一、北斗系統的定位原理

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35顆衛星在(zai)離地(di)(di)面(mian)(mian)2萬多千米(mi)的(de)高空(kong)上(shang)，以固(gu)定的(de)周期環(huan)繞(rao)地(di)(di)球運行，使得在(zai)任意(yi)時刻，在(zai)地(di)(di)面(mian)(mian)上(shang)的(de)任意(yi)一點都(dou)可(ke)以同時觀測到4顆以上(shang)的(de)衛星。

由于衛星(xing)的(de)位置(zhi)精確可知(zhi)(zhi)，在接收機(ji)對(dui)衛星(xing)觀(guan)測(ce)中，我(wo)們(men)可得到衛星(xing)到接收機(ji)的(de)距離，利(li)用三維坐(zuo)標(biao)中的(de)距離公式(shi)(shi)(shi)，利(li)用3顆(ke)衛星(xing)，就可以組成3個(ge)方(fang)程(cheng)式(shi)(shi)(shi)，解(jie)出觀(guan)測(ce)點(dian)的(de)位置(zhi)（X，Y，Z）。考慮到衛星(xing)的(de)時(shi)鐘(zhong)與接收機(ji)時(shi)鐘(zhong)之(zhi)間的(de)誤差，實際上有4個(ge)未知(zhi)(zhi)數，X、Y、Z和(he)鐘(zhong)差，因而(er)需要(yao)引入第(di)4顆(ke)衛星(xing)，形成4個(ge)方(fang)程(cheng)式(shi)(shi)(shi)進行求解(jie)，從而(er)得到觀(guan)測(ce)點(dian)的(de)經緯(wei)度(du)和(he)高程(cheng)。

事實上，接收(shou)機往往可以(yi)(yi)鎖住4顆以(yi)(yi)上的衛(wei)星，這時(shi)，接收(shou)機可按衛(wei)星的星座分(fen)布分(fen)成若干組(zu)，每(mei)組(zu)4顆，然(ran)后(hou)通過(guo)算法挑選出誤差(cha)最小的一組(zu)用作定(ding)位，從而提高(gao)精度。

衛星(xing)定位實(shi)施的(de)是(shi)“到達時(shi)(shi)(shi)間差”（時(shi)(shi)(shi)延）的(de)概念：利(li)用每一顆(ke)衛星(xing)的(de)精確位置和連續發送(song)的(de)星(xing)上(shang)原子(zi)鐘生成的(de)導航信息(xi)獲得從衛星(xing)至(zhi)接收(shou)機的(de)到達時(shi)(shi)(shi)間差。

衛(wei)星(xing)(xing)在空中連(lian)續發(fa)送帶有時(shi)(shi)間(jian)和位(wei)置信息的(de)(de)無線(xian)電信號(hao)，供(gong)接(jie)收機(ji)(ji)(ji)接(jie)收。由(you)于(yu)傳(chuan)輸(shu)的(de)(de)距離因素，接(jie)收機(ji)(ji)(ji)接(jie)收到(dao)信號(hao)的(de)(de)時(shi)(shi)刻(ke)要(yao)比衛(wei)星(xing)(xing)發(fa)送信號(hao)的(de)(de)時(shi)(shi)刻(ke)延(yan)(yan)(yan)(yan)遲，通(tong)(tong)常稱之為時(shi)(shi)延(yan)(yan)(yan)(yan)，因此，也可以(yi)通(tong)(tong)過時(shi)(shi)延(yan)(yan)(yan)(yan)來確定距離。衛(wei)星(xing)(xing)和接(jie)收機(ji)(ji)(ji)同(tong)時(shi)(shi)產生(sheng)同(tong)樣的(de)(de)偽隨機(ji)(ji)(ji)碼，一旦兩(liang)個碼實現時(shi)(shi)間(jian)同(tong)步，接(jie)收機(ji)(ji)(ji)便能測定時(shi)(shi)延(yan)(yan)(yan)(yan)；將時(shi)(shi)延(yan)(yan)(yan)(yan)乘上光速，便能得到(dao)距離。

