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)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要時空基礎(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%的人類活動都是和時間、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)是提供時間和空間的信息，也就是告訴用戶某一時刻、在哪個地方。

正是由于人類活動和時間、空間息息相關(guān)，人類一直在探索最佳的導(dǎo)航定位手段。在遠古時代，人們就已經(jīng)借助自然的現(xiàn)象或者地物來獲取時間和空間的信息，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。隨著人類的活動逐漸擴大，到航海時代，人類就可以利用一些簡單的儀器進行時間和位置的計算，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、慣性導(dǎo)航、電羅經(jīng)、石英鐘和原子鐘。

（二）衛(wèi)星導(dǎo)航：當今最重要的導(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，有以下幾個非常獨特的優(yōu)勢：一是能夠做到陸?？仗烊沼颉⑷鞎r、全天候覆蓋；二是目前的實時定位精度可以達到10米的量級，授時的精度可以達到數(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等終端；四是很便宜，目前一個消費級的終端芯片成本僅10塊錢。

（三）PNT的發(fā)展史就是人類活動空間不斷擴展的歷史

綜上所述，PNT的發(fā)展史就是人類活動空間不斷擴展的歷史。所謂的PNT是指什么？P是定位、N是導(dǎo)航、T是授時，也就是說，PNT就是我們平常所說的定位導(dǎo)航授時。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)象來進行定位；發(fā)展到遠洋航海的階段，我們有了羅盤和航海鐘；擴大到航空、遠程陸路的階段，我們有無線電和雷達；隨著1957年人類的第一顆人造衛(wèi)星上天，我們的活動空間又擴展到了近地空間，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，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，就是距離交會法，即：

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

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

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是利用距離交會法的原理，用至少四顆以上的衛(wèi)星來交會出地面未知點的位置，其中有幾個關(guān)鍵要素：一是衛(wèi)星的位置，也就是已知點、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)星的時間差。整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括幾個部分：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：一是接收和存儲地面控制系統(tǒng)上傳的導(dǎo)航電文，并通過導(dǎo)航電文計算出衛(wèi)星的位置和時間；二是發(fā)送用戶的導(dǎo)航定位信號，包括偽隨機碼、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，GALILEO是30個，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，那么它的運行周期和地球自轉(zhuǎn)的周期是一致的，都是24小時；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，它的運行軌道面和赤道面有一個夾角。GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星只能實現(xiàn)區(qū)域覆蓋，即：運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，運行的軌道周期大約是12個小時左右，與地球自轉(zhuǎn)的時間差就會造成MEO衛(wèi)星繞著地球進行旋轉(zhuǎn)，實現(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)計算衛(wèi)星的位置和時間，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。如果用戶要實現(xiàn)導(dǎo)航定位，就需要有一個接收設(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、速度和時間。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要實現(xiàn)導(dǎo)航定位，需要有三個關(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)在時間上的嚴格同步條件，實現(xiàn)了授時的性能。