第82章中国北斗导航卫星

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基本简介

卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展北斗导航卫星拥有自主知识产权的卫星导航系统。北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的三维卫星定位与通信系统，有人把它比作中国自己的GPS。

2007年4月，我国发射了第一颗北斗二号导航卫星。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。

建设原则

北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：

开放性

北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。

自主性

中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。

兼容性

在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。

渐进性

中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。

发展计划

目前，我国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射8颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

建设现状

主要概况

卫星导航定位技术，是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种新兴技术。与传统的导航定位技术相比，卫星导航定位技术具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点，已成为人类活动中普遍采用的一种主要导航定位技术。

美国和俄罗斯相继在上世纪末期，建成了全球卫星导航系统GPS和GLONASS（格罗纳斯），欧盟目前正在进行GALILEO（伽利略）系统建设，印度也大有奋起直追的潜能。

为了建立独立自主的中国卫星导航定位系统，1994年国家批准北斗卫星导航系统研制建设任务，2000年10月31日和2000年12月21日分别发射一颗试验导航卫星，从而初步建成“北斗导航”卫星双星导航定位系统，标志着我国卫星导航技术取得突破性进展，我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

中国情况

北斗一号：区域覆盖的导航能力

使用2颗卫星组建导航系统是美国吉奥星公司率先提出的，但美国和欧洲的公司在这方面的研制均遭遇挫折，而中国却首先实现了这项卫星导航定位的创新工程。

其基本原理是采用三球交会测量，利用两颗位置已知的地球同步轨道卫星为两球心，两球心至用户的距离为半径作两球面，另一球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离为半径的球面，三个球面的交会点就是用户位置。

这种导航定位方式与GPS、GLONESS所采用的被动式导航定位相比，虽然在覆盖范围、定位精度、容纳用户数量等方面存在明显的不足，但其成本低廉，系统组建周期短，同时可将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起，使系统不仅可全天候、全天时提供区域性有源导航定位，还能进行双向数字报文通信和精密授时。

另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户能知道自己的测定位置，而且其调度指挥或其他有关单位也可掌握用户所在位置，因此特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等，而在救灾行动中起作用显现尤为明显。

“北斗一号”导航卫星选用东方红三号卫星平台，总重约2300公斤，卫星设计使用寿命8年。卫星采用三轴稳定方式，由有效载荷（转发器、天线）、电源、测控、姿态和轨道控制、推进、热控、结构等分系统组成；卫星本体为2000mm1720mm2200mm的立方体箱形结构，分为服务舱、推进舱和载荷舱。

2000年10月31日，“北斗导航”卫星01星发射，11月6日成功定点于140°E；2000年12月21日，“北斗导航”卫星02星发射，12月26日成功定点于80°E。两颗卫星顺利完成在轨性能测试，性能参数满足研制任务要求，利用两颗卫星构成了双星导航定位系统，为用户提供导航定位服务。

2003年5月25日，“北斗导航”卫星03星发射，6月3日成功定点于110.5°E，它将作为备份星使用。2007年2月3日成功发射的北斗导航试验卫星04星，是接替01星继续服务的。也就是说，北斗双星导航定位系统由2颗静止轨道导航试验卫星和1颗在轨备份星以及地面控制中心站（有2副天线）和“北斗”用户终端三部分组成。

已经投入运行的“北斗一号”试验卫星导航系统主要能为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，可在中国及周边地区为单兵、车辆、舰船和飞机等用户提供精度为20～100米的定位服务，通过它一次可传送多达120个汉字的信息，其授时精度可达20纳秒。

“北斗一号”导航卫星双星导航定位系统的建立，“快、好、省”的迈出了我国卫星导航系统重要的一步。该系统将导航定位、双向通信和精密授时结合在一起，为公路交通、铁路运输、海上作业、森林防为、灾害预报以及其他特殊行业提供高精度定位、授时和短报文通信等服务，取得了较好的应用成效。

