北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（簡稱北斗系统）是一个卫星导航系统，为全球用户提供全天候、高精度定位、导航和授时服务。北斗系统分三代发展，自第二代起正式称为“北斗卫星导航系统”。

北斗一号系统（第一代）由三颗卫星组成，提供区域定位服务。从2000年起，主要在中国境内提供导航服务。2012年12月，最后一颗卫星寿命到期，系统停止运作。

北斗二号系统（第二代）包含16颗卫星，包括6颗静止轨道卫星、6颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中地球轨道卫星。2012年12月，该系统开始在亚太地区提供区域定位服务。

北斗三号系统（第三代）由三种轨道卫星组成，包括24颗中圆轨道卫星（全球覆盖）、3颗倾斜地球同步轨道卫星（亚太地区覆盖）和3颗静止轨道卫星（中国覆盖）。2018年12月，北斗三号提前提供全球定位服务。2020年7月31日，系统正式开通。截至2024年9月，北斗系统已发射60颗卫星，确保稳定运行。系统精度达全球公用3.6米、亚太公用2.6米，加密服务可达厘米级。

北斗系统与全球定位系统（GPS）、全球导航卫星系统（GLONASS）和伽利略定位系統（Galileo）同为联合国全球卫星导航系统国际委员会认定的全球卫星导航系统四大核心供应商。

2023年11月，国际民航组织（ICAO）将北斗系统纳入全球民航导航标准。2025年12月，北斗系统加入国际中轨搜救卫星系统。2025年，北斗产业产值近800亿美元。中国计划2027年发射下一代北斗测试卫星，2035年建成新一代系统。

名称含义
“北斗卫星导航系统”是这个系统的官方名称，它是以北斗七星命名的，这是中国古代天文學家给大熊座最明亮的七颗星的命名。历史上，人们利用这七颗星来找到北极星以确定方向。因此，“北斗”这个名称隐含了这个卫星导航系统的目的。

发展过程
中国为北斗卫星导航系统制定了“三步走”发展规划，从1994年开始发展的试验系统（第一代系统）为第一步；2004年开始发展的正式系统（第二代系统）为第二步，至2012年完成对亚太大部分地区的覆盖并正式提供卫星导航服务。北斗卫星导航系统（第三代系统）第三步在2018年年底覆盖“一带一路”国家，2020年7月实现全球的卫星导航功能。

早期研究
691工程“灯塔一号”导航卫星
1964年，美国——世界上第一个卫星导航系统投入使用，用于美国海军装备北极星导弹的弹道导弹潜艇导航，引起钱学森等人的注意。1965年1月8日，钱学森向国防科委提交《研制卫星打算》报告，其中即包括导航卫星研制计划，在各类卫星发展计划中优先度排名第二。1967年下半年，中国人民解放军海军司令部向中国空间技术研究院筹备处建议研制中国卫星导航系统。1968年7月，海军正式呈报中央军委《关于研制和建设对潜艇指挥通信、导航系统事》，提出了对卫星通信和导航系统的使用要求。1969年1月，导航卫星工程立项。3月13日，确定代号为“691工程”，即1969年第一号工程。1970年11月，根据钱学森的建议，691工程卫星被命名为“灯塔一号”导航卫星。1972年，灯塔一号开始正式设计工作。1973年，灯塔一号列入国家计划。1977年，灯塔一号设计、各项试验工作陆续完成，准备进入正样卫星研制阶段。1978年，灯塔一号向国家申请8000万元研制经费，未获批准。1980年，灯塔一号和其他众多国防项目一同被正式取消。除了缺乏经费，灯塔一号的技术也落后于已经开放民用的美国子午仪卫星定位系统。另外，当时中国运载火箭的入轨精度也不能满足导航卫星的需求。作为替代解决方案，中国海军购买了“子午仪”接收机。

