北斗導航
北斗導航北斗衛星導航系統（BDS）是中國自行研製的全球衛星導航系統，是繼GPS、GLONASS之後第三個成熟的衛星導航系統，是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。[1] 北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球範圍內全天為各類用戶提供高精度定位、導航、授時服務，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒，並具備短報文通信能力。
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目錄
系統功能
四大功能
短報文通信：北斗系統用戶終端具有雙向報文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息。 可以達到一次傳送達120個漢字的信息。在遠洋航行中有重要的應用價值。 精密授時：北斗系統具有精密授時功能，可向用戶提供20ns-100ns時間同步精度。 定位精度：水平精度100米（1σ），設立標校站之後為20米（類似差分狀態）。工作頻率：2491.75MHz。 系統容納的最大用戶數：540000戶/小時。
軍用功能
「北斗」衛星導航定位系統的軍事功能與GPS類似，如：運動目標的定位導航；為縮短反應時間的武器載具發射位置的快速定位；人員搜救、水上排雷的定位需求等。 這項功能用在軍事上，意味着可主動進行各級部隊的定位，也就是說大陸各級部隊一旦配備「北斗」衛星導航定位系統，除了可供自身定位導航外，高層指揮部也可隨時通過「北斗」系統掌握部隊位置，並傳遞相關命令，對任務的執行有相當大的助益。換言之，大陸可利用「北斗」衛星導航定位系統執行部隊指揮與管制及戰場管理.
民用功能
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的手機或車載衛星導航裝置找到你要走的路線。 氣象應用 北斗導航衛星氣象應用的開展，可以促進中國天氣分析和數值天氣預報、氣候變化監測和預測，也可以提高空間天氣預警業務水平，提升中國氣象防災減災的能力。 除此之外，北斗導航衛星系統的氣象應用對推動北斗導航衛星創新應用和產業拓展也具有重要的影響。 道路交通管理 衛星導航將有利於減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車輛上安裝衛星導航接收機和數據發射機，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內自動轉發到中心站。這些位置信息可用於道路交通管理。 鐵路智能交通 衛星導航將促進傳統運輸方式實現升級與轉型。例如，在鐵路運輸領域，通過安裝衛星導航終端設備，可極大縮短列車行駛間隔時間，降低運輸成本，有效提高運輸效率。未來，北斗衛星導航系統將提供高可靠、高精度的定位、測速、授時服務，促進鐵路交通的現代化，實現傳統調度向智能交通管理的轉型。 海運和水運 海運和水運是全世界最廣泛的運輸方式之一，也是衛星導航最早應用的領域之一。在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛星導航終端設備，使海上和水路運輸更為高效和安全。北斗衛星導航系統將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導航定位和安全保障。同時，北斗衛星導航系統特有的短報文通信功能將支持各種新型服務的開發。 航空運輸 當飛機在機場跑道着陸時，最基本的要求是確保飛機相互間的安全距離。利用衛星導航精確定位與測速的優勢，可實時確定飛機的瞬時位置，有效減小飛機之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實現自動盲降，極大提高飛行安全和機場運營效率。通過將北斗衛星導航系統與其他系統的有效結合，將為航空運輸提供更多的安全保障。 應急救援 衛星導航已廣泛用於沙漠、山區、海洋等人煙稀少地區的搜索救援。在發生地震、洪災等重大災害時，救援成功的關鍵在於及時了解災情並迅速到達救援地點。北斗衛星導航系統除導航定位外，還具備短報文通信功能，通過衛星導航終端設備可及時報告所處位置和受災情況，有效縮短救援搜尋時間，提高搶險救災時效，大大減少人民生命財產損失。 指導放牧 2014年10月，北斗系統開始在青海省牧區試點建設北斗衛星放牧信息化指導系統，主要依靠牧區放牧智能指導系統管理平台、牧民專用北鬥智能終端和牧場數據採集自動站，實現數據信息傳輸，並通過北斗地面站及北斗星群中轉、中繼處理，實現草場牧草、牛羊的動態監控。2015年夏季，試點牧區的牧民就能使用專用北鬥智能終端設備來指導放牧。
系統構成
北斗衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，中國計劃2012年左右，「北斗」系統將覆蓋亞太地區，2020年左右覆蓋全球。中國正在實施北斗衛星導航系統建設，已成功發射16顆北斗導航衛星。根據系統建設總體規劃，2012年左右，系統將首先具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。
星座構成