2008年5月12日，四川汶川地震发生后，道路中断，通信中断，震中附近的重灾区失去了与外界的一切通信联系，中国卫星导航定位应用管理中心紧急调拨上千台“北斗”用户机配备一线救援部队。在此次救援活动中，“北斗一号”试验卫星导航系统所具有的覆盖范围广受地面影响小、定位报告及时等优势得到了充分发挥，成为救援指挥部和前方救援人员最有力的通信助手，最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的最有效利用。这也是我国第一代北斗导航卫星成功应用的典范！

北斗二号：具备全球导航能力

2007年4月14日，我国成功发射了第二代第1颗北斗导航卫星。2009年4月15日，又成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。中国卫星导航工程中心负责人介绍，这次发射的北斗导航卫星（COMPASS-G2），是中国北斗卫星导航系统建设计划中的前二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。这两颗卫星的成功发射，对于北斗卫星导航系统建设具有十分重要的意义。

目前，“北斗二号”卫星组网首批实用卫星发射已进入倒计时阶段，在今年和明年两年我们要发射10颗左右的导航卫星，计划2015年建成一个由三十几颗卫星组成的全球导航定位系统。目前我国的各种导航定位设备都要靠美国的GPS系统提供服务，“北斗二号”系统建成后，将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖，并且中国导航卫星也从此开始具备全球导航定位能力。

“北斗二号”导航定位系统是通过测量卫星至用户的信号传播延迟，利用测距原理实现导航定位。通过3颗卫星测距，得到用户至卫星的距离，确定两维位置；再通过增加第4颗卫星的测量，可以计算三维位置和时间。该系统的空间段由分布在不同轨道多颗卫星组成，它们构成导航星座。该系统采用的卫星是一种全新的卫星，采用了很多新技术。自首颗卫星发射成功以来，就开始了在轨测试和新技术试验验证等工作。通过首颗二代导航卫星的发射、在轨测试和在轨试验，验证了卫星各种新技术，有力推进了导航卫星系统的建设。

“北斗二号”是我国开发的独立的全球卫星地位系统，不是“北斗一号”功能的简单延伸，更类似于GPS全球定位系统和伽利略系统。第二代北斗导航定位卫星飞行在高度为21500千米的中圆轨道运行，这两颗不再以“试验”冠名的北斗导航卫星顺利升空，标志着中国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的实际应用发展建设阶段。

我国将在未来几年里陆续发射系列北斗导航卫星，计划2009年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，2011年前满足亚洲地区的导航服务，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。这个系统将主要用于国家经济建设，为交通运输、气象、石油、海洋、森林、通信、公安等部门以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。

正在建设的“北斗二号”卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，它们是无源导航卫星，不同于第一代的有源导航，这可以为需要导航的用户带来极大的安全。该卫星提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务。

目前，我国卫星导航定位的应用范围和行业不断扩展，全国卫星导航应用市场规模以每两年翻一番的速度快速增长。近年来，我国卫星导航定位业务发展很快，“北斗”卫星导航系统的用户已突破30万户，直接产值达35亿元，占中国导航定位产业的20%左右，由它带动的相关产业将达数百亿元。

我国正出台政策加快“北斗二号”卫星导航系统的建设，制定“北斗二号”卫星导航系统民用应用政策，促进“北斗二号”卫星导航系统的产业化应用，鼓励其他行业和领域采用“北斗”卫星导航兼容其他卫星导航系统的服务体制。

目前，我国及周边国家主要依靠美国的GPS系统来进行导航定位服务，而随着中国“北斗二号”系统的建成，将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖，也将逐步拥有大批的海外固定应用客户，并带动一大批国内高技术产业，形成新的经济增长点，甚至直接拉动我国航太技术的进步。

服务内容

北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括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10米，测速精度0.2米/秒，授时精度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。

为使北斗卫星导航系统更好地为全球服务，加强北斗卫星导航系统与其它卫星导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用，中国愿意与其它国家合作，共同发展卫星导航事业。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

