1.5　北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS），简称北斗系统，是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，与美国全球定位系统、俄罗斯全球轨道导航卫星系统、欧洲建设中的伽利略系统构成全球四大导航系统。

北斗系统具有以下特点。

（1）北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。

（2）北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

（3）北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、精准位置报告和短报文通信服务五大功能。

1.5.1　北斗系统的建设和发展

我国北斗系统的建设坚持自主创新、分步建设、不断完善的“三步走”发展战略。

1. 北斗一号系统（也称北斗卫星导航试验系统）

1994年，启动北斗一号系统工程建设；2000年，发射两颗地球静止轨道卫星，建成系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。

2. 北斗二号系统

2004年，启动北斗二号系统工程建设；2012年年底，完成14颗卫星（5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务。

3. 北斗全球系统

2009年，启动北斗全球系统建设，继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制；计划2018年，面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务；2020年前后，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。

为满足日益增长的用户需求，北斗系统将加强卫星、原子钟、信号体制等方面的技术研发，探索发展新一代导航定位授时技术，持续提升服务性能。主要有以下几个方面。

（1）提供全球服务。发射新一代导航卫星，研制更高性能的星载原子钟，进一步提高卫星性能与使用寿命，构建稳定可靠的星间链路；增发更多的导航信号，加强与其他卫星导航系统的兼容与互操作，为全球用户提供更好的服务。

（2）增强服务能力。大力建设地面试验验证系统，实现星地设备全覆盖测试验证；持续建设完善星基和地基增强系统，大幅提高系统服务精度和可靠性；优化位置报告及短报文通信技术体制，扩大用户容量，拓展服务区域。

（3）保持时空基准。北斗系统时间基准（北斗时）溯源于协调世界时，时差信息在导航电文中发播；推动与其他卫星导航系统开展时差监测，提高兼容与互操作。发展基于北斗系统的全球位置标识体系，推动北斗系统坐标框架与其他卫星导航系统的互操作，并不断精化参考框架。

1.5.2　北斗系统的组成

北斗系统基本组成包括空间段（卫星星座）、地面控制段（地面监控）和用户段（接收机）。

1. 空间段

北斗系统空间星座由5颗地球静止轨道（GEO）卫星、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。北斗系统星座组成如图1-19所示，GEO卫星轨道高度为35 786km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°；IGSO卫星轨道高度为35 786km，轨道倾角为55°，分布在3个轨道面内，升交点赤经分别相差120°，其中3颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，其余两颗卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经95°；MEO卫星轨道高度为21 528km，轨道倾角为55°，回归周期为7天13圈，相位从Walker24/3/1星座中选择，第一轨道面升交点赤经为0°。4颗MEO卫星位于第一轨道面7、8相位、第二轨道面3、4相位。

截止到2016年7月，在轨工作卫星有6颗地球静止轨道（GEO）卫星、7颗中圆地球轨道（MEO）卫星和8颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星。

2. 地面控制段

地面控制段负责系统导航任务的运行控制，主要由主控站、时间同步/注入站、监测站等组成。主控站是北斗系统的运行控制中心，主要任务包括以下几方面。

（1）收集各时间同步/注入站、监测站的导航信号监测数据，进行数据处理，生成导航电文等。

（2）负责任务规划与调度和系统运行管理与控制。

（3）负责星地时间观测比对，向卫星注入导航电文参数。

（4）卫星有效载荷监测和异常情况分析等。

时间同步/注入站主要负责完成星地时间同步测量，向卫星注入导航电文参数。监测站对卫星导航信号进行连续观测，为主控站提供实时观测数据。

3. 用户段

多种类型的北斗用户终端，包括与其他导航系统兼容的终端。

用户设备部分主要功能是能够捕获按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

1.5.3　北斗系统公开服务区

目前，正在运行的北斗二号系统发播B1I和B2I公开服务信号，免费向亚太地区提供公开服务。北斗系统公开服务区指满足水平和垂直定位精度优于10m（置信度95%）的服务范围。北斗系统已实现区域服务能力，现阶段可以连续提供公开服务的区域，包括55°S～55°N，70°E～150°E的大部分区域。

1.5.4　北斗系统公开服务性能指标

1. 服务精度指标

北斗系统服务区内公开服务定位/测速/授时精度指标，如表1-2所示。

2. 三维位置精度因子（PDOP）可用性指标

北斗系统服务区内公开服务PDOP可用性指标，如表1-3所示。

3. 定位服务可用性指标

北斗系统服务区内公开服务定位服务可用性指标，如表1-4所示。

1.5.5　北斗系统应用与产业化

北斗系统是一种民用和军事用途兼顾的全球卫星导航定位系统，可同时为多用户提供时空信息服务，具有高精度、全球覆盖、全天候、连续、实时等特点，因而使其在交通运输、航空航天、海洋渔业、水文监测、气象预报、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、大地测量、地球物理、武器制导等诸多领域得到广泛的应用。

（1）在交通运输方面，北斗系统广泛应用于地面车辆的导航、跟踪和物流运输管理、城市智能交通管理；船舶的水上航行和进港引导、远洋船舶的跨洋航行；飞机的飞行导航、进场着陆和空中交通管制；以及重点运输过程监控管理、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度监控等领域。

