一、北斗系統的定位原理

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35顆衛(wei)星(xing)在(zai)(zai)離地面2萬(wan)多千米的(de)高空上，以固定的(de)周期環繞地球(qiu)運行，使(shi)得(de)在(zai)(zai)任(ren)意時(shi)刻，在(zai)(zai)地面上的(de)任(ren)意一點(dian)都可以同時(shi)觀測到4顆以上的(de)衛(wei)星(xing)。

由于衛(wei)星(xing)的(de)位(wei)置(zhi)精確可知，在接收機對衛(wei)星(xing)觀測中，我們(men)可得到(dao)衛(wei)星(xing)到(dao)接收機的(de)距離，利用三維坐標(biao)中的(de)距離公(gong)式，利用3顆(ke)衛(wei)星(xing)，就可以組成3個(ge)方(fang)程式，解出觀測點(dian)的(de)位(wei)置(zhi)（X，Y，Z）。考慮到(dao)衛(wei)星(xing)的(de)時(shi)鐘(zhong)(zhong)與接收機時(shi)鐘(zhong)(zhong)之間的(de)誤差，實際(ji)上(shang)有4個(ge)未知數，X、Y、Z和(he)鐘(zhong)(zhong)差，因而(er)(er)需要(yao)引入第4顆(ke)衛(wei)星(xing)，形成4個(ge)方(fang)程式進行求解，從(cong)而(er)(er)得到(dao)觀測點(dian)的(de)經緯度(du)和(he)高程。

事(shi)實上，接(jie)收機(ji)往(wang)往(wang)可以鎖住4顆(ke)以上的(de)衛星(xing)，這時，接(jie)收機(ji)可按衛星(xing)的(de)星(xing)座分布分成若干(gan)組(zu)，每組(zu)4顆(ke)，然(ran)后通過算法挑(tiao)選(xuan)出誤(wu)差最小的(de)一組(zu)用作定位，從而提(ti)高精度。

衛(wei)星定位(wei)實施的是“到達(da)時間差”（時延）的概念(nian)：利用每(mei)一顆衛(wei)星的精確位(wei)置和連續(xu)發送的星上原子(zi)鐘生(sheng)成的導航信息獲(huo)得從衛(wei)星至(zhi)接收機的到達(da)時間差。

衛星(xing)在空中連續發送帶有時(shi)(shi)間(jian)和位置信息的(de)無線電(dian)信號(hao)，供(gong)接(jie)收(shou)機接(jie)收(shou)。由于傳輸的(de)距離(li)因素(su)，接(jie)收(shou)機接(jie)收(shou)到信號(hao)的(de)時(shi)(shi)刻要比衛星(xing)發送信號(hao)的(de)時(shi)(shi)刻延(yan)遲，通常稱之(zhi)為時(shi)(shi)延(yan)，因此，也可以(yi)通過時(shi)(shi)延(yan)來確定(ding)距離(li)。衛星(xing)和接(jie)收(shou)機同(tong)時(shi)(shi)產(chan)生同(tong)樣(yang)的(de)偽隨機碼，一旦兩(liang)個碼實現時(shi)(shi)間(jian)同(tong)步，接(jie)收(shou)機便能(neng)(neng)測定(ding)時(shi)(shi)延(yan)；將時(shi)(shi)延(yan)乘上光(guang)速，便能(neng)(neng)得到距離(li)。

每顆衛星上(shang)的(de)計算機和導航信息發生(sheng)器非常精確地了解其軌(gui)道(dao)位(wei)(wei)置(zhi)和系(xi)統時間，而全球監測站(zhan)(zhan)網保(bao)持連續(xu)跟蹤衛星的(de)軌(gui)道(dao)位(wei)(wei)置(zhi)和系(xi)統時間。位(wei)(wei)于地面的(de)主控(kong)站(zhan)(zhan)與其運控(kong)段一起，至少每天一次對每顆衛星注入校正(zheng)數(shu)據。注入數(shu)據包括：星座中每顆衛星的(de)軌(gui)道(dao)位(wei)(wei)置(zhi)測定(ding)和星上(shang)時鐘的(de)校正(zheng)。這(zhe)些校正(zheng)數(shu)據是在復雜(za)模型的(de)基礎(chu)上(shang)算出的(de)，可在幾個星期(qi)內保(bao)持有效(xiao)。