双星快速定位通信系统
1980年代，中国航天界再次提出建设中国的卫星导航系统，但中国的经济情况无力承担如美国全球定位系统和苏联格洛纳斯系统那样庞大的卫星星座导航系统。1983年，在美国访问期间目睹“双星定位”技术后，沈荣骏向陈芳允提议，使用“双星定位”建设方案探索中国导航卫星建设：把地心视为一颗虚拟卫星，使用两颗地球静止轨道通信卫星，轨道间隔为60º，配合地面高度座标实现对区域内地面目标的快速定位。该方案能满足完全覆盖中国领土及近海的导航需求，且卫星数量少，建设、维护成本低。1986年，总参测绘局提出的双星快速定位通信系统获得立项。1989年9月25日，两颗东方红二号甲通信卫星进行首次“双星定位通信”演示，验证了其可行性。

在1990年海湾战争中，以美国为首的多国部队通过卫星准确定位与导弹结合，全面击溃伊拉克军队，可能让中國相关方開始認真考慮自組卫星系統的軍事價值。

有一种广泛的传言认为，在1993年7月银河号事件中，美国局部关闭印度洋海区内的GPS服务系统，使“银河号”无法继续行驶。基于这种威胁的可能推动了中国启动北斗一号系统的建设。然而实际上现代民用船舶有多种导航手段（六分仪、雷达、陀螺罗经、无线电指向标以及天文导航），不可能仅仅因为没有卫星定位导航系统就无法航行，且GPS并没有所谓“关闭某区域导航”的设置（只有降低导航精度），且GPS系统全面建成、开放民用为1993年底，晚于该事件，因此这一说法并不可信。

北斗一号系统（1994年至2007年）
1993年，凭借1989年“双星快速定位通信系统”的成功演示，双星定位试验系统被列入国家“九五”计划。1994年2月，工程立项，被命名为北斗卫星导航试验系统，后来也称为北斗一号系统。。工程虽然立项，但却没有获得经费。至1995年，总参测绘局一边进行系统预研，一边仍在筹措经费。国务院考虑无法提供研制经费，仍建议该系统仅进行预研工作，不予立项。最终，另外两个卫星计划的备份星指标被分给卫星导航试验系统使用，不再单独划拨经费，由此才解决经费问题。1995年，北斗一号决定以东方红三号卫星平台为基础研制，而不是沿用之前双星定位试验系统中使用的东方红二号甲。

2000年10月31日和12月21日，北斗一号相继发射了两颗静止轨道卫星，运行在经度相距60°的地球静止轨道，组成世界上首个有源卫星导航定位系统（导航用户需主动向卫星发送信号），实现区域性导航功能。2003年又发射了一颗备份卫星，完成了北斗卫星导航试验系统的组建。2007年发射了最后一颗北斗一号卫星，但该卫星未能正确入轨、正常工作。北斗一号起初仅限军事用途，2003年起，正式对民用领域开放。2012年，北斗一号系统退出服务。

加入欧盟伽利略计划
2003年9月，中国打算加入欧盟的伽利略定位系统计划，并在接下来的几年中投入了2.3亿欧元的资金。中国与欧盟在2004年10月9日正式签署伽利略计划技术合作协议。2008年1月，香港南华早报在“中国不当‘伽利略计划小伙伴’”的报道中指出：中国不满其在伽利略计划中的被排斥，之前的投資沒有得到任何回報，将推出北斗二代与伽利略定位系統竞争。

与欧盟竞争卫星导航频段
21世纪初，最适合卫星导航的黄金频段已经被美国和俄罗斯全部占用。中国与欧盟同时希望建设卫星导航系统，因此推动国际电信联盟从当时的航空导航频段中，最大限度地挤出一小段频率，供卫星导航共同使用。这一小段频率，只有黄金频段的四分之一，却是建设一个全球卫星导航系统最基本的频率需求，且各国均可平等申请。2000年4月17日，北斗系统和伽利略系统同时成功申报。按照国际电联规则，必须在七年有效期内成功发射导航卫星。首颗北斗二号卫星2007年4月14日4时11分升空，值得一提的是，在三日后传来卫星首个讯号时，距离国际电联规定的申请失效最后期限仅剩不到四个小时

