一、北斗系統的定位原理

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35顆衛星(xing)在(zai)離地(di)面2萬多千米的(de)高空上，以固定的(de)周期環繞地(di)球運行，使(shi)得在(zai)任意時刻，在(zai)地(di)面上的(de)任意一點都可以同時觀測(ce)到4顆以上的(de)衛星(xing)。

由于衛(wei)星(xing)的(de)(de)位置精(jing)確可(ke)知，在接(jie)收(shou)機對(dui)衛(wei)星(xing)觀測中(zhong)，我們可(ke)得到衛(wei)星(xing)到接(jie)收(shou)機的(de)(de)距(ju)離，利用三維坐標中(zhong)的(de)(de)距(ju)離公式，利用3顆衛(wei)星(xing)，就可(ke)以組成3個方程(cheng)(cheng)式，解(jie)出觀測點(dian)的(de)(de)位置（X，Y，Z）。考慮到衛(wei)星(xing)的(de)(de)時鐘(zhong)(zhong)與接(jie)收(shou)機時鐘(zhong)(zhong)之間的(de)(de)誤差(cha)(cha)，實際(ji)上(shang)有4個未知數，X、Y、Z和鐘(zhong)(zhong)差(cha)(cha)，因而需要引入第4顆衛(wei)星(xing)，形(xing)成4個方程(cheng)(cheng)式進行(xing)求解(jie)，從而得到觀測點(dian)的(de)(de)經緯度和高程(cheng)(cheng)。

事實上，接收機往往可(ke)以(yi)鎖住4顆以(yi)上的衛(wei)星，這時，接收機可(ke)按衛(wei)星的星座分布分成若干組，每(mei)組4顆，然后(hou)通(tong)過算法(fa)挑選(xuan)出(chu)誤差最(zui)小的一組用作定(ding)位，從而提高精度。

衛星(xing)定位(wei)實施的是“到達時間差”（時延）的概念(nian)：利(li)用每(mei)一顆衛星(xing)的精(jing)確位(wei)置和連續發送的星(xing)上原子(zi)鐘生成的導(dao)航信(xin)息獲得(de)從(cong)衛星(xing)至接收機(ji)的到達時間差。

衛星(xing)在空中連續發送帶有時間和(he)位置信息的(de)無線電信號(hao)，供接(jie)(jie)(jie)收(shou)機(ji)(ji)接(jie)(jie)(jie)收(shou)。由于傳輸的(de)距離(li)因素，接(jie)(jie)(jie)收(shou)機(ji)(ji)接(jie)(jie)(jie)收(shou)到信號(hao)的(de)時刻要比衛星(xing)發送信號(hao)的(de)時刻延(yan)遲，通常稱之為時延(yan)，因此，也(ye)可(ke)以通過時延(yan)來確定距離(li)。衛星(xing)和(he)接(jie)(jie)(jie)收(shou)機(ji)(ji)同(tong)(tong)時產生(sheng)同(tong)(tong)樣的(de)偽隨機(ji)(ji)碼，一旦兩個碼實現時間同(tong)(tong)步，接(jie)(jie)(jie)收(shou)機(ji)(ji)便(bian)能測定時延(yan)；將時延(yan)乘上(shang)光速(su)，便(bian)能得到距離(li)。

每(mei)顆(ke)(ke)(ke)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)上的(de)計算機和導(dao)航信息發生器非常精確地了(le)解其(qi)軌道(dao)位置(zhi)和系(xi)統(tong)(tong)時間(jian)，而全球監測站網保持連續(xu)跟蹤衛(wei)(wei)星(xing)(xing)的(de)軌道(dao)位置(zhi)和系(xi)統(tong)(tong)時間(jian)。位于地面的(de)主控站與其(qi)運(yun)控段(duan)一(yi)起(qi)，至(zhi)少每(mei)天一(yi)次對(dui)每(mei)顆(ke)(ke)(ke)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)注(zhu)(zhu)入校(xiao)正數(shu)(shu)據。注(zhu)(zhu)入數(shu)(shu)據包括(kuo)：星(xing)(xing)座中(zhong)每(mei)顆(ke)(ke)(ke)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)的(de)軌道(dao)位置(zhi)測定和星(xing)(xing)上時鐘的(de)校(xiao)正。這些校(xiao)正數(shu)(shu)據是在復雜(za)模(mo)型的(de)基礎(chu)上算出的(de)，可在幾個星(xing)(xing)期內保持有效。