每(mei)(mei)顆衛(wei)星(xing)(xing)上(shang)(shang)的(de)(de)計算(suan)機和(he)導航信息發生器非常精(jing)確(que)地了解其(qi)軌(gui)道(dao)位(wei)(wei)置(zhi)和(he)系統時(shi)(shi)間，而全球監測站網(wang)保持連續跟蹤(zong)衛(wei)星(xing)(xing)的(de)(de)軌(gui)道(dao)位(wei)(wei)置(zhi)和(he)系統時(shi)(shi)間。位(wei)(wei)于(yu)地面(mian)的(de)(de)主控(kong)站與其(qi)運控(kong)段一起(qi)，至(zhi)少每(mei)(mei)天一次(ci)對每(mei)(mei)顆衛(wei)星(xing)(xing)注入校(xiao)正數(shu)(shu)據(ju)。注入數(shu)(shu)據(ju)包括：星(xing)(xing)座中每(mei)(mei)顆衛(wei)星(xing)(xing)的(de)(de)軌(gui)道(dao)位(wei)(wei)置(zhi)測定和(he)星(xing)(xing)上(shang)(shang)時(shi)(shi)鐘的(de)(de)校(xiao)正。這些校(xiao)正數(shu)(shu)據(ju)是在(zai)復雜模型的(de)(de)基(ji)礎上(shang)(shang)算(suan)出的(de)(de)，可(ke)在(zai)幾個星(xing)(xing)期內保持有效。

衛(wei)星(xing)(xing)(xing)導航系統時間是由(you)每顆(ke)衛(wei)星(xing)(xing)(xing)上(shang)原(yuan)子(zi)鐘(zhong)的(de)銫和銣(ru)原(yuan)子(zi)頻(pin)(pin)標(biao)(biao)保持的(de)。這些星(xing)(xing)(xing)鐘(zhong)一般來(lai)講精確到世(shi)界協調時（UTC）的(de)幾納秒(miao)以內，UTC是由(you)美國海軍觀象臺(tai)的(de)“主(zhu)鐘(zhong)”保持的(de)，每臺(tai)主(zhu)鐘(zhong)的(de)穩定性(xing)為(wei)若干(gan)個10^-13秒(miao)。衛(wei)星(xing)(xing)(xing)早(zao)期采用(yong)兩部銫頻(pin)(pin)標(biao)(biao)和兩部銣(ru)頻(pin)(pin)標(biao)(biao)，后來(lai)逐步改變為(wei)更多地采用(yong)銣(ru)頻(pin)(pin)標(biao)(biao)。通常，在任一指定時間內，每顆(ke)衛(wei)星(xing)(xing)(xing)上(shang)只有一臺(tai)頻(pin)(pin)標(biao)(biao)在工(gong)作。

衛(wei)星導(dao)航原理：衛(wei)星至(zhi)用戶間(jian)的(de)(de)距離測量是基于衛(wei)星信(xin)號的(de)(de)發(fa)射時(shi)間(jian)與到達接收機的(de)(de)時(shi)間(jian)之差，稱為(wei)偽距。為(wei)了計算用戶的(de)(de)三維位置和接收機時(shi)鐘偏差，偽距測量要求至(zhi)少接收來自(zi)4顆衛(wei)星的(de)(de)信(xin)號。

由于衛(wei)(wei)星(xing)運行軌道、衛(wei)(wei)星(xing)時鐘(zhong)存(cun)在誤(wu)差(cha)(cha)(cha)，大(da)(da)氣(qi)對(dui)流層、電離層對(dui)信號(hao)的(de)(de)影響，使(shi)得(de)民用(yong)的(de)(de)定(ding)位(wei)精度只(zhi)有(you)數十米(mi)量(liang)級(ji)。為(wei)提高(gao)定(ding)位(wei)精度，普遍采(cai)用(yong)差(cha)(cha)(cha)分定(ding)位(wei)技術(shu)（如DGPS、DGNSS），建立地(di)面基準站(差(cha)(cha)(cha)分臺(tai))進(jin)行衛(wei)(wei)星(xing)觀測(ce)，利用(yong)已知的(de)(de)基準站精確坐標，與(yu)觀測(ce)值進(jin)行比較，從而得(de)出一(yi)修正(zheng)(zheng)數，并對(dui)外發布。接收(shou)機收(shou)到該修正(zheng)(zheng)數后，與(yu)自身的(de)(de)觀測(ce)值進(jin)行比較，消(xiao)去(qu)大(da)(da)部(bu)分誤(wu)差(cha)(cha)(cha)，得(de)到一(yi)個(ge)比較準確的(de)(de)位(wei)置。實(shi)驗(yan)表明，利用(yong)差(cha)(cha)(cha)分定(ding)位(wei)技術(shu)，定(ding)位(wei)精度可提高(gao)到米(mi)級(ji)。

