耿濤 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心教授

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北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施。我們將從歷史背景、發(fā)展歷程、技術(shù)突破、應(yīng)用推廣、未來發(fā)展等方面出發(fā)，詳細(xì)介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)背后的故事。

一、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)背景介紹

（一）人類一直在尋求導(dǎo)航定位的手段

我們知道，時(shí)間和空間共同構(gòu)成了宇宙萬物的基本屬性，85%的人類活動(dòng)都是和時(shí)間、空間的信息息息相關(guān)的。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要任務(wù)是提供時(shí)間和空間的信息，也就是告訴用戶某一時(shí)刻、在哪個(gè)地方。

正是由于人類活動(dòng)和時(shí)間、空間息息相關(guān)，人類一直在探索最佳的導(dǎo)航定位手段。在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們就已經(jīng)借助自然的現(xiàn)象或者地物來獲取時(shí)間和空間的信息，如北斗七星、利用磁鐵石的司南、利用太陽照射物體產(chǎn)生影子的日晷。隨著人類的活動(dòng)逐漸擴(kuò)大，到航海時(shí)代，人類就可以利用一些簡單的儀器進(jìn)行時(shí)間和位置的計(jì)算，如利用燈塔和船只的距離、方位來引導(dǎo)船只航行，還有利用指南針特性的羅盤以及航海鐘和航海表。在近代，人類利用的儀器由簡單的儀器發(fā)展到精密的儀器，如無線電雷達(dá)、慣性導(dǎo)航、電羅經(jīng)、石英鐘和原子鐘。

（二）衛(wèi)星導(dǎo)航：當(dāng)今最重要的導(dǎo)航定位手段

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是最重要的導(dǎo)航定位手段，有以下幾個(gè)非常獨(dú)特的優(yōu)勢：一是能夠做到陸?？仗烊沼?、全天時(shí)、全天候覆蓋；二是目前的實(shí)時(shí)定位精度可以達(dá)到10米的量級，授時(shí)的精度可以達(dá)到數(shù)十納秒；三是非常簡單、適用，可以以軟件或芯片的形式嵌入手機(jī)等終端；四是很便宜，目前一個(gè)消費(fèi)級的終端芯片成本僅10塊錢。

（三）PNT的發(fā)展史就是人類活動(dòng)空間不斷擴(kuò)展的歷史

綜上所述，PNT的發(fā)展史就是人類活動(dòng)空間不斷擴(kuò)展的歷史。所謂的PNT是指什么？P是定位、N是導(dǎo)航、T是授時(shí)，也就是說，PNT就是我們平常所說的定位導(dǎo)航授時(shí)。PNT的發(fā)展史的第一階段是人類遷徙、狩獵、農(nóng)耕的階段，采用目測自然現(xiàn)象來進(jìn)行定位；發(fā)展到遠(yuǎn)洋航海的階段，我們有了羅盤和航海鐘；擴(kuò)大到航空、遠(yuǎn)程陸路的階段，我們有無線電和雷達(dá)；隨著1957年人類的第一顆人造衛(wèi)星上天，我們的活動(dòng)空間又?jǐn)U展到了近地空間，產(chǎn)生了以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的定位手段。但是，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也有自身的缺點(diǎn)，如無線電波不能穿透水體，所以水下、室內(nèi)和深空將是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的新的發(fā)展方向。

（四）衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基本原理

衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基本原理非常簡單，就是距離交會(huì)法，即：

以已知點(diǎn)為中心、以未知點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離為半徑劃一個(gè)圓，我們可以假設(shè)在二維空間之內(nèi)以A點(diǎn)為已知點(diǎn)，以C點(diǎn)為用戶未知點(diǎn)，C點(diǎn)到A點(diǎn)為半徑劃一個(gè)圓，再假設(shè)一個(gè)已知點(diǎn)B點(diǎn)又可以形成一個(gè)圓，兩圓交會(huì)可以形成兩個(gè)點(diǎn)，其中必定有一個(gè)點(diǎn)是未知點(diǎn)的位置。

