始向國(guó)內(nèi)用戶(hù)提供服務(wù)。

2004年9月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)工程正式立項(xiàng)。

2007年4月，首顆中圓軌道衛(wèi)星被送入太空。

2012年10月，北斗系統(tǒng)成功發(fā)射第16顆衛(wèi)星，完成衛(wèi)星組網(wǎng)。

2012年12月，北斗二號(hào)系統(tǒng)正式開(kāi)通運(yùn)行，服務(wù)區(qū)域覆蓋亞太地區(qū)。

2013年12月，《北斗系統(tǒng)公開(kāi)服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》和《北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（2.0版）》兩個(gè)系統(tǒng)文件發(fā)布。

2014年9月，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)工程建設(shè)正式啟動(dòng)，該系統(tǒng)將構(gòu)建全國(guó)一張網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)部門(mén)間、地區(qū)間、軍民用戶(hù)間資源統(tǒng)籌、數(shù)據(jù)共享。

2015年3月31日，我國(guó)首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星順利入軌，標(biāo)志著北斗系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展的正式啟動(dòng)實(shí)施。