主要用途

北斗的主要用途有五个方面：

首先，导航与通信的集成增强了导航能力和搜索救援能力，可实现用户信息共享和信息交换。

其次，多系统兼容服务，可以实现公开服务相互兼容，必要时提供多系统监测信息和差分改正信息。

第三，提供双向授时授权服务。

第四，以双向伪距时间同步方法摆脱卫星时间同步与精密轨道之间的依赖关系。

第五，中国自行研发的北斗卫星定位系统“北斗”系统的军事用途。

“北斗”卫星导航定位系统基本上是以满足商用服务为主，虽然目前军事用途仍有限，不过其仍具有雄厚的军事应用潜力，这也是大陆未来发展重点。理由很简单，虽然大陆卫星导航定位应用近年来发展迅速，但是绝大多数的军民应用范畴都是建立在美国GPS之上。一旦发生战争，美国关闭GPS或加大民用码误差，对大陆而言，后果不堪设想，所以大陆必须末雨绸缪，发展自主的卫星导航定位系统。

其实“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。不过，因运作方式不同，“北斗”卫星导航定位系统有一些GPS没有的军事功能，其中最重要的就是部队的指挥管制。

主要缺陷

由于“北斗”卫星导航定位系统是双星系统，因此，共用户接收器只能测得二维（平面、2D）的定位数据。用户若位于海平面上，因高度为零，可以直接求得三维（平面和高度、3D）的定位数据；但用户若位于陆地或空中，就需要利用地面控制中心的数值地图资料厍或用户自备的测高仪才能求得用户的高度，并进一步确定用户的三维坐标。若控制中心的数值地图数据库数据不够准确，尤其是要拿到非本国的地理精确数据并不容易，定位出的位置数据就会有问题。

“北斗”卫星导航定位系统用户的定位申请要送回地面控制中心，经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料之后再发回用户。无线电信号从地面发出，经卫星返回地面的上下行时间约为0.24～0.28秒，从用户接收器应答测距信号到接收定位结果，信号经过两次上下行链路的传送，时间约需0.56秒，加上中心控制系统的计算时间，整个定位时间约需1秒钟，即用户接收器约可在1秒钟完成定位。这1秒的定位时间对飞机、导弹这种高速运动的用户嫌时间长，会加大定位的误差，因此，若要利用“北斗”卫星导航定位系统进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较适合。

由于“北斗”卫星导航定位系统的客户端耍请求定位服务时，必须发出应答信号，即“有源应答”，如果使用者是军方单位就会使自身失人隐蔽性，且这个定位服务要求的信号也可被敌方定位，而遭致攻击。

另外，客北斗导航卫星的战略应用户端除了要和卫星一样接收来自地面控制中心的询问信号，也要发出应答信号，因此，整个系统的同一时间内服务用户的数量便受用户可使用的通信频率数量、询问信号速率和用户的响应速率等条件的限制，所以“北斗”卫星导航定位系统的用户设备容量是有限的，每秒钟只能容纳150个用户。虽然每个客户端都有专用识别码，不过一旦被破解，很容易使整个系统被敌人或有心人士以伪冒信号加以饱和，使系统瘫痪或者是传送假信息，迷惑友军。

由于“北斗”卫星导航定位系统中地面控制中心扮演着系统关键角色，如：承转卫星信息、解算用户位置等，因此，一旦地面控制中心被毁，整个系统就不能运作了，这也是“北斗”系统的致命伤。

“北斗”卫星导航定位系统使用的卫星是同步轨道卫星，这意味着落地信号功率很小，因此，用户机需要有较大天线（直径达20厘米）才能接收信号，而且因“有源应答”运作方式，所以，用户机还要包含发射机，因此在体积（普通型用户机长20厘米、宽17.5厘米、高5.2厘米）、重量、耗电量，甚至价格都远比GPS接收机来得大、重、耗电与贵，而且这么大且重的用户机，不要说是装在导弹上，就是单兵使用都是一大负担。