對于三維的情況，圓就變成一個(gè)球，已知點(diǎn)A、B、D分別是球的球心，三個(gè)球相交的點(diǎn)就是未知點(diǎn)的位置。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是利用距離交會(huì)法的原理，用至少四顆以上的衛(wèi)星來交會(huì)出地面未知點(diǎn)的位置，其中有幾個(gè)關(guān)鍵要素：一是衛(wèi)星的位置，也就是已知點(diǎn)、球心；二是衛(wèi)星到用戶的距離，作為球的半徑；三是用戶相對于衛(wèi)星的時(shí)間差。整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括幾個(gè)部分：空間部分、地面控制部分以及用戶部分。

1.空間部分

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間部分發(fā)揮著以下作用：一是接收和存儲(chǔ)地面控制系統(tǒng)上傳的導(dǎo)航電文，并通過導(dǎo)航電文計(jì)算出衛(wèi)星的位置和時(shí)間；二是發(fā)送用戶的導(dǎo)航定位信號，包括偽隨機(jī)碼、載波和導(dǎo)航電文等。

目前的四大導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星參數(shù)是各不相同的。GPS、GLONASS的衛(wèi)星數(shù)量是24個(gè)，GALILEO是30個(gè)，北斗三號則是“24+3+3”共30顆，包括MEO、IGSO、GEO三類。其中，MEO是指中軌道衛(wèi)星，軌道距離地面的高度是21500公里，IGSO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星軌道高度是35786公里。根據(jù)衛(wèi)星軌道理論，如果衛(wèi)星的軌道高度是35780公里左右，那么它的運(yùn)行周期和地球自轉(zhuǎn)的周期是一致的，都是24小時(shí)；再假設(shè)衛(wèi)星是在赤道的上空，在上述條件下，衛(wèi)星就和地面保持相對靜止；其中，IGSO衛(wèi)星不在赤道上方，它的運(yùn)行軌道面和赤道面有一個(gè)夾角。GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星只能實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋，即：運(yùn)行軌跡只能覆蓋地球的一部分；MEO衛(wèi)星的軌道高度是20000公里左右，運(yùn)行的軌道周期大約是12個(gè)小時(shí)左右，與地球自轉(zhuǎn)的時(shí)間差就會(huì)造成MEO衛(wèi)星繞著地球進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

2.地面控制部分

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面控制部分是由主控站、監(jiān)測站、注入站等一系列跟蹤站所構(gòu)成的。其中，監(jiān)測站跟蹤衛(wèi)星并獲取觀測數(shù)據(jù)，再將觀測數(shù)據(jù)傳送給主控站；主控站利用傳輸過來的數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的位置和時(shí)間，將導(dǎo)航電文等信息傳送給注入站；信息再由注入站上傳到衛(wèi)星。

3.用戶部分

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶部分由用戶和接收設(shè)備構(gòu)成。如果用戶要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位，就需要有一個(gè)接收設(shè)備。接收設(shè)備的主要作用是，接收衛(wèi)星發(fā)射出來的信息，包括偽碼、載波相位和導(dǎo)航電文等信息，再通過一定的數(shù)據(jù)處理算法得到用戶的位置、速度和時(shí)間。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位，需要有三個(gè)關(guān)鍵要素：一是衛(wèi)星的已知位置；二是測得“球”的半徑，也就是衛(wèi)星到用戶之間的距離，主要是分米級至米級的偽碼與毫米級的載波相位兩種信息，并且需要以一定頻率的合法且公開的無線電信號發(fā)射給用戶；三是搭載高精度的原子鐘的第四顆衛(wèi)星，創(chuàng)造了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在時(shí)間上的嚴(yán)格同步條件，實(shí)現(xiàn)了授時(shí)的性能。