北斗GPS系統(tǒng)

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯(lián)合國衛(wèi)星導航委員會已認定的供應商。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備區(qū)域導航、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

2012年12月27日，北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗導航業(yè)務正式對亞太地區(qū)提供無源定位、導航、授時服務。

2013年12月27日，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務一周年新聞發(fā)布會在國務院新聞辦公室新聞發(fā)布廳召開，正式發(fā)布了《北斗系統(tǒng)公開服務性能規(guī)范（1.0版）》和《北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件（2.0版）》兩個系統(tǒng)文件。

2014年11月23日，國際海事組織海上安全委員會審議通過了對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)認可的航行安全通函，這標志著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式成為全球無線電導航系統(tǒng)的組成部分，取得面向海事應用的國際合法地位。

中國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)已獲得國際海事組織的認可。

發(fā)展歷史

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是重要的空間信息基礎設施。中國高度重視衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，一直在努力探索和發(fā)展擁有自主知識產權的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2000年，首先建成北斗導航試驗系統(tǒng)，使我國成為繼美、俄之后的世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。該系統(tǒng)已成功應用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域，產生顯著的經濟效益和社會效益。特別是在2008年北京奧運會、汶川抗震救災中發(fā)揮了重要作用。為了更好地服務于國家建設與發(fā)展，滿足全球應用需求，我國啟動實施了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設。

星座構成

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段計劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。至2012年底北斗亞太區(qū)域導航正式開通時，已為正式系統(tǒng)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網并提供服務，分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（均在傾角55°的軌道面上），4顆中地球軌道衛(wèi)星（均在傾角55°的軌道面上）。

覆蓋范圍

北斗導航系統(tǒng)是覆蓋中國本土的區(qū)域導航系統(tǒng)，覆蓋范圍東經約70°~140°，北緯5°~55°。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經對東南亞實現全覆蓋。

定位原理

35顆衛(wèi)星在離地面2萬多千米的高空上，以固定的周期環(huán)繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。

由于衛(wèi)星的位置精確可知，在接收機對衛(wèi)星觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

衛(wèi)星定位實施的是“到達時間差”（時延）的概念：利用每一顆衛(wèi)星的精確位置和連續(xù)發(fā)送的星上原子鐘生成的導航信息獲得從衛(wèi)星至接收機的到達時間差。

衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送帶有時間和位置信息的無線電信號，供接收機接收。由于傳輸的距離因素，接收機接收到信號的時刻要比衛(wèi)星發(fā)送信號的時刻延遲，通常稱之為時延，因此，也可以通過時延來確定距離。衛(wèi)星和接收機同時產生同樣的偽隨機碼，一旦兩個碼實現時間同步，接收機便能測定時延；將時延乘上光速，便能得到距離。

每顆衛(wèi)星上的計算機和導航信息發(fā)生器非常精確地了解其軌道位置和系統(tǒng)時間，而全球監(jiān)測站網保持連續(xù)跟蹤。

衛(wèi)星導航原理

蹤衛(wèi)星的軌道位置和系統(tǒng)時間。位于地面的主控站與其運控段一起，至少每天一次對每顆衛(wèi)星注入校正數據。注入數據包括：星座中每顆衛(wèi)星的軌道位置測定和星上時鐘的校正。這些校正數據是在復雜模型的基礎上算出的，可在幾個星期內保持有效。 衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間是由每顆衛(wèi)星上原子鐘的銫和銣原子頻標保持的。這些星鐘一般來講精確到世界協(xié)調時（UTC）的幾納秒以內，UTC是由美國海軍觀象臺的“主鐘”保持的，每臺主鐘的穩(wěn)定性為若干個10^-13秒。衛(wèi)星早期采用兩部銫頻標和兩部銣頻標，后來逐步改變?yōu)楦嗟夭捎勉滎l標。通常，在任一指定時間內，每顆衛(wèi)星上只有一臺頻標在工作。

衛(wèi)星導航原理：衛(wèi)星至用戶間的距離測量是基于衛(wèi)星信號的發(fā)射時間與到達接收機的時間之差，稱為偽距。為了計算用戶的三維位置和接收機時鐘偏差，偽距測量要求至少接收來自4顆衛(wèi)星的信號。