北斗衛星導航系統由空間段計劃由35顆衛星組成，包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。5顆靜止軌道衛星定點位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛星運行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。至2012年底北斗亞太區域導航正式開通時，已為正式系統在西昌衛星發射中心發射了16顆衛星，其中14顆組網並提供服務，分別為5顆靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星（均在傾角55°的軌道面上），4顆中地球軌道衛星（均在傾角55°的軌道面上）。
覆蓋範圍
2011年12月27日起，北斗導航系統是覆蓋中國本土的區域導航系統，覆蓋範圍東經約70°~140°，北緯5°~55°。北斗衛星系統對東南亞實現全覆蓋。 2018年12月27日，中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其宣布：北斗三號基本系統完成建設，開始提供全球服務。這標誌着北斗系統服務範圍由區域擴展為全球，北斗系統正式邁入全球時代[2]
原理
空間定位原理
衛星定位的基礎是三角測量學。如果已經知道了三顆衛星的坐標，並且還知道接收機至這三顆衛星的距離，那麼該接收機的坐標就能夠計算出來。實際上參與導航計算的步驟中，還有個時間變量參數，因為接收機至衛星的距離測量實際上是以時間度量來實現的，當每秒鐘時間誤差為百萬分之一時，就將導致位置誤差大於300m，而接收機的時鐘是用石英晶體振盪器來實現的，必須用衛星的原子鐘作為同步標準才能確保定位精度，故需第4顆衛星來參與定位，這第4顆衛星是作為時間參考標準加以應用的。 在空間中若已經確定A、B、C三點的空間位置，且第四點D到上述三點的距離皆已知的情況下，即可以確定D的空間位置，原理如下：因為A點位置和AD間距離已知，可以推算出D點一定位於以A為圓心、AD為半徑的圓球表面，按照此方法又可以得到以B、C為圓心的另兩個圓球，即D點一定在這三個圓球的交匯點上，即三球交匯定位。
有源與無源定位
當衛星導航系統使用有源時間測距來定位時，用戶終端通過導航衛星向地面控制中心發出一個申請定位的信號，之後地面控制中心發出測距信號，根據信號傳輸的時間得到用戶與兩顆衛星的距離。除了這些信息外，地面控制中心還有一個數據庫，為地球表面各點至地球球心的距離，當認定用戶也在此不均勻球面的表面時，三球交匯定位的條件已經全部滿足，控制中心可以計算出用戶的位置，並將信息發送到用戶的終端。北斗的試驗系統完全基於此技術，而之後的北斗衛星導航系統除了使用新的技術外，也保留了這項技術。[3] 無源定位技術以其不輻射電磁波信號，因而具有良好的隱蔽性，這大大提高了作戰平台在複雜電磁環境下的生存能力。星載無源定位系統以衛星平台為載體，對地面輻射源進行無源定位，具有全天候、全天時、作用距離遠、覆蓋範圍廣等特點。 [15] 當衛星導航系統使用無源時間測距技術時，用戶接收至少4顆導航衛星發出的信號，根據時間信息可獲得距離信息，根據三球交匯的原理，用戶終端自行可以自行計算其空間位置。此即為GPS所使用的技術，北斗衛星導航系統也使用了此技術來實現全球的衛星定位。
精度
參照三球交匯定位的原理，根據3顆衛星到用戶終端的距離信息，根據三維的距離公式，就依靠列出3個方程得到用戶終端的位置信息，即理論上使用3顆衛星就可達成無源定位，但由於衛星時鐘和用戶終端使用的時鐘間一般會有誤差，而電磁波以光速傳播，微小的時間誤差將會使得距離信息出現巨大失真，實際上應當認為時鐘差距不是0而是一個未知數t，如此方程中就有4個未知數，即客戶端的三位坐標（X，Y，Z），以及時鐘差距t，故需要4顆衛星來列出4個關於距離的方程式，最後才能求得答案，即用戶端所在的三維位置，根據此三維位置可以進一步換算為經緯度和海拔高度。 若空中有足夠的衛星，用戶終端可以接收多於4顆衛星的信息時，可以將衛星每組4顆分為多個組，列出多組方程，後通過一定的算法挑選誤差最小的那組結果，能夠提高精度。 電磁波以30萬千米/秒的光速傳播，在測量衛星距離時，若衛星鐘有一納秒（十億分之一秒）時間誤差，會產生三十厘米距離誤差。儘管衛星採用的是非常精確的原子鐘，也會累積較大誤差，因此地面工作站會監視衛星時鐘，並將結果與地面上更大規模的更精確的原子鐘比較，得到誤差的修正信息，最終用戶通過接收機可以得到經過修正後的更精確的信息。當前有代表性的衛星用原子鐘大約有數納秒的累積誤差，產生大約一米的距離誤差。 北斗衛星導航系統在定位解算過程中的誤差按照來源可分為3個部分：一是衛星可能會產生的誤差，有衛星運行軌道的偏差、星載時鐘產生的誤差以及衛星天線相位中心的偏差；二是和傳播路徑中可能會產生的誤差，有電離層導致的信號延遲誤差、對流層導致的信號延遲誤差以及多徑效應等；三是和接收機可能產生的誤差，包括接收機時鐘偏差、接收機天線相位中心的偏差以及觀測噪聲等。 差分定位方法中的雙差模型已經將星載時鐘誤差、接收機時鐘誤差等大大減弱。還未消除的誤差可以根據與基線長度是否有關來再次進行分類，一類有衛星位置偏差、大氣層導致的信號延遲誤差，與基線長度相關；一類是有多徑效應以及觀測噪聲等與基線長度沒有關係的隨機誤差。
歷史發展
