一、北斗系統的定位原理

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35顆衛(wei)星(xing)在(zai)離地(di)面2萬多(duo)千米的(de)(de)(de)高空上，以固定的(de)(de)(de)周(zhou)期環繞地(di)球運行，使得在(zai)任意時刻，在(zai)地(di)面上的(de)(de)(de)任意一點都可以同時觀測到4顆以上的(de)(de)(de)衛(wei)星(xing)。

由于衛(wei)星的位(wei)置精確可(ke)知(zhi)，在接收(shou)機(ji)對衛(wei)星觀測中(zhong)(zhong)，我們可(ke)得到(dao)(dao)衛(wei)星到(dao)(dao)接收(shou)機(ji)的距(ju)離(li)，利(li)用(yong)三維(wei)坐(zuo)標(biao)中(zhong)(zhong)的距(ju)離(li)公(gong)式，利(li)用(yong)3顆衛(wei)星，就可(ke)以組成3個方程(cheng)式，解出(chu)觀測點的位(wei)置（X，Y，Z）。考慮到(dao)(dao)衛(wei)星的時鐘(zhong)與(yu)接收(shou)機(ji)時鐘(zhong)之(zhi)間的誤差，實際上有4個未知(zhi)數，X、Y、Z和(he)鐘(zhong)差，因(yin)而需(xu)要(yao)引入第(di)4顆衛(wei)星，形成4個方程(cheng)式進行求解，從而得到(dao)(dao)觀測點的經(jing)緯度和(he)高程(cheng)。

事實上(shang)，接收機(ji)往(wang)往(wang)可以鎖住4顆(ke)以上(shang)的(de)(de)衛星(xing)(xing)，這時，接收機(ji)可按衛星(xing)(xing)的(de)(de)星(xing)(xing)座分布分成若干(gan)組，每(mei)組4顆(ke)，然后通過算法挑選(xuan)出誤(wu)差最小的(de)(de)一組用作定位，從而提高精度。

衛(wei)(wei)星定位實(shi)施的(de)(de)(de)是“到(dao)達(da)時間差”（時延）的(de)(de)(de)概念：利(li)用每一顆(ke)衛(wei)(wei)星的(de)(de)(de)精確(que)位置(zhi)和連續發送的(de)(de)(de)星上原子鐘生成(cheng)的(de)(de)(de)導航信息獲得(de)從衛(wei)(wei)星至接收機的(de)(de)(de)到(dao)達(da)時間差。

衛星在空(kong)中連續發送帶有時(shi)(shi)(shi)(shi)間和位(wei)置信(xin)息的(de)無線電(dian)信(xin)號，供接收(shou)(shou)(shou)機接收(shou)(shou)(shou)。由(you)于傳輸的(de)距離(li)因(yin)素，接收(shou)(shou)(shou)機接收(shou)(shou)(shou)到信(xin)號的(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)刻(ke)要(yao)比衛星發送信(xin)號的(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)刻(ke)延遲，通(tong)(tong)常稱之為時(shi)(shi)(shi)(shi)延，因(yin)此，也可以(yi)通(tong)(tong)過時(shi)(shi)(shi)(shi)延來確定距離(li)。衛星和接收(shou)(shou)(shou)機同時(shi)(shi)(shi)(shi)產生同樣的(de)偽隨機碼(ma)(ma)，一旦(dan)兩個碼(ma)(ma)實現時(shi)(shi)(shi)(shi)間同步，接收(shou)(shou)(shou)機便(bian)能(neng)(neng)測(ce)定時(shi)(shi)(shi)(shi)延；將時(shi)(shi)(shi)(shi)延乘上光速，便(bian)能(neng)(neng)得到距離(li)。

每(mei)(mei)顆衛(wei)星(xing)(xing)上的(de)計(ji)算(suan)機和導航信息(xi)發(fa)生(sheng)器非常精確地(di)了解其軌道位(wei)(wei)置和系(xi)統(tong)時(shi)間，而(er)全球監測(ce)站(zhan)網保持(chi)連續跟蹤(zong)衛(wei)星(xing)(xing)的(de)軌道位(wei)(wei)置和系(xi)統(tong)時(shi)間。位(wei)(wei)于地(di)面的(de)主控站(zhan)與其運控段一起，至少(shao)每(mei)(mei)天一次對(dui)每(mei)(mei)顆衛(wei)星(xing)(xing)注(zhu)入校(xiao)(xiao)正(zheng)數(shu)據。注(zhu)入數(shu)據包括：星(xing)(xing)座中每(mei)(mei)顆衛(wei)星(xing)(xing)的(de)軌道位(wei)(wei)置測(ce)定和星(xing)(xing)上時(shi)鐘的(de)校(xiao)(xiao)正(zheng)。這些校(xiao)(xiao)正(zheng)數(shu)據是在(zai)復雜模型(xing)的(de)基(ji)礎上算(suan)出(chu)的(de)，可在(zai)幾(ji)個星(xing)(xing)期(qi)內(nei)保持(chi)有效。

