北斗卫星导航系统定位原理及应用

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2024年7月26日发(作者：)

北斗卫星导航系统定位原理及其应用

北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两颗工作卫星、2颗备用卫

星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位

系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，北

斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。美国的GPS三维定位精度P码目前己由16m

提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。。

北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。四颗导航定位卫星的发射时间分别为：

2000年10月31日；2000年12月21日；2003年5月25日，2007年4月14日，第三、四颗是

备用卫星。2008年北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定

位系统一起，发挥‚双保险‛作用。北斗一号卫星定位系统的英文简称为BD，在ITU（国际电信联合会）

登记的无线电频段为L波段（发射）和S波段（接收）。北斗二代卫星定位系统的英文为Compass（即

指南针），在ITU登记的无线电频段为L波段。北斗一号系统的基本功能包括：定位、通信（短消息）

和授时。北斗二代系统的功能与GPS相同，即定位与授时。

其工作原理如下：‚北斗一号‛卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离

之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的

交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于

某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这

个坐标经加密由出站信号发送给用户。‚北斗一号‛的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间

的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。

其定位精度为水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：

2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。

双星定位不同于‚多星‛定位，‚一代‘北斗’只用双星定位，比GPS等投资小、建成快，‛范本尧

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说这是我国国情决定的，也对一代‚北斗‛的技术路线提出了特殊的要求，‚所以我们的定位系统具有自

己的特点。‛

二代‚北斗‛可称‚中国的GPS‛。‚我国发展二代‘北斗’不会采取一步到位的方式，也不会停掉一

代，另外发展二代，‛范本尧说，‚我们会在一代的基础上不断补充卫星数，增加其功能，提高其整体

水平。‛这位将继续承担二代‚北斗‛设计工作的科学家说：‚二代‘北斗’可以称为‘中国的GPS’，

不过它仍然会比GPS多一个通讯为发展我国二代‚北斗‛的关键技术提供了准备。范本尧举例说，此次

定位的‚北斗‛一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器，能够参照其他星，把自身位置精

确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功，表明这种技术是有效而可靠的。这样，当我们

不断发射新的卫星构建二代‚北斗‛体系时，众多卫星就会找准自己的位置，构成符合标准的网络。此

外，‚北斗‛一号的3颗星寿命都是8年，专家正不断研究，预计下一次发射的卫星寿命就能达到10年

左右了；而目前GPS卫星的寿命都是12年左右，GLONASS卫星的寿命则是3到5年。

北斗卫星的工作流程如图2所示，地面控制中心向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转

发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，

经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户申请的服务内

容进行相应的数据处理。

对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星

转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制系

统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统

的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，可以由上述两个延迟量计算出用户到第一

颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和。从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球

面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上；另外，中心控制系统从存储在计算机内的数字化地

形图查寻到用户高程值，又知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。因此，中心控制系

统利用数值地图可计算出用户所在点的三维坐标，并与相关信息或通信内容发送到卫星，经卫星转发

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器传送给用户或收件人。

北斗卫星导航系统是重要的空间基础设施，可提供高精度的定位、测速和授时服务，能带来巨大

的社*会和经济效益。我国高度重视卫星导航系统的建设，一直努力探索和发展拥有自主知识产权的卫

星导航系统。我国已建成的北斗导航试验系统，在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林

防火和国家安全等诸多领域发挥着重要作用。

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本文标签： 用户定位信号中心系统