6月23日9時43分，北斗系統(tǒng)的第五十五顆導航衛(wèi)星，暨北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星成功發(fā)射。國人一片歡騰，為祖國的高科技而驕傲。
那么北斗系統(tǒng)到底是什么？北斗一號，二號三號有什么區(qū)別？它的主要作用和它是怎么工作的呢？
本文將會帶大家一一揭秘。
北斗系統(tǒng)是中國為了國家安全和發(fā)展需要自研的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可以為全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航和授時服務。
目前能提供全球服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要有美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和歐洲Galileo。
在北斗系統(tǒng)出現(xiàn)之前，國內的衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本上是被GPS所壟斷，但是從國家戰(zhàn)略發(fā)展的角度，一直受制于美國的技術肯定是不可取的，所以國家開啟了北斗系統(tǒng)計劃。
北斗系統(tǒng)是通過三步走來建立的，也就是大家經(jīng)常聽說的北斗一號，北斗二號和北斗三號。
北斗一號主要為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務。
北斗一號是在1994年啟動的，并與2000年發(fā)射2顆地球靜止軌道衛(wèi)星，建成系統(tǒng)并投入使用，采用有源定位體制。在2003年，發(fā)射第3顆地球靜止軌道衛(wèi)星，進一步增強系統(tǒng)性能。
北斗二號在兼容北斗一號系統(tǒng)技術體制基礎上，增加無源定位體制，為亞太地區(qū)用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務。
北斗二號是在2004年啟動建設的，在2014年完成了14顆衛(wèi)星（5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星）發(fā)射組網(wǎng)。
北斗三號主要為全球用戶提供定位導航授時、全球短報文通信和國際搜救服務，同時可為中國及周邊地區(qū)用戶提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區(qū)域短報文通信等服務。
北斗三號是在2009啟動的，在2020年完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，全面建成北斗三號系統(tǒng)。
具體來說2018年12月，完成包括18顆MEO衛(wèi)星的基本系統(tǒng)建設和1 顆GEO衛(wèi)星發(fā)射，并開通全球服務；
2019年12月，完成6顆MEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星發(fā)射，完成核心星座部署，系統(tǒng)服務能力進一步提升；
2020年再發(fā)射2顆GEO衛(wèi)星，將完成全系統(tǒng)建設，實現(xiàn)滿星座運行服務。
目前，北斗系統(tǒng)服務由北斗二號系統(tǒng)和北斗三號系統(tǒng)共同提供，2020年后將平穩(wěn)過渡為北斗三號系統(tǒng)為主提供。
MEO 中圓地球軌道（Medium Earth Orbit）.MEO衛(wèi)星軌道高度約21500km，軌道傾角為55度，繞地球旋轉運行，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)可實現(xiàn)全球覆蓋，北斗MEO星座回歸特性為7天13圈。
GEO 地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit）。GEO衛(wèi)星相對地球靜止，軌道高度35786km，軌道傾角為0度，單星覆蓋區(qū)域較大，3顆衛(wèi)星可覆蓋亞太大部分地區(qū)。
IGSO 傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit）。IGSO衛(wèi)星軌道高度與GEO衛(wèi)星相同，軌道傾角為55度，星下點軌跡為“8”字。
北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成。
空間段：北斗三號系統(tǒng)空間段由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO和24顆MEO衛(wèi)星等組成。
地面段：北斗三號系統(tǒng)地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施。
用戶段：北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗及兼容其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎產(chǎn)品，以及終端設備、應用系統(tǒng)與應用服務等。
北斗系統(tǒng)分為B1，B2，B3三個頻段信號。
北斗二號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B2I和B3I三個公開服務信號。其中，B1頻段的中心頻率為1561.098MHz，B2為1207.14MHz，B3為1268.52MHz。
北斗三號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五個公開服務信號。其中B1頻段的中心頻率為1575.42MHz，B2為1176.45MHz，B3為1268.52MHz。
北斗系統(tǒng)提供的服務主要從全球范圍和中國范圍來區(qū)分。
對于全球范圍可以提供定位導航授時，全球短報文通信，國際搜救這三大服務。
對于中國及其周邊的地區(qū)可以提供星基增強，地基增強，單點定位和區(qū)域短報文通信等服務。