由于衛(wèi)星運行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，使得民用的定位精度只有數十米量級。為提高定位精度，普遍采用差分定位技術（如DGPS、DGNSS），建立地面基準站 (差分臺)進行衛(wèi)星觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并對外發(fā)布。接收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分定位技術，定位精度可提高到米級。

定位精度

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略之后的全球第四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)。定位效果分析是導航系統(tǒng)性能評估的重要內容。此前，由于受地域限制，對北斗全球大范圍的定位效果分析只能通過仿真手段。

由武漢大學測繪學院和中國南極測繪研究中心杜玉軍、王澤民等科研人員進行的這項研究，在2011—2012年中國第28次南極科學考察期間，沿途大范圍采集了北斗和GPS連續(xù)實測數據，跨度北至中國天津，南至南極內陸昆侖站。同時還采集了中國南極中山站的靜態(tài)觀測數據。為對比分析不同區(qū)域靜態(tài)定位效果，在武漢也進行了靜態(tài)觀測。

科研人員利用嚴謹的分析研究方法，從信噪比、多路徑、可見衛(wèi)星數、精度因子、定位精度等多個方面，對比分析了北斗和GPS在航線上不同區(qū)域、尤其是在遠洋及南極地區(qū)不同運動狀態(tài)下的定位效果。

結果表明，北斗系統(tǒng)信號質量總體上與GPS相當。在45度以內的中低緯地區(qū)，北斗動態(tài)定位精度與GPS相當，水平和高程方向分別可達10米和20米左右；北斗靜態(tài)定位水平方向精度為米級，也與GPS相當，高程方向10米左右，較GPS略差；在中高緯度地區(qū)，由于北斗可見衛(wèi)星數較少、衛(wèi)星分布較差，定位精度較差或無法定位。

“現階段的北斗已經實現區(qū)域定位，但還不具備全球定位能力，北斗與GPS在定位效果上的差異，主要是由衛(wèi)星數量和分布造成的。”武漢大學中國南極測繪研究中心副主任王澤民教授說，“截至文中研究數據采集結束時，北斗系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數為11顆。上個月，我國成功發(fā)射了新一代北斗導航衛(wèi)星，北斗系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數達到了17顆。隨著北斗系統(tǒng)全球組網拉開帷幕，相信今后的實測數據一定會更加精彩。

系統(tǒng)功能

四大功能

 

軍用功能

 

民用功能

 

航空運輸

當飛機在機場跑道著陸時，最基本的要求是確保飛機相互間的安全距離。利用衛(wèi)星導航精確定位與測速的優(yōu)勢，可實時確定飛機的瞬時位置，有效減小飛機之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實現自動盲降，極大提高飛行安全和機場運營效率。通過將北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的有效結合，將為航空運輸提供更多的安全保障。

應急救援

衛(wèi)星導航已廣泛用于沙漠、山區(qū)、海洋等人煙稀少地區(qū)的搜索救援。在發(fā)生地震、洪災等重大災害時，救援成功的關鍵在于及時了解災情并迅速到達救援地點。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)除導航定位外，還具備短報文通信功能，通過衛(wèi)星導航終端設備可及時報告所處位置和受災情況，有效縮短救援搜尋時間，提高搶險救災時效，大大減少人民生命財產損失。

指導放牧

2014年10月，北斗系統(tǒng)開始在青海省牧區(qū)試點建設北斗衛(wèi)星放牧信息化指導系統(tǒng)，主要依靠牧區(qū)放牧智能指導系統(tǒng)管理平臺、牧民專用北斗智能終端和牧場數據采集自動站，實現數據信息傳輸，并通過北斗地面站及北斗星群中轉、中繼處理，實現草場牧草、牛羊的動態(tài)監(jiān)控。2015年夏季，試點牧區(qū)的牧民就能使用專用北斗智能終端設備來指導放牧。