截止2011年11月，北斗二代包含了10颗卫星，开始在中国投入服务。

2012年底建成由地球同步轨道卫星、倾斜同步轨道卫星和中圆轨道卫星共14颗卫星构成的北斗二号系统，实现了全天时全天候为亚太大部分地区提供定位导航授时服务。

北斗三号系统（2009年至2020年）
北斗三号系统的建设自2009年启动。

• 2015年8月，两颗全球系统试验卫星首次建立起星间链路。
• 2017年11月5日，北斗三号全球组网双星首次发射。
• 2018年进行高强度第三代北斗系统的发射任务，共发射17颗北斗三号卫星，并且全部成功。2018年12月27日，北斗三号基本系统建成并开始提供全球服务。
• 2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式于上午10时30分在人民大会堂举行，中共中央总书记习近平、国务院总理李克强、国务院副总理韩正等出席建成暨开通仪式，宣布该系统正式开通。

按照计划，该系统将在2018年覆盖“一带一路”国家，2020年完成建设提供全球定位服务，2035年建成以北斗为核心的综合定位、导航、授时体系（Positioning, Navigation, and Timing—PNT）。北京时间2018年12月27日，国务院新闻发布会宣布，北斗三号提前兩年正式提供全球服务。

2024年9月19日，北斗三号的最后两颗备份卫星被成功发射入轨，标志着包括备份星在内的北斗三号全球卫星导航系统工程正式收官。

地面段
系统的地面段由主控站、注入站、监测站组成。

原理
空间定位原理
在空间中若已经确定A、B、C三点的空间位置，且第四点D到上述三点的距离皆已知的情况下，即可以确定D的空间位置，原理如下：因为A点位置和AD间距离已知，可以推算出D点一定位于以A为圆心、AD为半径的圆球表面，按照此方法又可以得到以B、C为圆心的另两个圆球，即D点一定在这三个圆球的交汇点上，即三球交汇定位。北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。

有源与无源定位
当卫星导航系统使用有源时间测距来定位时，用户终端通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号，之后地面控制中心发出测距信号，根据信号传输的时间得到用户与两颗卫星的距离。此即为GPS所使用的技术，北斗卫星导航系统也使用了此技术来实现全球的卫星定位。

精度
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参照三球交汇定位的原理，根据3颗卫星到用户终端的距离信息，根据三维的距离公式，就依靠列出3个方程得到用户终端的位置信息，即理论上使用3颗卫星就可达成无源定位，但由于卫星时钟和用户终端使用的时钟间一般会有误差，而电磁波以光速传播，微小的时间误差将会使得距离信息出现巨大失真，实际上应当认为时钟差距不是0而是一个未知数t，如此方程中就有4个未知数，即客户端的三位坐标（X，Y，Z），以及时钟差距t，故需要4颗卫星来列出4个关于距离的方程式，最后才能求得答案，即用户端所在的三维位置，根据此三维位置可以进一步换算为经纬度和海拔高度。

若空中有足够的卫星，用户终端可以接收多于4颗卫星的信息时，可以将卫星每组4颗分为多个组，列出多组方程，后通过一定的算法挑选误差最小的那组结果，能够提高精度。

为提高定位精度，还可使用差分技术。在地面上建立基准站，将其已知的精确坐标与通过导航系统给出的坐标相比较，可以得出修正数，对外发布，用户终端依靠此修正数，可以将自己的导航系统计算结果进行再次的修正，从而提高精度。例如，全球定位系统使用差分全球定位系统后，定位精度可达到5米左右。

• 非静止轨道卫星：二代北斗卫星导航系统中地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星使用东方红三号通信卫星平台并略有改进，其有效载荷都为RNSS载荷。