星基增強服務。按照國際民航組織標準，服務中國及周邊地區(qū)用戶，支持單頻及雙頻多星座兩種增強服務模式，滿足國際民航組織相關性能要求。
地基增強服務。利用移動通信網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)絡，向北斗基準站網(wǎng)覆蓋區(qū)內的用戶提供米級、分米級、厘米級、毫米級高精度定位服務。
北斗系統(tǒng)提供的這些服務中大部分都是非常容易理解的。可能有朋友會疑問，授時是什么？
授時簡單點講就是傳遞標準時間。
其實授時這個需求古已有之。我們在國內的很多城市都可以看到有鐘樓這樣的建筑。
鐘樓就是為一個城市傳遞時間的工具。大家聽到鐘聲就知道現(xiàn)在是什么時辰了，就可以去做相應的事情。
我們知道目前國際通用的標準時間叫做協(xié)調世界時（Universal Time Coordinated，UTC），它是以原子時的秒長為基礎，與世界時的時刻相結合。當兩者之差逐年積累，達到0.9秒時，就通過正負1閏秒的方式彌補誤差，同時保持時間尺度的均勻。
北斗系統(tǒng)的授時服務就是將中國科學院國家授時中心的中國標準時間，通過衛(wèi)星服務傳播給各行各業(yè)的應用，以保證時間的同步和準確性。
衛(wèi)星會定時向外部發(fā)送信號，我們的信號接收器通過接收衛(wèi)星的信號來定位。
假設現(xiàn)在有兩個衛(wèi)星，每個衛(wèi)星都維護了一個自己的時鐘。假設每個衛(wèi)星每隔一秒鐘發(fā)送一個信號。同時接收器也維護了一個自己的時鐘，那么接收器可以通過判斷信號到達時間來計算出自己和兩個衛(wèi)星的距離。
注意，上面我們假設接收器擁有自己的準確時鐘。對這個問題的討論我們會在后面詳細解答。
上面我們畫的是一個二維示意圖。如果在三維環(huán)境中，相應的衛(wèi)星個數(shù)要加一。
好了，問題來了，知道兩個衛(wèi)星離我們的距離是否可以精確定位我們的位置呢？
答案是否定的，因為我們并不知道衛(wèi)星所在的位置。
怎么才能準確定位衛(wèi)星的位置呢？
早在1617年，約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）大神就在一個理想化的模型中，使用7個元素就可以定位一個衛(wèi)星軌道。
當然這個理想化的模型有一些約束條件：軌道堅持2D平面，并且始終是橢圓形。然后，你可以使用以下元素精確描述這個固定軌道：
橢圓的長軸和短軸的平均值（實際上：橢圓的面積，A）
橢圓的長軸和短軸之比（e）。
描述軌道平面方向的三個參數(shù)：傾角（i0），
上升節(jié)點的經(jīng)度（Ω0），
近拱點（ω）
在T = 0（平均近點角M0）處，衛(wèi)星沿橢圓的距離為多遠
T = 0的時刻（t0e）
雖然開普勒的模型足夠完美，但是還不夠，因為地球本身并不是一個完美的球體，并且引力場也不是完全均勻的。如果直接使用這個模型，那么衛(wèi)星位置可能會有千米的誤差。
為了解決這個問題，1970年設計GPS的大神，在開普勒模型的基礎上又添加了6個參數(shù)。
下圖是GPS和歐洲的伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)使用的定位參數(shù)：
具體的含義我就不細講了，感興趣的朋友可以自行探索。
北斗衛(wèi)星系統(tǒng)也是沿用了GPS設計的衛(wèi)星定位參數(shù)。
以編號C06@0的北斗衛(wèi)星為例，我們看一下它對外提供的信號信息：
如果我們把當前的衛(wèi)星位置和之后可預測的衛(wèi)星位置統(tǒng)計起來，就生成了一張星歷表。
上圖是2020年6月24日北斗衛(wèi)星的星歷表圖。
有了衛(wèi)星的位置和離衛(wèi)星的距離，我們就可以計算我們的位置了。但是這里有一個前提，就是衛(wèi)星的時鐘是準確的，并且接收者的時鐘也是準確的。
這里涉及到兩個問題，一個是衛(wèi)星的時鐘的準確性，一個是接受者時鐘的準確性。
我們先來看接受者時鐘準確性的問題。
如果信號是以光速來傳播的，那么一納秒的誤差距離就是30厘米。
對于普通的接收設備來說，維持納秒級的精確時鐘基本上是不可能的，那怎么才能讓普通的接收設備也能夠精確的定位呢？
答案是再加一顆衛(wèi)星。
接收設備同時接收到三顆的信號，同一時刻的信號肯定要匯集于接受者實際位置那一點，那么接受者可以通過修正本地的時鐘從而將多個衛(wèi)星信號匯集于一點，從而實現(xiàn)本地時鐘的校正和精確位置的定位。一舉兩得。
如果是在三維空間，至少需要4顆衛(wèi)星。
接受者的問題我們解決了，發(fā)送者的問題怎么解決呢？
每個衛(wèi)星也需要一個精準的時鐘用來發(fā)送信號。
我們知道世界上最精準的時間是在實驗室環(huán)境中產(chǎn)生的，但是衛(wèi)星所處的環(huán)境，不可能達到實驗室那種精確度。
我們可以從地面上監(jiān)控空中的時鐘，并將其和實驗室環(huán)境中的精確時間做比對，然后向衛(wèi)星發(fā)送校驗信息。
主要有三個校正項：
時鐘偏離量 af0納秒
時鐘偏移率 af1納秒/秒
時鐘偏移加速度 af2納秒/秒/秒
一般來說衛(wèi)星在收到校正信息之后并不會調整自己的時鐘，而是將校正項和原始時鐘一起發(fā)送給接收方，由接收方自行處理。
好了，所有的問題好像都解決了，但是還有一個問題。就是電離層的問題。
信號在電離層傳輸會受到影響，從而產(chǎn)生延時。
怎么解決這個信號延時的問題呢？
因為電離層產(chǎn)生的延遲與信號頻率成正比。因此我們可以采用多頻率的信號，從而通過不同頻帶之間到達的時間差來推導所產(chǎn)生的總延遲并消除總延遲。
這樣就可以消除99.9％以上的由大氣引入的誤差，而無需執(zhí)行進一步的建模。
上面我們介紹北斗系統(tǒng)的時候提到了，北斗系統(tǒng)使用了B1，B2，B3三個頻段信號，使用三個頻段信號可以更好的消除電離層的誤差。
本文通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)介紹，粗淺的分析了一下衛(wèi)星定位的原理和精確時鐘。如有錯誤，歡迎指正。
本文參考資料:北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) http://www.beidou.gov.cn/
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