衛星(xing)(xing)(xing)導航系(xi)統時間(jian)是由每顆(ke)衛星(xing)(xing)(xing)上(shang)原子鐘(zhong)的(de)銫和(he)銣原子頻(pin)標(biao)保持的(de)。這些(xie)星(xing)(xing)(xing)鐘(zhong)一般(ban)來講精(jing)確到世界協(xie)調時（UTC）的(de)幾納秒(miao)以內，UTC是由美國海軍觀象臺(tai)的(de)“主鐘(zhong)”保持的(de)，每臺(tai)主鐘(zhong)的(de)穩定性為(wei)(wei)若(ruo)干個10^-13秒(miao)。衛星(xing)(xing)(xing)早期(qi)采用兩部銫頻(pin)標(biao)和(he)兩部銣頻(pin)標(biao)，后來逐步改變(bian)為(wei)(wei)更多地采用銣頻(pin)標(biao)。通常，在任一指定時間(jian)內，每顆(ke)衛星(xing)(xing)(xing)上(shang)只有一臺(tai)頻(pin)標(biao)在工作。

衛星導航原理：衛星至(zhi)用戶(hu)間的(de)距離測量(liang)(liang)是基(ji)于衛星信(xin)號(hao)的(de)發射時(shi)間與到達接(jie)收機的(de)時(shi)間之差(cha)，稱為(wei)偽距。為(wei)了計算用戶(hu)的(de)三維位置和(he)接(jie)收機時(shi)鐘偏差(cha)，偽距測量(liang)(liang)要求至(zhi)少接(jie)收來(lai)自4顆衛星的(de)信(xin)號(hao)。

由(you)于(yu)衛(wei)(wei)星(xing)運行(xing)(xing)軌道(dao)、衛(wei)(wei)星(xing)時鐘存在(zai)誤差(cha)(cha)，大(da)氣(qi)對(dui)流(liu)層(ceng)、電(dian)離層(ceng)對(dui)信號(hao)的(de)(de)影(ying)響，使得(de)民用(yong)的(de)(de)定(ding)(ding)位(wei)(wei)精(jing)(jing)度(du)只有(you)數十米量級。為提高(gao)定(ding)(ding)位(wei)(wei)精(jing)(jing)度(du)，普遍采用(yong)差(cha)(cha)分(fen)(fen)定(ding)(ding)位(wei)(wei)技術（如DGPS、DGNSS），建立地面(mian)基準(zhun)站(差(cha)(cha)分(fen)(fen)臺)進行(xing)(xing)衛(wei)(wei)星(xing)觀(guan)測(ce)(ce)，利(li)用(yong)已知的(de)(de)基準(zhun)站精(jing)(jing)確坐(zuo)標，與觀(guan)測(ce)(ce)值(zhi)進行(xing)(xing)比(bi)較，從而得(de)出一(yi)修正(zheng)數，并對(dui)外發布。接收機收到(dao)(dao)該修正(zheng)數后，與自身的(de)(de)觀(guan)測(ce)(ce)值(zhi)進行(xing)(xing)比(bi)較，消(xiao)去(qu)大(da)部分(fen)(fen)誤差(cha)(cha)，得(de)到(dao)(dao)一(yi)個比(bi)較準(zhun)確的(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)。實驗表明，利(li)用(yong)差(cha)(cha)分(fen)(fen)定(ding)(ding)位(wei)(wei)技術，定(ding)(ding)位(wei)(wei)精(jing)(jing)度(du)可提高(gao)到(dao)(dao)米級。

二、系統功能

（一）四大功能

短報文(wen)(wen)通(tong)信(xin)：北斗系統用(yong)(yong)戶終端具有雙(shuang)向報文(wen)(wen)通(tong)信(xin)功能，用(yong)(yong)戶可(ke)(ke)以(yi)一(yi)次(ci)傳(chuan)送40-60個漢(han)字的短報文(wen)(wen)信(xin)息。可(ke)(ke)以(yi)達到一(yi)次(ci)傳(chuan)送達120個漢(han)字的信(xin)息。在(zai)遠洋航(hang)行中(zhong)有重要(yao)的應(ying)用(yong)(yong)價值。