產業(yè)配套

北斗芯片

2012年12月27日，國家正式宣布北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)試運行啟動，標志著中國自主衛(wèi)星導航產業(yè)發(fā)展進入嶄新的發(fā)展階段。其中，衛(wèi)星導航專用ASIC硬件結合國產應用處理器的方案，成為北斗衛(wèi)星導航芯片一項重大突破。該處理器由中國本土IC設計公司研發(fā)，具有完全自主知識產權并已實現規(guī)模應用，一舉打破了電子終端產品行業(yè)普遍采用國外處理器局面。

衛(wèi)星導航終端中采用的導航基帶及射頻芯片，是技術含量及附加值最高的環(huán)節(jié)，直接影響到整個產業(yè)的發(fā)展。在導航基帶中，一般通過導航專用ASIC硬件電路結合應用處理器的方案來實現。此前的應用處理器多選用國外公司ARM處理器芯片核，需向國外支付IP核使用許可費用的同時，技術還受制于人，無法徹底解決產業(yè)安全及保密安全問題。

而通過設立重大專項應用推廣與產業(yè)化項目等方式，北斗多模導航基帶及射頻芯片國產化現已實現，中國人自己的應用處理器也在北斗多模導航芯片中得到規(guī)模應用。

BD/GPS多模基帶芯片解決方案中，衛(wèi)星導航專用ASIC硬件結合國產應用處理器打造出了一顆真正意義的“中國芯”。該應用處理器為國內完全自主開發(fā)的CPU/DSP核，包括指令集、編譯器等軟件工具鏈以及所有關鍵技術，均擁有100%的中國自主知識產權。其擁有國際領先水平的多線程處理器架構，可共享很多硬件資源，并在提供相當多核處理器處理能力的同時，節(jié)省芯片成本。

而基于該國產處理器衛(wèi)星導航芯片方案的模塊，是全球體積最小的BD/GPS雙模模塊，具有定位精度高、啟動時間快及功耗低等特點。

與單純的北斗芯片廠商相比，手機芯片廠商對終端定位有著更深刻的理解，包括：基站輔助衛(wèi)星定位技術、多種定位方案的融合、定位芯片與應用處理器或基帶處理器的集成等。積極扶持國內手機芯片廠商進入北斗芯片研發(fā)領域，并積極研發(fā)綜合定位解決方案，壯大完善北斗產業(yè)鏈。鼓勵國內手機芯片廠商開展與北斗芯片廠商的多樣化合作，共同推進手機終端北斗定位技術的應用。

檢測認證

2012年8月3日，解放軍總參謀部與國家認證認可監(jiān)督管理委員會在北京舉行戰(zhàn)略合作協(xié)議簽約儀式。中國將用3年時間建立起一個“法規(guī)配套、標準統(tǒng)一、布局合理、軍民結合”的“北斗”導航檢測認證體系，以期全面提升“北斗”導航定位產品的核心競爭力，確保“北斗”導航系統(tǒng)運行安全。

北斗導航系統(tǒng)

“北斗”導航定位系統(tǒng)已經有11顆衛(wèi)星在軌運行，擁有12萬軍民用戶。到2020年前，“北斗”導航定位系統(tǒng)衛(wèi)星數量將達到30顆以上，導航定位范圍也將由區(qū)域拓展到全球，其設計性能將與美國第三代GPS導航定位系統(tǒng)相當。

隨著“北斗”導航定位系統(tǒng)的建設發(fā)展，“北斗”導航應用即將迎來“規(guī)?；?、社會化、產業(yè)化、國際化”的重大歷史機遇，也提出了新的要求。按照軍地雙方簽署的協(xié)議，中國將在2015年前完成“北斗”導航產品標準、民用服務資質等法規(guī)體系建設，形成權威、統(tǒng)一的標準體系。同時在北京建設1個國家級檢測中心，在全國按區(qū)域建設7個區(qū)域級授權檢測中心，加快推動“北斗”導航檢測認證進入國家認證認可體系，相關檢測標準進入國家標準系列。

建立起“北斗”導航檢測認證體系，既是“北斗”系統(tǒng)堅持軍民融合式發(fā)展的具體舉措，也對創(chuàng)建“北斗”品牌，加速推進“北斗”產品的產業(yè)化、標準化起到重要作用。