衛星(xing)(xing)導航(hang)系(xi)統時間是由(you)每顆衛星(xing)(xing)上原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)的(de)銫(se)和(he)銣(ru)原(yuan)子(zi)頻(pin)(pin)(pin)標保(bao)持(chi)的(de)。這些星(xing)(xing)鐘(zhong)(zhong)(zhong)一(yi)般來(lai)講精確到世界協調時（UTC）的(de)幾納(na)秒以內，UTC是由(you)美國海(hai)軍(jun)觀(guan)象(xiang)臺的(de)“主鐘(zhong)(zhong)(zhong)”保(bao)持(chi)的(de)，每臺主鐘(zhong)(zhong)(zhong)的(de)穩定性為若干個10^-13秒。衛星(xing)(xing)早期(qi)采用(yong)兩部銫(se)頻(pin)(pin)(pin)標和(he)兩部銣(ru)頻(pin)(pin)(pin)標，后來(lai)逐(zhu)步改變為更多(duo)地(di)采用(yong)銣(ru)頻(pin)(pin)(pin)標。通常，在任一(yi)指定時間內，每顆衛星(xing)(xing)上只有一(yi)臺頻(pin)(pin)(pin)標在工作。

衛(wei)(wei)星(xing)(xing)導航原(yuan)理(li)：衛(wei)(wei)星(xing)(xing)至用(yong)戶間(jian)的(de)(de)距(ju)離測量(liang)(liang)是基于衛(wei)(wei)星(xing)(xing)信(xin)號(hao)的(de)(de)發射時間(jian)與到(dao)達接(jie)(jie)收機(ji)的(de)(de)時間(jian)之差(cha)，稱為偽距(ju)。為了計算用(yong)戶的(de)(de)三維位置(zhi)和接(jie)(jie)收機(ji)時鐘偏(pian)差(cha)，偽距(ju)測量(liang)(liang)要求至少接(jie)(jie)收來自4顆衛(wei)(wei)星(xing)(xing)的(de)(de)信(xin)號(hao)。

由(you)于衛(wei)星運行軌道(dao)、衛(wei)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的(de)影響，使得民用(yong)(yong)的(de)定位(wei)精(jing)度只有數十米量級(ji)。為提(ti)高(gao)定位(wei)精(jing)度，普遍采用(yong)(yong)差分(fen)定位(wei)技術（如DGPS、DGNSS），建立地面基(ji)準(zhun)站(差分(fen)臺)進行衛(wei)星觀(guan)測(ce)(ce)，利用(yong)(yong)已知(zhi)的(de)基(ji)準(zhun)站精(jing)確坐(zuo)標，與(yu)觀(guan)測(ce)(ce)值(zhi)進行比較(jiao)，從(cong)而得出(chu)一(yi)修(xiu)正數，并對外發(fa)布。接收機(ji)收到該修(xiu)正數后，與(yu)自(zi)身的(de)觀(guan)測(ce)(ce)值(zhi)進行比較(jiao)，消去大部分(fen)誤差，得到一(yi)個(ge)比較(jiao)準(zhun)確的(de)位(wei)置。實驗表(biao)明，利用(yong)(yong)差分(fen)定位(wei)技術，定位(wei)精(jing)度可提(ti)高(gao)到米級(ji)。

二、系統功能

（一）四大功能

短報文(wen)通信(xin)(xin)：北(bei)斗(dou)系統(tong)用(yong)戶(hu)終端具(ju)有雙向報文(wen)通信(xin)(xin)功能，用(yong)戶(hu)可以一次傳(chuan)送40-60個漢(han)字的(de)短報文(wen)信(xin)(xin)息。可以達到一次傳(chuan)送達120個漢(han)字的(de)信(xin)(xin)息。在遠洋(yang)航行中有重要的(de)應用(yong)價(jia)值(zhi)。

