揭秘!中國人一定要知道的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)

6月23日9時43分，北斗系統(tǒng)的第五十五顆導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)航和授時服務(wù)。

目前能提供全球服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐洲Galileo。

在北斗系統(tǒng)出現(xiàn)之前，國內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)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(shù)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(wù)。

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(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

北斗二號在兼容北斗一號系統(tǒng)技術(shù)體制基礎(chǔ)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(wù)。

北斗二號是在2004年啟動建設(shè)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(dǎo)航授時、全球短報文通信和國際搜救服務(wù)，同時可為中國及周邊地區(qū)用戶提供星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報文通信等服務(wù)。

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(shè)和1 顆GEO衛(wèi)星發(fā)射，并開通全球服務(wù)；

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(wù)能力進(jìn)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(shè)，實(shí)現(xiàn)滿星座運(yùn)行服務(wù)。

目前，北斗系統(tǒng)服務(wù)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。

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(yùn)行管理設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)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(dǎo)航授時，全球短報文通信，國際搜救這三大服務(wù)。

對于中國及其周邊的地區(qū)可以提供星基增強(qiáng)，地基增強(qiáng)，單點(diǎn)定位和區(qū)域短報文通信等服務(wù)。

北斗系統(tǒng)提供的這些服務(wù)中大部分都是非常容易理解的?？赡苡信笥褧蓡?，授時是什么？

授時簡單點(diǎn)講就是傳遞標(biāo)準(zhǔn)時間。

其實(shí)授時這個需求古已有之。我們在國內(nèi)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(yīng)的事情。

我們知道目前國際通用的標(biāo)準(zhǔn)時間叫做協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC），它是以原子時的秒長為基礎(chǔ)，與世界時的時刻相結(jié)合。當(dāng)兩者之差逐年積累，達(dá)到0.9秒時，就通過正負(fù)1閏秒的方式彌補(bǔ)誤差，同時保持時間尺度的均勻。

北斗系統(tǒng)的授時服務(wù)就是將中國科學(xué)院國家授時中心的中國標(biāo)準(zhǔn)時間，通過衛(wèi)星服務(wù)傳播給各行各業(yè)的應(yīng)用，以保證時間的同步和準(zhǔn)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(shè)現(xiàn)在有兩個衛(wèi)星，每個衛(wèi)星都維護(hù)了一個自己的時鐘。假設(shè)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(hù)了一個自己的時鐘，那么接收器可以通過判斷信號到達(dá)時間來計算出自己和兩個衛(wèi)星的距離。

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(yīng)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(zhǔn)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(dāng)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：

1. 橢圓的長軸和短軸的平均值（實(shí)際上：橢圓的面積，A）

2. 橢圓的長軸和短軸之比（e）。

3. 描述軌道平面方向的三個參數(shù)：傾角（i0），

4. 上升節(jié)點(diǎn)的經(jīng)度（Ω0），

5. 近拱點(diǎn)（ω）

6. 在T = 0（平均近點(diǎn)角M0）處，衛(wèi)星沿橢圓的距離為多遠(yuǎn)

7. 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(shè)計GPS的大神，在開普勒模型的基礎(chǔ)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(xì)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(shè)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(dāng)前的衛(wèi)星位置和之后可預(yù)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(zhǔn)確的，并且接收者的時鐘也是準(zhǔn)確的。

這里涉及到兩個問題，一個是衛(wèi)星的時鐘的準(zhǔn)確性，一個是接受者時鐘的準(zhǔn)確性。

我們先來看接受者時鐘準(zhǔn)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(shè)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(shè)備也能夠精確的定位呢？

答案是再加一顆衛(wèi)星。

接收設(shè)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(shí)際位置那一點(diǎn)，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(diǎn)，從而實(shí)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(zhǔn)的時鐘用來發(fā)送信號。

我們知道世界上最精準(zhǔn)的時間是在實(shí)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(dá)到實(shí)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(shí)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：

1. 時鐘偏離量 af0納秒

2. 時鐘偏移率 af1納秒/秒

3. 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(diào)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(dá)的時間差來推導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)航系統(tǒng) http://www.beidou.gov.cn/

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