衛星導航系統時(shi)間是由(you)(you)每顆衛星上原子(zi)鐘的(de)銫和銣(ru)原子(zi)頻(pin)標(biao)保持的(de)。這些(xie)星鐘一般來(lai)講精確到世(shi)界協調(diao)時(shi)（UTC）的(de)幾納秒(miao)以內(nei)，UTC是由(you)(you)美國海軍(jun)觀象(xiang)臺(tai)的(de)“主(zhu)鐘”保持的(de)，每臺(tai)主(zhu)鐘的(de)穩(wen)定性為若干個10^-13秒(miao)。衛星早期采(cai)用兩(liang)部銫頻(pin)標(biao)和兩(liang)部銣(ru)頻(pin)標(biao)，后(hou)來(lai)逐步改變為更多地(di)采(cai)用銣(ru)頻(pin)標(biao)。通常(chang)，在(zai)任一指定時(shi)間內(nei)，每顆衛星上只有(you)一臺(tai)頻(pin)標(biao)在(zai)工(gong)作。

衛星(xing)導航原理：衛星(xing)至(zhi)用(yong)戶間的(de)(de)距離測(ce)量是(shi)基于衛星(xing)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)發射時(shi)間與到達接(jie)(jie)收機的(de)(de)時(shi)間之差，稱為(wei)偽距。為(wei)了計算用(yong)戶的(de)(de)三維位置和接(jie)(jie)收機時(shi)鐘偏差，偽距測(ce)量要求至(zhi)少接(jie)(jie)收來自(zi)4顆衛星(xing)的(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)。

由于衛星運行軌道(dao)、衛星時(shi)鐘存在(zai)誤差(cha)(cha)，大(da)氣對(dui)流層(ceng)、電離層(ceng)對(dui)信號的(de)影響(xiang)，使得(de)民(min)用(yong)(yong)的(de)定(ding)(ding)位(wei)精(jing)度(du)只(zhi)有數十米量級。為提高定(ding)(ding)位(wei)精(jing)度(du)，普遍采用(yong)(yong)差(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)定(ding)(ding)位(wei)技(ji)術（如(ru)DGPS、DGNSS），建立地面基(ji)準站(差(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)臺)進(jin)行衛星觀(guan)測(ce)，利用(yong)(yong)已知的(de)基(ji)準站精(jing)確坐標，與觀(guan)測(ce)值進(jin)行比(bi)較，從而得(de)出一修正數，并對(dui)外發(fa)布(bu)。接收(shou)機收(shou)到(dao)該修正數后，與自(zi)身的(de)觀(guan)測(ce)值進(jin)行比(bi)較，消去大(da)部分(fen)(fen)(fen)誤差(cha)(cha)，得(de)到(dao)一個比(bi)較準確的(de)位(wei)置。實驗表(biao)明，利用(yong)(yong)差(cha)(cha)分(fen)(fen)(fen)定(ding)(ding)位(wei)技(ji)術，定(ding)(ding)位(wei)精(jing)度(du)可提高到(dao)米級。

二、系統功能

（一）四大功能

短報(bao)文通(tong)信(xin)(xin)：北斗系(xi)統用(yong)(yong)(yong)戶終端具有雙向(xiang)報(bao)文通(tong)信(xin)(xin)功能，用(yong)(yong)(yong)戶可(ke)(ke)以一(yi)次(ci)傳送40-60個漢字的(de)短報(bao)文信(xin)(xin)息。可(ke)(ke)以達到(dao)一(yi)次(ci)傳送達120個漢字的(de)信(xin)(xin)息。在遠洋航(hang)行(xing)中有重要(yao)的(de)應用(yong)(yong)(yong)價值(zhi)。

精(jing)密(mi)(mi)授(shou)時(shi)：北斗(dou)系統具有精(jing)密(mi)(mi)授(shou)時(shi)功能，可向用戶提供(gong)20ns-100ns時(shi)間同(tong)步精(jing)度。