精(jing)密授時(shi)(shi)：北斗(dou)系(xi)統具有精(jing)密授時(shi)(shi)功能，可向用戶提供(gong)20ns-100ns時(shi)(shi)間(jian)同步精(jing)度。

定(ding)位精度(du)：水平精度(du)100米（1σ），設(she)立標校站之(zhi)后為20米（類(lei)似差分狀態(tai)）。工(gong)作頻率：2491.75MHz。

系統容納的最大用戶數(shu)：540000戶/小時。

（二）軍用功能

“北(bei)斗”衛(wei)星導(dao)航定位(wei)系統的軍事功能(neng)與GPS類似(si)，如(ru)：運動(dong)目標(biao)的定位(wei)導(dao)航；為縮短反應時間的武器載具發射位(wei)置的快速定位(wei)；人員(yuan)搜救、水(shui)上排雷(lei)的定位(wei)需求(qiu)等(deng)。

這項功能用在軍事(shi)上，意味著可(ke)主動進(jin)行各級部(bu)隊(dui)的定(ding)位(wei)，也就是說各級部(bu)隊(dui)一旦配備“北斗”衛(wei)星導(dao)航定(ding)位(wei)系(xi)統，除了可(ke)供自(zi)身定(ding)位(wei)導(dao)航外，高層(ceng)指揮部(bu)也可(ke)隨時通過“北斗”系(xi)統掌握(wo)部(bu)隊(dui)位(wei)置(zhi)，并傳遞(di)相(xiang)關命令，對任務的執行有相(xiang)當大的助益(yi)。換(huan)言之，可(ke)利用“北斗”衛(wei)星導(dao)航定(ding)位(wei)系(xi)統執行部(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(pian)的(de)手機或(huo)車載衛(wei)星導航裝置找到你要走的(de)路線。

2、氣象應用

北斗導航衛星氣(qi)象(xiang)應用的開展，可以促(cu)進(jin)中國天氣(qi)分析和數值(zhi)天氣(qi)預報、氣(qi)候變化(hua)監測和預測，也可以提高空(kong)間天氣(qi)預警業務(wu)水平，提升中國氣(qi)象(xiang)防(fang)災減(jian)災的能(neng)力。

除此之外，北(bei)斗導航(hang)衛星系統的(de)氣象應用對(dui)推動北(bei)斗導航(hang)衛星創新(xin)應用和產業(ye)拓(tuo)展也具有重要的(de)影響。

3、道路交通管理

衛星導(dao)(dao)航將有利于減緩交通(tong)阻塞(sai)，提(ti)升道(dao)路交通(tong)管(guan)理水平。通(tong)過在車(che)輛(liang)上安裝衛星導(dao)(dao)航接收(shou)機和數據發射機，車(che)輛(liang)的位置信(xin)息就能在幾秒(miao)鐘內(nei)自動轉發到中(zhong)心站。這些位置信(xin)息可用于道(dao)路交通(tong)管(guan)理。

4、鐵路智能交通

衛星導航將促進(jin)(jin)傳(chuan)統(tong)運(yun)輸方式實現升級(ji)與轉(zhuan)型。例如，在鐵(tie)路運(yun)輸領域，通過(guo)安(an)裝(zhuang)衛星導航終端設備，可極大縮(suo)短(duan)列車(che)行(xing)駛間(jian)隔時間(jian)，降低運(yun)輸成(cheng)本，有效(xiao)提高運(yun)輸效(xiao)率。未來，北斗衛星導航系統(tong)將提供(gong)高可靠、高精度的定位、測(ce)速、授時服務，促進(jin)(jin)鐵(tie)路交通的現代化，實現傳(chuan)統(tong)調度向智能交通管理的轉(zhuan)型。

