[科普中国]-主动导航

北斗一代导航卫星系统

北斗一代导航卫星系统的导航原理和美国的GPS基本相同，都是通过时间测距导航，但功能与GPS不同。GPS是被动导航系统，用户只需使用终端设备接收导航卫星发送的无线电信号即可解算出导航信息，无需向导航卫星发送无线电信号；北斗一代导航卫星系统是主动导航系统，用户需要使用终端设备向导航卫星发送无线电信号，然后两颗导航卫星同时把无线电信号转发到地面控制中心，地面控制中心根据两颗导航卫星转发的无线电信号进行解算，得出用户的导航信息，再把用户的导航信息通过导航卫星转发给用户。

北斗一代导航卫星系统的主要缺点是对地面控制中心的依赖性比较大、时间延迟比较大、容量比较小、用户隐蔽性比较差，因此在国防上的应用受到一定的限制。1

北斗定位导航原理35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

卫星定位实施的是“到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。

卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，通常称之为时延，因此，也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速，便能得到距离。

每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间，而全球监测站网保持连续跟踪卫星的轨道位置和系统时间。

位于地面的主控站与其运控段一起，至少每天一次对每颗卫星注入校正数据。注入数据包括：星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的，可在几个星期内保持有效。

卫星导航系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时（UTC）的几纳秒以内，UTC是由美国海军观象台的“主钟”保持的，每台主钟的稳定性为若干个10^-13秒。卫星早期采用两部铯频标和两部铷频标，后来逐步改变为更多地采用铷频标。通常，在任一指定时间内，每颗卫星上只有一台频标在工作。

卫星导航原理：卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差，称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用的定位精度只有数十米量级。为提高定位精度，普遍采用差分定位技术（如DGPS、DGNSS），建立地面基准站 (差分台)进行卫星观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分定位技术，定位精度可提高到米级。2

定位精度中国北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略之后的全球第四大卫星导航系统。定位效果分析是导航系统性能评估的重要内容。此前，由于受地域限制，对北斗全球大范围的定位效果分析只能通过仿真手段。

由武汉大学测绘学院和中国南极测绘研究中心杜玉军、王泽民等科研人员进行的这项研究，在2011—2012年中国第28次南极科学考察期间，沿途大范围采集了北斗和GPS连续实测数据，跨度北至中国天津，南至南极内陆昆仑站。同时还采集了中国南极中山站的静态观测数据。为对比分析不同区域静态定位效果，在武汉也进行了静态观测。

科研人员利用严谨的分析研究方法，从信噪比、多路径、可见卫星数、精度因子、定位精度等多个方面，对比分析了北斗和GPS在航线上不同区域、尤其是在远洋及南极地区不同运动状态下的定位效果。

结果表明，北斗系统信号质量总体上与GPS相当。在45度以内的中低纬地区，北斗动态定位精度与GPS相当，水平和高程方向分别可达10米和20米左右；北斗静态定位水平方向精度为米级，也与GPS相当，高程方向10米左右，较GPS略差；在中高纬度地区，由于北斗可见卫星数较少、卫星分布较差，定位精度较差或无法定位。3