定位精度：水平精度100米(mi)（1σ），設立標校站(zhan)之后為20米(mi)（類似差分狀態(tai)）。工(gong)作頻(pin)率：2491.75MHz。

系統容(rong)納(na)的最大(da)用戶(hu)數：540000戶(hu)/小時。

（二）軍用功能

“北斗”衛星導(dao)航定(ding)位(wei)(wei)系統的(de)(de)軍事功(gong)能(neng)與GPS類似(si)，如：運動目標的(de)(de)定(ding)位(wei)(wei)導(dao)航；為縮短(duan)反應時(shi)間的(de)(de)武器載具發(fa)射(she)位(wei)(wei)置(zhi)的(de)(de)快速定(ding)位(wei)(wei)；人員搜救(jiu)、水上排(pai)雷的(de)(de)定(ding)位(wei)(wei)需求等。

這項(xiang)功能用在軍事(shi)上(shang)，意味著(zhu)可(ke)主動進行各級(ji)部隊的(de)定位，也就是說各級(ji)部隊一(yi)旦配(pei)備“北(bei)斗”衛(wei)星導(dao)(dao)航(hang)定位系統(tong)(tong)，除了可(ke)供自身(shen)定位導(dao)(dao)航(hang)外，高層指揮部也可(ke)隨時通過“北(bei)斗”系統(tong)(tong)掌(zhang)握部隊位置(zhi)，并(bing)傳(chuan)遞相(xiang)關命令，對任務(wu)的(de)執行有相(xiang)當大(da)的(de)助益。換言(yan)之，可(ke)利用“北(bei)斗”衛(wei)星導(dao)(dao)航(hang)定位系統(tong)(tong)執行部隊指揮與管制及(ji)戰場管理。

（三）民用功能

1、個人位置服務

當你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛星導航接收芯片的(de)手(shou)機或車載衛星導航裝(zhuang)置找到你要(yao)走(zou)的(de)路線。

2、氣象應用

北(bei)斗導航衛(wei)星氣(qi)象應用的開展，可以促進中國(guo)天(tian)(tian)氣(qi)分析和數值天(tian)(tian)氣(qi)預報、氣(qi)候(hou)變(bian)化監測和預測，也(ye)可以提高空間天(tian)(tian)氣(qi)預警業務水平，提升中國(guo)氣(qi)象防(fang)災減災的能力。

除(chu)此之外(wai)，北(bei)斗導(dao)航衛星(xing)系統的(de)氣象(xiang)應用對(dui)推動北(bei)斗導(dao)航衛星(xing)創(chuang)新(xin)應用和產業拓(tuo)展也具有重要的(de)影(ying)響。

3、道路交通管理

衛星(xing)導航將有利于減緩交通(tong)阻塞，提升道路交通(tong)管(guan)理水平。通(tong)過(guo)在(zai)車輛上安裝衛星(xing)導航接收機(ji)和(he)數據發射機(ji)，車輛的位置信(xin)息就能在(zai)幾(ji)秒鐘內自動轉發到中心站。這些位置信(xin)息可(ke)用于道路交通(tong)管(guan)理。

4、鐵路智能交通

衛(wei)(wei)星導(dao)航將促進(jin)傳統(tong)運(yun)輸方式實現升級與轉型(xing)。例如，在鐵路(lu)運(yun)輸領域，通(tong)過(guo)安裝(zhuang)衛(wei)(wei)星導(dao)航終(zhong)端設備，可(ke)極大縮(suo)短列車行駛間隔時(shi)(shi)間，降低運(yun)輸成本，有效提(ti)高運(yun)輸效率。未來，北斗衛(wei)(wei)星導(dao)航系統(tong)將提(ti)供高可(ke)靠、高精度(du)的定位(wei)、測速(su)、授時(shi)(shi)服務，促進(jin)鐵路(lu)交(jiao)通(tong)的現代化，實現傳統(tong)調度(du)向智能交(jiao)通(tong)管理的轉型(xing)。

