北斗導航定位衛星

北斗導航定位衛星

中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中國自行研製的全球衛星導航系統。是繼美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)之後第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統(BDS)和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO,是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。

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候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航授時服務,並具短報文通信能力,已經初步具備區域導航、定位和授時能力,定位精度10米,測速精度0.2米/秒,授時精度10納秒。2012年12月27日,北斗系統空間信號接口控制檔案正式版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檔案(2.0版)》兩個系統檔案。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,這標誌著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,取得面向海事套用的國際合法地位。中國的衛星導航系統已獲得國際海事組織的認可。2017年1月10日,中國北斗系統預計於2018年率先覆蓋“一帶一路”國家,2020年覆蓋全球。

  • 中文名稱
    北斗導航衛星
  • 外文名稱
    Beidou navigation satellite
  • 研製國家
    中國
  • 英文縮寫
    BDS
  • 性質
    地球衛星定位與通信系統

衛星簡介

​北斗衛星導航系統﹝BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System﹞是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。系統建設目標是:建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠的覆蓋全球的北斗衛星導航系統,促進衛星導航產業鏈形成,形成完善的國家衛星導航套用產業支撐、推廣和保障體系,推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛套用。

北斗導航定位衛星北斗導航定位衛星

北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成,空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星,地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。

發展歷程

早期研究

1970年代,中國開始研究衛星導航系統的技術和方案,但之後這項名為“燈塔”的研究計畫被取消。

1983年,中國航天專家陳芳允提出使用兩顆靜止軌道衛星實現區域性的導航功能,1989年,中國使用通信衛星進行試驗,驗證了其可行性,之後的北斗衛星導航試驗系統即基於此方案。

試驗系統

1994年,中國正式開始北斗衛星導航試驗系統(北斗一號)的研製,並在2000年發射了兩顆靜止軌道衛星,區域性的導航功能得以實現。2003年又發射了一顆備份衛星,完成了北斗衛星導航試驗系統的組建。

中國加入歐盟伽利略計畫

2003年09月,中國打算加入歐盟伽利略定位系統計畫,並在接下來的幾年中投入了2.3億歐元的資金。由此,人們相信中國的北斗系統只會用於自己的武裝力量。中國與歐盟在2004年10月09日正式簽署伽利略計畫技術合作協定。2008年01月,香港南華早報在“中國不當“伽利略”計畫小夥伴”的報導中指出:中國不滿其在伽利略計畫中的配角地位,並將推出北斗二代與伽利略定位系統在亞洲市場競爭。

正式系統

2004年,中國啟動了具有全球導航能力的北斗衛星導航系統的建設(北斗二號),並在2007年發射一顆中地球軌道衛星,進行了大量試驗。2009年起,後續衛星持續發射,並在2011年開始對中國和周邊地區提供測試服務,2012年完成了對亞太大部分地區的覆蓋並正式提供衛星導航服務。

北斗導航定位衛星

中國為北斗衛星導航系統制定了“三步走”發展規劃,從1994年開始發展的試驗系統(第一代系統)為第一步,2004年開始發展的正式系統(第二代系統)又分為兩個階段,即第二步與第三步。至2012年,此戰略的前兩步已經完成。根據計畫,北斗衛星導航系統將在2020年完成,屆時將實現全球的衛星導航功能。

北斗衛星導航系統三步走發展規劃

時間節點200420122020
實現目標區域有源定位區域無源定位全球無源定位

東協各國加入合作

中國科學技術部部長萬鋼在2013年1月19日中國科技工作會議上透露,2013年將積極實施“中國東協科技夥伴計畫”,啟動“中國-東協聯合實驗室”、“中國-東協技術轉移中心”建設,在東協各國合作建設北斗系統地面站網。

全球組網

2015年7月25日中國成功發射兩顆北斗導航衛星,使北斗導航系統的衛星總數增加到19枚。這對北斗“雙胞胎”弟兄,將為北斗全球組網承擔“拓荒”使命。

據北斗導航衛星系統總設計師謝軍介紹,作為北斗系統全球組網的主要衛星,新發射的北斗雙星將為中國建成全球導航衛星系統開展全面驗證,為後續的全球組網衛星奠定基礎。

2017年1月10日,中國北斗系統在國民經濟和國防建設各領域套用逐步深入,核心技術取得突破,整體套用已進入產業化、規模化、大眾化、國際化的新階段,預計將於2018年率先覆蓋“一帶一路”國家,2020年覆蓋全球。

建設原則

北斗衛星導航系統的建設與發展,以套用推廣和產業發展為根本目標,不僅要建成系統,更要用好系統,強調質量、安全、套用、效益,遵循以下建設原則:

北斗導航定位衛星北斗導航定位衛星

1、開放性。北斗衛星導航系統的建設、發展和套用將對全世界開放,為全球用戶提供高質量的免費服務,積極與世界各國開展廣泛而深入的交流與合作,促進各衛星導航系統間的兼容與互操作,推動衛星導航技術與產業的發展。

2、自主性。中國將自主建設和運行北斗衛星導航系統,北斗衛星導航系統可獨立為全球用戶提供服務。

3、兼容性。在全球衛星導航系統國際委員會(ICG)和國際電聯(ITU)框架下,使北斗衛星導航系統與世界各衛星導航系統實現兼容與互操作,使所有用戶都能享受到衛星導航發展的成果。