精密授時：北斗(dou)系(xi)統具有精密授時功能，可向用戶提(ti)供20ns-100ns時間(jian)同步精度。

定位精度(du)：水平精度(du)100米(mi)（1σ），設(she)立標(biao)校站之后為20米(mi)（類似差分狀態(tai)）。工作頻率：2491.75MHz。

系統容納的最大用戶(hu)數(shu)：540000戶(hu)/小時。

（二）軍用功能

“北斗”衛星導航定(ding)位(wei)(wei)(wei)系統的軍事(shi)功能(neng)與GPS類似，如：運動目標的定(ding)位(wei)(wei)(wei)導航；為縮短反應時間的武器載具發射位(wei)(wei)(wei)置(zhi)的快速定(ding)位(wei)(wei)(wei)；人(ren)員(yuan)搜救、水上排雷的定(ding)位(wei)(wei)(wei)需(xu)求等(deng)。

這項功(gong)能用(yong)在(zai)軍事上，意味著(zhu)可(ke)主動(dong)進行各級部(bu)隊(dui)的(de)定位(wei)，也(ye)就(jiu)是說各級部(bu)隊(dui)一旦配備“北(bei)(bei)斗”衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)(hang)定位(wei)系(xi)(xi)統(tong)，除了可(ke)供自身定位(wei)導(dao)航(hang)(hang)外，高(gao)層(ceng)指揮部(bu)也(ye)可(ke)隨時通過“北(bei)(bei)斗”系(xi)(xi)統(tong)掌(zhang)握部(bu)隊(dui)位(wei)置，并(bing)傳(chuan)遞(di)相(xiang)關命令，對任務的(de)執(zhi)行有相(xiang)當(dang)大的(de)助益。換言之，可(ke)利用(yong)“北(bei)(bei)斗”衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)(hang)定位(wei)系(xi)(xi)統(tong)執(zhi)行部(bu)隊(dui)指揮與管(guan)制及戰場管(guan)理。

（三）民用功能

1、個人位置服務

當你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛星導航接收芯片的手機或(huo)車(che)載衛星(xing)導航裝置找(zhao)到你要走(zou)的路線。

2、氣象應用

北斗導航衛星氣(qi)(qi)(qi)象(xiang)應用的(de)開展，可以(yi)促(cu)進(jin)中國(guo)天氣(qi)(qi)(qi)分(fen)析和數值天氣(qi)(qi)(qi)預(yu)報、氣(qi)(qi)(qi)候(hou)變(bian)化監測和預(yu)測，也可以(yi)提高空間天氣(qi)(qi)(qi)預(yu)警(jing)業務(wu)水平，提升中國(guo)氣(qi)(qi)(qi)象(xiang)防災減災的(de)能力。

除此之外，北斗導航衛(wei)(wei)星系統(tong)的(de)氣象(xiang)應(ying)用(yong)對推動北斗導航衛(wei)(wei)星創新應(ying)用(yong)和產業拓(tuo)展也具(ju)有重要的(de)影(ying)響。

3、道路交通管理

衛星導(dao)航(hang)將有利于減緩交(jiao)通阻塞(sai)，提升道路(lu)交(jiao)通管理水(shui)平(ping)。通過在(zai)車輛上安(an)裝衛星導(dao)航(hang)接收機和(he)數據(ju)發射機，車輛的位(wei)置(zhi)信(xin)息就(jiu)能在(zai)幾秒鐘內(nei)自動轉發到(dao)中心站。這些位(wei)置(zhi)信(xin)息可用于道路(lu)交(jiao)通管理。

4、鐵路智能交通

衛(wei)星導(dao)航(hang)(hang)將(jiang)促進(jin)傳統(tong)(tong)運輸方式實現升級(ji)與轉(zhuan)型(xing)。例如(ru)，在(zai)鐵路運輸領域，通(tong)過安裝衛(wei)星導(dao)航(hang)(hang)終端設備，可極大縮短(duan)列車(che)行駛間隔時(shi)間，降低運輸成(cheng)本(ben)，有效提高(gao)(gao)運輸效率。未來，北斗衛(wei)星導(dao)航(hang)(hang)系統(tong)(tong)將(jiang)提供高(gao)(gao)可靠、高(gao)(gao)精(jing)度的(de)(de)定(ding)位、測速、授時(shi)服務，促進(jin)鐵路交通(tong)的(de)(de)現代化(hua)，實現傳統(tong)(tong)調度向智能交通(tong)管(guan)理的(de)(de)轉(zhuan)型(xing)。