北斗卫星导航系统同时使用静止轨道与非静止轨道卫星，对于亚太范围内的区域导航来说，无需借助中地球轨道卫星，只依靠北斗的地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星即可保证服务性能。而数量庞大的中地球轨道卫星，主要服务于全球卫星导航系统。此外，如果倾斜地球同步轨道卫星发生故障，则中地球轨道卫星可以调整轨道予以接替，即作为备份星。

截至2012年发射的北斗系统的卫星设计寿命都是8年，而后续又有数量众多的中地球轨道卫星需要发射，这些卫星将采用专门的中地球轨道卫星平台，寿命将延长至12年或更多，还会往小型化发展。到2020年时，在2010年前后发射的卫星已经退役，因此在2012到2020年的8年时间里，中国需要为准备覆盖全球的北斗卫星导航系统再生产出30多颗卫星。

中国在1981年就成功执行过“一箭多星”，不过此技术一般用于发射一颗大卫星附带几颗小卫星，将卫星送入不同的轨道。2012年使用“一箭双星”发射北斗卫星，是中国首次用一枚火箭发射两颗相同的大质量卫星，火箭将两颗卫星送入了同一个轨道面上，其即卫星的运行轨迹相同，其差别在于轨位。

时间系统
北斗卫星导航系统的系统时间(BeiDou Navigation Satellite System Time) 叫做北斗时(BDT)，属于原子时，溯源到中国的协调世界时，与协调世界时的误差在100纳秒内，起算时间是协调世界时2006年1月1日0时0分0秒。

信号传输
北斗卫星导航系统使用码分多址技术，与全球定位系统和伽利略定位系統一致，而不同于格洛纳斯系统的频分多址技术。两者相比，码分多址有更高的频谱利用率，在由L波段的频谱资源非常有限的情况下，选择码分多址是更妥当的方式。此外，码分多址的抗干扰性能，以及与其他卫星导航系统的兼容性能更佳。

北斗卫星导航系统的官方宣布，在L波段和S波段发送导航信号，在L波段的B1、B2、B3频点上发送服务信号，包括开放的信号和需要授权的信号。2007年，中国发射了北斗-M1，之后在相应波段上被检测到信号：1561.098MHz±2.046MHz， 1589.742MHz， 1207.14MHz±12MHz， 1268.52MHz±12MHz，以上波段与伽利略定位系統计划使用的波段重合，与全球卫星定位系统的L波段也有小部分重合。

北斗-M1是一个实验性的卫星，用于发射信号的测试和验证，并能以先占的原则确定对相应频率的使用权。北斗-M1卫星在E2、E5B、E6频段进行信号传输，传输的信号分成2类，分别被称作“I”和“Q”。“I”的信号具有较短的编码，可能会被用来作开放服务（民用）， 而“Q”部分的编码更长，且有更强的抗干扰性，可能会被用作需要授权的服务（军用）。在北斗-M1发射后，法国、美国等工程师即展开了对信号的研究，研究者包括在中国引起热议的高杏欣，她和团队分析出了北斗-M1卫星的民用码信道编码方式并予以公开，但其研究内容与军用码的安全问题无关，事实上全球卫星定位系统和伽利略定位系统的民用码也早已被破解。

注释
参考文献
参閲

• 全球定位系統(GPS)
• 格洛纳斯系统(GLONASS)
• 多普勒卫星涮轨和无线电定位组合系统(DORIS/朵麗絲系統)
• 伽利略定位系統(Galileo)
• 印度區域導航衛星系統(IRNSS)
• 准天顶卫星系统(QZSS)
• 辅助全球卫星定位系统(AGPS)
• 北斗卫星导航试验系统
• (Error analysis for the GPS)

外部链接

• [http://www.beidou.gov.cn/ 北斗卫星导航系统网站]
• [https://www.youtube.com/watch?v=sW4_L-qAJcA&t=32s 北斗卫星导航对比美国GPS导航]