二、系統功能

（一）四大功能

短(duan)(duan)報(bao)文通信：北斗系統用戶(hu)終端具有雙向報(bao)文通信功(gong)能，用戶(hu)可(ke)以一(yi)次傳(chuan)送(song)40-60個漢字的(de)短(duan)(duan)報(bao)文信息(xi)。可(ke)以達(da)到(dao)一(yi)次傳(chuan)送(song)達(da)120個漢字的(de)信息(xi)。在遠(yuan)洋航(hang)行(xing)中有重(zhong)要的(de)應用價值。

精密(mi)授(shou)時(shi)：北斗系統(tong)具有精密(mi)授(shou)時(shi)功能(neng)，可向用戶提供20ns-100ns時(shi)間同步(bu)精度(du)。

定位精度：水平精度100米（1σ），設立標校站之后為20米（類(lei)似差分(fen)狀態(tai)）。工(gong)作頻率：2491.75MHz。

系統容納的(de)最大用戶數(shu)：540000戶/小(xiao)時(shi)。

（二）軍用功能

“北斗”衛星(xing)導航定位系統的軍(jun)事功能與GPS類似，如：運動目標的定位導航；為縮(suo)短反應(ying)時間的武器載具發射位置(zhi)的快速定位；人(ren)員搜救、水上排(pai)雷(lei)的定位需求等。

這項功能(neng)用(yong)在軍事上(shang)，意味著可(ke)主動進行各(ge)級部(bu)(bu)隊(dui)的定(ding)位(wei)，也(ye)就是說各(ge)級部(bu)(bu)隊(dui)一旦配備(bei)“北(bei)斗”衛星(xing)導航定(ding)位(wei)系(xi)統，除了可(ke)供自(zi)身定(ding)位(wei)導航外(wai)，高層指揮部(bu)(bu)也(ye)可(ke)隨時通(tong)過“北(bei)斗”系(xi)統掌握(wo)部(bu)(bu)隊(dui)位(wei)置，并傳遞相關命(ming)令，對任務的執行有相當大的助益。換言之，可(ke)利用(yong)“北(bei)斗”衛星(xing)導航定(ding)位(wei)系(xi)統執行部(bu)(bu)隊(dui)指揮與管制及戰場管理。

（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(de)手機或車載衛星導航裝置找到你(ni)要(yao)走的(de)路線。

2、氣象應用

北斗導航(hang)衛星氣(qi)(qi)(qi)象(xiang)應用的開(kai)展(zhan)，可以(yi)促進中國天(tian)氣(qi)(qi)(qi)分析和數值天(tian)氣(qi)(qi)(qi)預(yu)報、氣(qi)(qi)(qi)候(hou)變化監(jian)測和預(yu)測，也可以(yi)提(ti)高空(kong)間(jian)天(tian)氣(qi)(qi)(qi)預(yu)警業(ye)務水平，提(ti)升(sheng)中國氣(qi)(qi)(qi)象(xiang)防(fang)災(zai)減災(zai)的能力。

除此之外，北(bei)斗(dou)導(dao)航(hang)衛(wei)星(xing)(xing)系(xi)統的(de)氣象應用(yong)對推動(dong)北(bei)斗(dou)導(dao)航(hang)衛(wei)星(xing)(xing)創新應用(yong)和(he)產(chan)業拓展也具有重要的(de)影(ying)響。

3、道路交通管理

衛星導(dao)航將有利于減緩(huan)交通阻塞，提升道(dao)路交通管(guan)理(li)水平。通過在車輛上安裝衛星導(dao)航接(jie)收機和(he)數據發(fa)射(she)機，車輛的位(wei)置信息(xi)就能在幾秒鐘內(nei)自動轉發(fa)到中心站。這些位(wei)置信息(xi)可用于道(dao)路交通管(guan)理(li)。

4、鐵路智能交通

衛(wei)星導航(hang)將促(cu)進傳(chuan)統(tong)運輸方式實現(xian)(xian)升(sheng)級與(yu)轉型。例如，在鐵(tie)路運輸領域，通(tong)過(guo)安(an)裝衛(wei)星導航(hang)終端設(she)備(bei)，可(ke)(ke)極大縮短列車(che)行(xing)駛(shi)間(jian)隔時間(jian)，降(jiang)低運輸成(cheng)本，有(you)效提高運輸效率。未來(lai)，北斗衛(wei)星導航(hang)系統(tong)將提供高可(ke)(ke)靠、高精度的定(ding)位、測速、授時服務，促(cu)進鐵(tie)路交(jiao)通(tong)的現(xian)(xian)代化，實現(xian)(xian)傳(chuan)統(tong)調度向智(zhi)能交(jiao)通(tong)管(guan)理(li)的轉型。