5、海運和水運

海(hai)運(yun)和水(shui)運(yun)是全世(shi)(shi)界(jie)最(zui)廣泛(fan)的(de)(de)(de)運(yun)輸方式之(zhi)一，也是衛星(xing)(xing)導航(hang)(hang)最(zui)早應用的(de)(de)(de)領域之(zhi)一。在世(shi)(shi)界(jie)各(ge)大洋和江河(he)湖泊行(xing)駛的(de)(de)(de)各(ge)類船舶(bo)大多都安(an)裝了(le)衛星(xing)(xing)導航(hang)(hang)終(zhong)端(duan)設備，使海(hai)上和水(shui)路運(yun)輸更為(wei)(wei)高效(xiao)和安(an)全。北斗衛星(xing)(xing)導航(hang)(hang)系統(tong)將在任何天(tian)氣條件(jian)下，為(wei)(wei)水(shui)上航(hang)(hang)行(xing)船舶(bo)提(ti)供導航(hang)(hang)定位和安(an)全保障。同時，北斗衛星(xing)(xing)導航(hang)(hang)系統(tong)特有的(de)(de)(de)短報文通(tong)信功能將支(zhi)持(chi)各(ge)種新型服務的(de)(de)(de)開發。

6、航空運輸

當飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)機(ji)(ji)(ji)(ji)場跑道著陸時(shi)，最基本的(de)要求是(shi)確(que)保飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)相(xiang)互間的(de)安全距(ju)離(li)。利用衛(wei)(wei)星導航精確(que)定位與(yu)測速的(de)優(you)勢，可(ke)實時(shi)確(que)定飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)瞬時(shi)位置，有效(xiao)減(jian)小(xiao)飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)之(zhi)間的(de)安全距(ju)離(li)，甚至在(zai)大霧天氣情況下，可(ke)以實現自動盲降，極(ji)大提高飛(fei)行(xing)安全和機(ji)(ji)(ji)(ji)場運(yun)(yun)營效(xiao)率。通過將(jiang)北斗衛(wei)(wei)星導航系統與(yu)其他系統的(de)有效(xiao)結(jie)合(he)，將(jiang)為(wei)航空運(yun)(yun)輸(shu)提供更多的(de)安全保障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用于沙漠、山區(qu)、海(hai)洋等(deng)人(ren)煙稀少地(di)區(qu)的搜索(suo)救(jiu)援(yuan)。在發生(sheng)地(di)震、洪災(zai)等(deng)重(zhong)大(da)災(zai)害時，救(jiu)援(yuan)成功(gong)的關鍵(jian)在于及(ji)時了(le)解災(zai)情(qing)并迅速(su)到達救(jiu)援(yuan)地(di)點。北斗衛星導(dao)(dao)航系(xi)統除導(dao)(dao)航定位(wei)外，還具備短報文通信功(gong)能，通過(guo)衛星導(dao)(dao)航終端(duan)設備可及(ji)時報告所處位(wei)置和(he)受(shou)災(zai)情(qing)況，有效縮短救(jiu)援(yuan)搜尋時間，提(ti)高搶險救(jiu)災(zai)時效，大(da)大(da)減少人(ren)民(min)生(sheng)命財產損失。

8、指導放牧

2014年10月(yue)，北(bei)(bei)(bei)斗(dou)系(xi)統開始在青海省牧(mu)(mu)區試點建設北(bei)(bei)(bei)斗(dou)衛星放(fang)牧(mu)(mu)信息化指(zhi)導系(xi)統，主要(yao)依靠牧(mu)(mu)區放(fang)牧(mu)(mu)智能指(zhi)導系(xi)統管(guan)理(li)平臺、牧(mu)(mu)民專(zhuan)用(yong)北(bei)(bei)(bei)斗(dou)智能終端(duan)和牧(mu)(mu)場(chang)數據采集自動(dong)站，實現數據信息傳輸(shu)，并通過北(bei)(bei)(bei)斗(dou)地面(mian)站及(ji)北(bei)(bei)(bei)斗(dou)星群中轉、中繼處理(li)，實現草場(chang)牧(mu)(mu)草、牛羊(yang)的動(dong)態監控。2015年夏季，試點牧(mu)(mu)區的牧(mu)(mu)民就能使用(yong)專(zhuan)用(yong)北(bei)(bei)(bei)斗(dou)智能終端(duan)設備來指(zhi)導放(fang)牧(mu)(mu)。