市場應用

國際應用

2013年5月22日至23日，國務院總理李克強訪問巴基斯坦期間，中巴雙方簽署有關北斗系統(tǒng)在巴使用的合作協(xié)議。日前，巴基斯坦媒體報道，中國北京北斗星通導航技術股份有限公司將斥資數千萬美元，在巴基斯坦建立地面站網，強化北斗系統(tǒng)的定位精確度。

其次，全國政協(xié)副主席、中國科學技術部部長萬鋼日前透露，2013年將中國在東盟各國合作建設北斗系統(tǒng)地面站網。而根據中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會最新預測數據，到2015年，中國衛(wèi)星導航與位置服務產業(yè)產值將超過2250億元，至2020年則將超過4000億元。

2014年7月26日，來自泰國、馬來西亞、文萊、印度尼西亞、柬埔寨、老撾、朝鮮、巴基斯坦等八個國家的19名學員代表赴武漢中國光谷北斗基地，參觀學習中國最新的北斗技術。他們是由中國科技部國家遙感中心主辦的“2014北斗技術與應用國際培訓班”的學員，均為各國衛(wèi)星導航、遙感、地理信息系統(tǒng)、空間探測相關專業(yè)或從事相關管理工作的高級人員?；顒訛闁|盟及亞洲地區(qū)國家提供了以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為主的空間信息技術培訓，使中國北斗科技加快進入東盟及亞洲國家。

國內示范

2014年11月，國家發(fā)展改革委批復2014年北斗衛(wèi)星導航產業(yè)區(qū)域重大應用示范發(fā)展專項，成都市、綿陽市等入選國家首批北斗衛(wèi)星導航產業(yè)區(qū)域重大應用示范城市。

標準制訂

北斗接收機國際通用數據標準的制修訂是北斗全球應用和產業(yè)發(fā)展的基礎性工作之一，與衛(wèi)星導航接收機密切相關的RTCM差分系列標準、RINEX接收機交換數據格式、NMEA接收機導航定位數據接口等通用數據標準幾乎是世界上所有衛(wèi)星導航接收機都必須遵守的通用標準。然而，全球有多個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）接收設備技術標準制定組織，參與其中的中國企業(yè)和機構卻寥寥無幾。例如，成立于1947年的國際海事無線電技術委員會（RTCM）目前有130多個成員，卻只有2家中國企業(yè)成員。成立于1957年的美國國家海洋電子協(xié)會（NMEA），535個成員中只有1家中國企業(yè)成員。對于正式提供服務近兩年的北斗系統(tǒng)而言，參與國際標準的建設任重而道遠。

全國北斗衛(wèi)星導航標準化技術委員會于2014年成立，15項北斗應用基礎標準正在制定中，部分關鍵標準計劃在今年底對外發(fā)布。屆時，北斗系統(tǒng)將完成北斗產業(yè)鏈中標準規(guī)范關鍵環(huán)節(jié)的布局，北斗應用也將進入標準化、規(guī)范化以及通用化的快車道。 在國際方面，在中國民航局、交通部海事局、工信部科技司等部門指導下，依托中國航天標準化研究所、北京航空航天大學、交通部水運科學研究院、工信部電信研究院、武漢導航與位置服務工業(yè)技術研究院等科研院所，先后啟動了北斗系統(tǒng)進入國際民航、海事、移動通信、接收機通用數據標準等國際標準工作。經過各方協(xié)作和配合，北斗國際標準工作捷報頻傳。國際民航組織（ICAO）同意北斗系統(tǒng)逐步進入ICAO標準框架；國際海事組織（IMO）批準發(fā)布了《船載北斗接收機設備性能標準》，實現了北斗國際標準的‘零’突破，完成了北斗系統(tǒng)作為全球無線電導航系統(tǒng)(WWRNS)重要組成部分的技術認可工作，有望在今年底成為第三個被IMO認可的WWRNS；第三代移動通信標準化伙伴項目(3GPP)支持北斗定位業(yè)務的技術標準已獲得通過。北斗已經開啟了走向國際民航、國際海事、國際移動通信等高端應用領域的破冰之旅。