5、海運和水運

海(hai)運(yun)(yun)(yun)和水(shui)運(yun)(yun)(yun)是全世(shi)界最(zui)廣泛的運(yun)(yun)(yun)輸方(fang)式之(zhi)(zhi)一(yi)，也是衛(wei)(wei)星(xing)(xing)導航最(zui)早應用的領域之(zhi)(zhi)一(yi)。在(zai)世(shi)界各大洋和江河湖泊行(xing)駛的各類船舶(bo)大多都安(an)裝了衛(wei)(wei)星(xing)(xing)導航終端設備，使海(hai)上(shang)和水(shui)路運(yun)(yun)(yun)輸更為高效(xiao)和安(an)全。北斗衛(wei)(wei)星(xing)(xing)導航系統將在(zai)任何(he)天氣條(tiao)件下，為水(shui)上(shang)航行(xing)船舶(bo)提(ti)供導航定位和安(an)全保(bao)障。同時(shi)，北斗衛(wei)(wei)星(xing)(xing)導航系統特有(you)的短報(bao)文通信功能將支持各種(zhong)新(xin)型服務的開發。

6、航空運輸

當飛機在(zai)機場跑(pao)道著(zhu)陸時(shi)，最基本的要(yao)求是確保(bao)(bao)飛機相互(hu)間(jian)的安(an)全(quan)距(ju)離。利(li)用(yong)衛星(xing)導航(hang)精確定(ding)(ding)位與(yu)測速的優勢，可(ke)實(shi)時(shi)確定(ding)(ding)飛機的瞬時(shi)位置，有效(xiao)減小飛機之間(jian)的安(an)全(quan)距(ju)離，甚至(zhi)在(zai)大(da)霧天氣情況下，可(ke)以實(shi)現自(zi)動盲降，極大(da)提高飛行安(an)全(quan)和機場運(yun)營效(xiao)率。通(tong)過(guo)將北斗衛星(xing)導航(hang)系統(tong)(tong)與(yu)其他系統(tong)(tong)的有效(xiao)結合(he)，將為航(hang)空運(yun)輸提供更多的安(an)全(quan)保(bao)(bao)障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用(yong)于沙漠、山區、海洋等(deng)人煙稀(xi)少地(di)(di)區的(de)搜索救援(yuan)(yuan)。在(zai)發生(sheng)地(di)(di)震、洪災(zai)(zai)等(deng)重大(da)災(zai)(zai)害時，救援(yuan)(yuan)成(cheng)功(gong)的(de)關鍵在(zai)于及時了解災(zai)(zai)情(qing)并迅速到達救援(yuan)(yuan)地(di)(di)點。北斗衛(wei)星導航(hang)系統(tong)除導航(hang)定(ding)位外(wai)，還具備短報(bao)文(wen)通信功(gong)能，通過衛(wei)星導航(hang)終(zhong)端設(she)備可及時報(bao)告所處位置和受災(zai)(zai)情(qing)況，有效縮短救援(yuan)(yuan)搜尋時間(jian)，提高搶(qiang)險救災(zai)(zai)時效，大(da)大(da)減少人民生(sheng)命財產損失。

8、指導放牧

2014年10月，北(bei)斗(dou)系統(tong)(tong)開始在青海省牧(mu)區(qu)試點(dian)建設北(bei)斗(dou)衛星放(fang)牧(mu)信(xin)息化指(zhi)導(dao)系統(tong)(tong)，主要依(yi)靠牧(mu)區(qu)放(fang)牧(mu)智能(neng)指(zhi)導(dao)系統(tong)(tong)管理平臺、牧(mu)民(min)專用北(bei)斗(dou)智能(neng)終(zhong)端和牧(mu)場(chang)數據采(cai)集自(zi)動站，實現(xian)數據信(xin)息傳輸，并通過北(bei)斗(dou)地面站及北(bei)斗(dou)星群中轉、中繼(ji)處理，實現(xian)草場(chang)牧(mu)草、牛羊的動態監控。2015年夏季(ji)，試點(dian)牧(mu)區(qu)的牧(mu)民(min)就能(neng)使用專用北(bei)斗(dou)智能(neng)終(zhong)端設備來指(zhi)導(dao)放(fang)牧(mu)。