衛星導航系統是重要的空間信息基礎設施。中國高度重視衛星導航系統的建設，一直在努力探索和發展擁有自主知識產權的衛星導航系統。2000年，首先建成北斗導航試驗系統，使中國成為繼美、俄之後的世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。該系統已成功應用於測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域，產生顯著的經濟效益和社會效益。特別是在2008年北京奧運會、汶川抗震救災中發揮了重要作用。為了更好地服務於國家建設與發展，滿足全球應用需求，中國啟動實施了北斗衛星導航系統建設。 [4] 2012年12月27日，北斗系統空間信號接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗導航業務正式對亞太地區提供無源定位、導航、授時服務。 2013年12月27日，北斗衛星導航系統正式提供區域服務一周年新聞發布會在國務院新聞辦公室新聞發布廳召開，正式發布了《北斗系統公開服務性能規範（1.0版）》和《北斗系統空間信號接口控制文件（2.0版）》兩個系統文件。 2014年11月23日，國際海事組織海上安全委員會審議通過了對北斗衛星導航系統認可的航行安全通函，這標誌着北斗衛星導航系統正式成為全球無線電導航系統的組成部分，取得面向海事應用的國際合法地位。中國的衛星導航系統已獲得國際海事組織的認可。 2017年11月5日，中國第三代導航衛星——北斗三號的首批組網衛星（2顆）以「一箭雙星」的發射方式順利升空，它標誌着中國正式開始建造「北斗」全球衛星導航系統。 2018年4月10日，中國北斗衛星導航系統首個海外中心——中阿北斗中心在位於突尼斯的阿拉伯信息通信技術組織總部舉行揭牌儀式。 2018年7月10日04時58分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號甲運載火箭，成功發射了第三十二顆北斗導航衛星。該衛星屬傾斜地球同步軌道衛星，衛星入軌並完成在軌測試後，將接入北斗衛星導航系統，為用戶提供更可靠服務。 2018年7月29日9時48分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭（及遠征一號上面級），以「一箭雙星」方式成功發射第三十三、三十四顆北斗導航衛星。這兩顆衛星屬於中圓地球軌道衛星，是中國北斗三號系統第九、十顆組網衛星。 2018年8月25日7時52分 ，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭(及遠征一號上面級)以「一箭雙星」方式成功發射第三十五、三十六顆北斗導航衛星，兩顆衛星屬於中圓地球軌道衛星，也是中國北斗三號全球系統第十一、十二顆組網衛星。 2018年9月19日22時07分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭（及遠征一號上面級），以「一箭雙星」方式成功發射第三十七、三十八顆北斗導航衛星。這兩顆衛星屬於中圓地球軌道衛星，是中國北斗三號系統第十三、十四顆組網衛星。 2018年10月15日12時23分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭(及遠征一號上面級)，以「一箭雙星」方式成功發射第三十九、四十顆北斗導航衛星。這兩顆衛星屬於中圓地球軌道衛星，是中國北斗三號系統第十五、十六顆組網衛星。 [7] 2018年11月19日2時7分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭（及遠征一號上面級），以「一箭雙星」方式成功發射第四十二、四十三顆北斗導航衛星，這兩顆衛星屬於中圓地球軌道衛星，是中國北斗三號系統第十八、十九顆組網衛星。
2019年4月20日，第44顆北斗導航衛星發射成功。 2019年5月15日，中國衛星導航定位協會在北京發布《中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書（2019）》，白皮書顯示：2018年中國衛星導航與位置服務產業總體產值達3016億元，較2017年增長18.3%。2018年珠三角、京津冀、長三角、華中、西部五大衛星導航與位置服務產業發展區域，總體實現產值2388億元，在全國衛星導航與位置服務產業總體產值中占比高達79.6%；北斗作為時間和空間信息感知採集的關鍵技術，已在智能交通、物流跟蹤、智慧市政等應用中發揮越來越重要的作用；隨着5G時代的到來，「北斗+5G」有望在機場調度、機器人巡檢、無人機、建築監測、車輛監控、物流管理等領域廣泛應用，將進一步促進北斗增值服務的應用普及和多樣化發展；中國企業的衛星導航定位產品已在全球100多個國家實現銷售，其中北斗已先後落地應用「一帶一路」沿線30多個國家和地區。[5] 2019年5月17日23時48分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號丙運載火箭，成功發射了第四十五顆北斗導航衛星。 2020年2月15日，北斗衛星導航系統第41顆衛星（地球靜止軌道衛星）、第49顆衛星（傾斜地球同步軌道衛星）、第50顆衛星（中圓軌道衛星）和第51顆衛星（中圓軌道衛星）已完成在軌測試、入網評估等工作，正式入網工作。