5、海運和水運

海(hai)運(yun)和水(shui)(shui)運(yun)是全(quan)世(shi)界最(zui)廣泛的(de)(de)運(yun)輸(shu)方式之(zhi)一(yi)，也(ye)是衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)最(zui)早(zao)應用的(de)(de)領域之(zhi)一(yi)。在(zai)世(shi)界各大(da)洋和江(jiang)河(he)湖泊行駛的(de)(de)各類(lei)船(chuan)舶大(da)多(duo)都安(an)裝了衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)終端(duan)設備(bei)，使海(hai)上和水(shui)(shui)路運(yun)輸(shu)更為高效和安(an)全(quan)。北(bei)斗衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)系(xi)統(tong)將在(zai)任何(he)天氣(qi)條(tiao)件下(xia)，為水(shui)(shui)上航(hang)行船(chuan)舶提供導(dao)(dao)航(hang)定位和安(an)全(quan)保(bao)障。同(tong)時，北(bei)斗衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)航(hang)系(xi)統(tong)特(te)有的(de)(de)短報文通信功能將支持各種新型服(fu)務(wu)的(de)(de)開發。

6、航空運輸

當飛(fei)(fei)機(ji)(ji)在(zai)機(ji)(ji)場跑道(dao)著(zhu)陸時，最(zui)基本的(de)(de)要求是確(que)保(bao)飛(fei)(fei)機(ji)(ji)相(xiang)互間(jian)的(de)(de)安(an)(an)全(quan)距離(li)。利用衛星導航精確(que)定(ding)位與測速的(de)(de)優勢，可(ke)實時確(que)定(ding)飛(fei)(fei)機(ji)(ji)的(de)(de)瞬時位置(zhi)，有效(xiao)減(jian)小(xiao)飛(fei)(fei)機(ji)(ji)之間(jian)的(de)(de)安(an)(an)全(quan)距離(li)，甚至在(zai)大霧天氣情況下，可(ke)以實現自動盲(mang)降，極(ji)大提(ti)(ti)高飛(fei)(fei)行安(an)(an)全(quan)和機(ji)(ji)場運營效(xiao)率。通(tong)過將北(bei)斗(dou)衛星導航系(xi)統與其他系(xi)統的(de)(de)有效(xiao)結合，將為航空運輸(shu)提(ti)(ti)供更多的(de)(de)安(an)(an)全(quan)保(bao)障。

7、應急救援

衛星導航已廣泛用于(yu)沙漠、山(shan)區、海洋等人煙稀少(shao)地(di)(di)區的搜索(suo)救(jiu)援(yuan)。在發生地(di)(di)震、洪(hong)災(zai)等重大災(zai)害時，救(jiu)援(yuan)成功(gong)的關鍵在于(yu)及時了解(jie)災(zai)情并迅(xun)速(su)到達救(jiu)援(yuan)地(di)(di)點。北斗(dou)衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)系統除導(dao)航(hang)定位外，還具備短(duan)報(bao)文通信功(gong)能，通過衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)終端設備可及時報(bao)告所處(chu)位置和(he)受(shou)災(zai)情況，有效(xiao)(xiao)縮短(duan)救(jiu)援(yuan)搜尋時間，提(ti)高搶(qiang)險(xian)救(jiu)災(zai)時效(xiao)(xiao)，大大減少(shao)人民(min)生命財產損失(shi)。

8、指導放牧

2014年(nian)10月(yue)，北(bei)斗(dou)(dou)系(xi)統開始在(zai)青(qing)海省牧(mu)(mu)區(qu)試點(dian)建設(she)(she)北(bei)斗(dou)(dou)衛星放(fang)牧(mu)(mu)信息化(hua)指(zhi)導(dao)(dao)系(xi)統，主(zhu)要(yao)依靠牧(mu)(mu)區(qu)放(fang)牧(mu)(mu)智(zhi)能指(zhi)導(dao)(dao)系(xi)統管理平臺、牧(mu)(mu)民專用北(bei)斗(dou)(dou)智(zhi)能終端和牧(mu)(mu)場(chang)數(shu)據采集自動站(zhan)，實現數(shu)據信息傳輸，并通(tong)過北(bei)斗(dou)(dou)地面站(zhan)及北(bei)斗(dou)(dou)星群中轉、中繼(ji)處理，實現草場(chang)牧(mu)(mu)草、牛(niu)羊的動態監控。2015年(nian)夏季(ji)，試點(dian)牧(mu)(mu)區(qu)的牧(mu)(mu)民就能使用專用北(bei)斗(dou)(dou)智(zhi)能終端設(she)(she)備(bei)來指(zhi)導(dao)(dao)放(fang)牧(mu)(mu)。