5、海運和水運

海運和水(shui)運是全世(shi)界最(zui)廣(guang)泛的運輸方式之(zhi)一，也(ye)是衛(wei)(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)最(zui)早應用的領域之(zhi)一。在世(shi)界各(ge)大洋和江河(he)湖泊行(xing)駛的各(ge)類(lei)船(chuan)舶(bo)大多都(dou)安(an)裝(zhuang)了衛(wei)(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)終端設備，使海上(shang)和水(shui)路運輸更(geng)為(wei)高效和安(an)全。北斗衛(wei)(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)系統將(jiang)(jiang)在任何天(tian)氣條件(jian)下(xia)，為(wei)水(shui)上(shang)航(hang)行(xing)船(chuan)舶(bo)提供導(dao)(dao)航(hang)定位和安(an)全保障。同時，北斗衛(wei)(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)系統特(te)有的短報文通信(xin)功能將(jiang)(jiang)支持各(ge)種新型服(fu)務的開發。

6、航空運輸

當飛機(ji)在(zai)機(ji)場(chang)跑道著陸(lu)時(shi)，最基本的要求是確保飛機(ji)相互間的安(an)全(quan)(quan)(quan)(quan)距離(li)。利用衛星導航精(jing)確定位與(yu)測速的優勢，可實(shi)(shi)時(shi)確定飛機(ji)的瞬時(shi)位置，有效減小飛機(ji)之間的安(an)全(quan)(quan)(quan)(quan)距離(li)，甚至在(zai)大霧天氣情況下，可以實(shi)(shi)現(xian)自動盲降，極大提高飛行安(an)全(quan)(quan)(quan)(quan)和機(ji)場(chang)運營效率。通(tong)過將北斗(dou)衛星導航系統與(yu)其(qi)他系統的有效結合，將為航空運輸(shu)提供(gong)更多的安(an)全(quan)(quan)(quan)(quan)保障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用(yong)于沙(sha)漠、山區(qu)、海洋等人(ren)煙稀少地(di)區(qu)的搜索救(jiu)援。在(zai)發生地(di)震、洪災(zai)(zai)(zai)等重大災(zai)(zai)(zai)害時(shi)，救(jiu)援成功的關鍵(jian)在(zai)于及時(shi)了(le)解災(zai)(zai)(zai)情(qing)并迅(xun)速到達救(jiu)援地(di)點。北斗衛星(xing)導航系統除(chu)導航定位外，還具備短(duan)報文通信功能，通過(guo)衛星(xing)導航終端設備可及時(shi)報告所(suo)處位置和(he)受災(zai)(zai)(zai)情(qing)況，有效縮短(duan)救(jiu)援搜尋時(shi)間，提高(gao)搶(qiang)險救(jiu)災(zai)(zai)(zai)時(shi)效，大大減少人(ren)民生命(ming)財產損失。

8、指導放牧

2014年(nian)10月，北斗(dou)(dou)系統開始(shi)在青海省(sheng)牧(mu)(mu)(mu)區(qu)試(shi)點建設(she)北斗(dou)(dou)衛(wei)星放牧(mu)(mu)(mu)信(xin)息化指導(dao)系統，主要依(yi)靠牧(mu)(mu)(mu)區(qu)放牧(mu)(mu)(mu)智能指導(dao)系統管理(li)平臺、牧(mu)(mu)(mu)民專(zhuan)用北斗(dou)(dou)智能終端和牧(mu)(mu)(mu)場數據采集自動(dong)站，實(shi)現(xian)數據信(xin)息傳輸，并通過北斗(dou)(dou)地面站及(ji)北斗(dou)(dou)星群中(zhong)轉、中(zhong)繼(ji)處理(li)，實(shi)現(xian)草場牧(mu)(mu)(mu)草、牛(niu)羊的動(dong)態監控。2015年(nian)夏(xia)季，試(shi)點牧(mu)(mu)(mu)區(qu)的牧(mu)(mu)(mu)民就能使用專(zhuan)用北斗(dou)(dou)智能終端設(she)備(bei)來指導(dao)放牧(mu)(mu)(mu)。