（2）在海洋作业和渔业方面，北斗系统应用于海上钻井平台的拖航就位、海洋测量、海洋资源的普查和渔业生产。北斗系统为渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。

（3）在测量和勘探方面，北斗系统广泛应用于大地测量、物理和资源勘查、地壳运动、地籍测量等。

（4）在水文监测方面，北斗系统成功应用于多山地域水文测报信息的实时传输，提高灾情预报的准确性，为制定防洪抗旱调度方案提供重要支持。

（5）在气象预报方面，北斗气象测报型终端设备和大气海洋及空间监测预警示范应用形成实用可行的系统应用解决方案，实现气象站之间的数字报文自动传输。

（6）在森林防火方面，北斗系统成功应用于森林防火。定位与短报文通信功能在实际应用中发挥了较大作用。

（7）在通信系统方面，北斗双向授时应用于电力时间同步，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。

（8）在农业生产方面，北斗的实时精密定位将应用于土地和大田的整理和管理，将其装在拖拉机和收割机等农业机械上，以分米级的定位精度实现对农田的精密耕作。

（9）在救灾减灾方面，基于北斗系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。例如，北斗系统在南方冰冻灾害，四川汶川、芦山和青海玉树地震，舟曲特大泥石流抗灾活动中发挥了重要的作用。

北斗系统将为工业、林业、环保、旅游、金融、邮政、医疗急救、搜索救援等行业提供更高性能的定位、导航、授时和短报文通信服务，具有很大的应用潜力。

在军用领域方面，北斗系统的应用可大致概括为以下几点。

（1）全时域的自主导航。BDS的自主导航，利用接收终端向用户提供位置、时间信息，也可结合电子地图进行移动平台航迹显示、行驶线路规划和行驶时间估算，从而大大提高了部队的机动作战和快速反应能力。

（2）各种作战平台的指挥监控。BDS的导航定位和数字短报文通信功能有机结合，可以将移动目标的位置信息和其他相关信息传送至指挥所，完成移动目标的动态可视化显示和指挥指令的发送，实现战区移动目标的指挥监控。

（3）精确制导和打击效果评估。BDS制导有精度高、制导方式灵活等特点，已成为精确制导武器的一种重要制导方式。另外，BDS还可以对打击目标命中率进行评估。

（4）未来单兵作战系统保障。主要利用定位和通信功能，为单兵提供位置信息和时间信息服务，同时可将单兵的位置信息实时动态传送到指挥机构，并及时向单兵发送各种指令，提高单兵作战和机动能力。

（5）军用数字通信网络授时。利用BDS可提供高精度授时，为军用通信网络提供统一的时标信息，从而使通信网络速率同步，保证通信网中的所有数字通信设备工作在同一标准频率上。

中国积极培育北斗系统的应用开发，创立由基础产品、应用终端、应用系统和运营服务构成的北斗产业链，持续加强北斗产业保障、推进和创新体系，不断改善产业环境，扩大应用规模，实现融合发展，提升卫星导航产业的经济和社会效益。

（1）通过制定相关产业政策，建立竞争有序的导航产业发展环境，推动标准化建设，形成产品质量体系，以及建设位置数据综合服务体系等措施，构建产业保障体系。

（2）推动卫星导航与国民经济各行业的深度融合，开展北斗行业示范，形成行业综合应用解决方案，促进交通运输、国土资源、防灾减灾、农林水利、测绘勘探、应急救援等行业转型升级。结合智慧城市发展和国家区域发展战略需求，开展北斗区域示范，推进北斗系统市场化、规模化应用，促进北斗产业和区域经济社会发展。

（3）面向智能手机、车载终端、穿戴式设备等大众市场，实现北斗产品小型化、低功耗、高集成，重点推动北斗兼容其他卫星导航系统的定位功能，成为车载导航、智能导航的标准配置，促进在社会服务、旅游出行、弱势群体关爱、智慧城市等方面的多元化发展。

（4）突破核心关键技术，开发北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，培育自主的北斗产业链。

（5）鼓励北斗与互联网+、大数据、云计算等的融合发展，支持卫星导航与移动通信、无线局域网、伪卫星、超宽带、自组织网络等信号的融合定位及创新应用，促进卫星导航与物联网、地理信息、卫星遥感/通信、移动互联网等新兴产业融合发展。

（6）推动北斗系统与其他卫星导航系统在系统建设、应用等各领域开展全方位合作与交流，加强兼容与互操作，实现资源共享、优势互补、技术进步，共同提高卫星导航系统服务水平，为用户提供更加优质多样、安全可靠的服务。

（7）鼓励开展国际卫星导航应用的政策、市场、法律、金融等领域的研究和咨询服务，提升国际化综合服务能力。服务“一带一路”建设，与全球有意愿的国家一起，共同建设卫星导航增强系统，提供高精度卫星导航、定位、授时服务，提升北斗系统海外服务性能，促进导航技术的国际化应用。通过构建高精度卫星导航、定位、授时服务运营服务平台，开展交通运输、大众旅游、海上应用、减灾救灾、精密农业等领域应用示范，带动大规模应用推广。