2014年9月8日至9日，國際海事無線電技術委員會第104專業(yè)委員會（RTCM SC-104）全體會議在美國佛羅里達州坦帕市會議中心召開，來自Trimble、Novatel、Geo++、USCG（美國海岸警衛(wèi)隊）等全球20多個GNSS高精度知名企業(yè)（機構）和重要用戶單位的30多位專家代表與會。武漢導航與位置服務工業(yè)技術研究院和上海司南衛(wèi)星導航技術有限公司組團參加，圓滿完成各項既定任務。

RTCM SC-104主要負責差分全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（DGNSS）系列推薦標準的制修訂，以及參與接收機自主交換格式（RINEX）、接收機導航定位數據輸出接口協(xié)議（NMEA-0183）等國際通用數據標準的制修訂工作。該委員會由全球從事衛(wèi)星導航設備生產、技術研發(fā)、系統(tǒng)服務的知名企業(yè)機構成員組成，下設GLONASS 、Galileo、RINEX、NMEA、BDS等工作組。武漢導航院為BDS工作組主席單位，北斗專項應用推廣與產業(yè)化專家組專家韓紹偉博士任BDS工作組主席。

會上，武漢導航院韓紹偉博士代表BDS工作組，向委員會全體會議匯報了對BDS NH碼的處理方法，澄清了對NH碼實現過程中因符號規(guī)則理解差異造成的差分解算失效、接收機無法兼容等問題，給出了解決方案并獲得委員會一致通過。該問題的解決打消了國際社會對BDS高精度可靠應用的疑慮，對促進北斗高精度全球應用具有重要作用。另外，韓紹偉博士代表BDS工作組就BDS導航電文數據組識別符的研究進展向委員會全體會議進行了匯報，對其組成、產生、判別方法等進行了探討，該識別符是BDS實現可靠實時差分應用的重要因素，也是北斗進入RTCM差分標準的關鍵參數。BDS工作組將就該問題繼續(xù)與有關各方深入合作，尋求最終解決方案。

最后，BDS工作組提議2015年5月11-12日在中國西安召開RTCM SC104全體會議，并邀請專家參加2015年5月13-15日在中國西安召開的第六屆中國衛(wèi)星導航學術年會（CSNC2015），該提議獲得委員會成員的通過。這是中國首次獲得RTCM SC104全體會議主辦權，標志著以中國企業(yè)為主體推動北斗加入 RTCM 、RINEX、NMEA等國際通用數據標準工作得到國際認可，顯示了國際社會對北斗高精度全球應用的期待和信心，必將有助于加速北斗進入系列國際通用數據標準工作。

國際認可

中國北斗衛(wèi)星已獲聯(lián)合國正式認可 可媲美GPS

在2014年11月17日至21日的會議上，聯(lián)合國負責制定國際海運標準的國際海事組織海上安全委員會，正式將中國的北斗系統(tǒng)納入全球無線電導航系統(tǒng)。這意味著繼美國的GPS和俄羅斯的“格洛納斯”后，中國的導航系統(tǒng)已成為第三個被聯(lián)合國認可的海上衛(wèi)星導航系統(tǒng)。專門研究中國太空項目和信息戰(zhàn)爭的加州大學專家凱文·波爾彼得表示，北斗系統(tǒng)能在其覆蓋范圍內提供足夠精確的定位信息。

社會評價

中國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)已獲得國際海事組織的認可。這是該系統(tǒng)向其目標邁出的重要一步：被全世界接受，可媲美美國全球定位系統(tǒng)(GPS)。

在2014年11月17日至21日的會議上，聯(lián)合國負責制定國際海運標準的國際海事組織海上安全委員會，正式將中國的北斗系統(tǒng)納入全球無線電導航系統(tǒng)。這意味著繼美國的GPS和俄羅斯的“格洛納斯”后，中國的導航系統(tǒng)已成為第三個被聯(lián)合國認可的海上衛(wèi)星導航系統(tǒng)。專門研究中國太空項目和信息戰(zhàn)爭的加州大學專家凱文·波爾彼得表示，這是“承認北斗系統(tǒng)能在其覆蓋范圍內提供足夠精確的定位信息”。