4、漸進性。中國將積極穩妥地推進北斗衛星導航系統的建設與發展,不斷完善服務質量,並實現各階段的無縫銜接。

製作原理

空間定位原理

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。北斗的試驗系統和正式系統的定位都依靠此原理。

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資料庫,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,並將信息傳送到用戶的終端。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。

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。

為提高定位精度,還可使用差分技術。在地面上建立基準站,將其已知的精確坐標與通過導航系統給出的坐標相比較,可以得出修正數,對外發布,用戶終端依靠此修正數,可以將自己的導航系統計算結果進行再次的修正,從而提高精度。例如,全球定位系統使用差分全球定位系統後,定位精度可達到5米左右。

採用技術

衛星平台

在北斗衛星導航系統中,能使用無源時間測距技術為全球提供無線電衛星導航服務(RNSS),也同時也保留了試驗系統中的有源時間測距技術,即提供無線電衛星測定服務(RDSS),但僅在亞太地區實現。從衛星所起到的功能來區分,可以分成下列兩類:

北斗導航定位衛星北斗導航定位衛星

非靜止軌道衛星:北斗衛星導航系統中地球軌道衛星和傾斜地球同步軌道衛星使用東方紅三號通信衛星平台並略有改進,其有效載荷都為RNSS載荷。

靜止軌道衛星:這類衛星使用改進型東方紅三號平台,其五顆衛星的定點位置為東經58.75°到160°之間,每顆均有3種有效載荷,即用作有源定位的RDSS載荷、用作無源定位的RNSS載荷、用於客戶端間短報文服務的通信載荷。由於此類衛星僅定點在亞太地區上空,故需要用到RDSS載荷的有源定位服務以及用到通訊載荷的短報文服務只能在亞太提供。

北斗衛星導航系統同時使用靜止軌道與非靜止軌道衛星,對於亞太範圍內的區域導航來說,無需藉助中地球軌道衛星,只依靠北斗的地球靜止軌道衛星和傾斜地球同步軌道衛星即可保證服務性能。而數量龐大的中地球軌道衛星,主要服務於全球衛星導航系統。此外,如果傾斜地球同步軌道衛星發生故障,則中地球軌道衛星可以調整軌道予以接替,即作為備份星。

截至2012年發射的北斗系統的衛星設計壽命都是8年,而後續又有數量眾多的中地球軌道衛星需要發射,這些衛星將採用專門的中地球軌道衛星平台,壽命將延長至12年或更多,還會往小型化發展。

衛星製造與發射

因為需要一定數量的衛星才能提供質量可靠的導航服務,從衛星的壽命方面考慮,若發射間隔過久,則後續衛星發射時,可能早期的衛星已近退役,所以北斗的衛星需要在短時間發射,中國在3年的時間內共發射了14顆北斗衛星,這是中國首次使用“一次設計,組批生產”的方式對衛星快速批量生產。到2020年時,在2010年前後發射的衛星已經退役,因此在2012到2020年的8年時間裡,中國需要為準備覆蓋全球的北斗衛星導航系統再生產出30多顆衛星。

中國在1981年就成功執行過“一箭多星”,不過此技術一般用於發射一顆大衛星附帶幾顆小衛星,將衛星送入不同的軌道。2012年使用“一箭雙星”發射北斗衛星,是中國首次用一枚火箭發射兩顆相同的大質量衛星,火箭將兩顆衛星送入了同一個軌道面上,其即衛星的運行軌跡相同,其差別在於軌位。

時間系統

北斗衛星導航系統的系統時間叫做北斗時,屬於原子時,溯源到中國的協調世界時,與協調世界時的誤差在100納秒內,起算時間是協調世界時2006年1月1日0時0分0秒。

北斗試驗系統的衛星原子鐘是由瑞士進口,北斗二號的星載原子鐘逐漸開始使用中國航天科工二院203所提供的國產原子鐘。北斗的衛星系統總設計師楊慧在2012年表示,北斗已經開始全部使用國產原子鐘,其性能與進口產品相當。

信號傳輸

北斗衛星導航系統使用碼分多址技術,與全球定位系統和伽利略定位系統一致,而不同於格洛納斯系統的頻分多址技術。兩者相比,碼分多址有更高的頻譜利用率,在由L波段的頻譜資源非常有限的情況下,選擇碼分多址是更妥當的方式。此外,碼分多址的抗乾擾性能,以及與其他衛星導航系統的兼容性能更佳。

2007年,在北斗-M1衛星發射後,被檢2007年,在北斗-M1衛星發射後,被檢

北斗衛星導航系統的官方宣布,在L波段S波段傳送導航信號,在L波段的B1、B2、B3頻點上傳送服務信號,包括開放的信號和需要授權的信號。

B1頻點:1559.052MHz-1591.788MHz

B2頻點:1166.220MHz-1217.370MHz

B3頻點:1250.618MHz-1286.423MHz

國際電信聯盟分配了E1(1590MHz)、E2(1561MHz)、E6(1269MHz)和E5B(1207MHz)四個波段給北斗衛星導航系統,這與伽利略定位系統使用或計畫使用的波段存在重合。然而,根據國際電信聯盟的頻段先占先得政策,若北斗系統先行使用,即擁有使用相應頻段的優先權。2007年,中國發射了北斗-M1,之後在相應波段上被檢測到信號:1561.098MHz±2.046MHz, 1589.742MHz, 1207.14MHz±12MHz, 1268.52MHz±12MHz,以上波段與伽利略定位系統計畫使用的波段重合,與全球衛星定位系統的L波段也有小部分重合。

北斗-M1是一個實驗性的衛星,用於發射信號的測試和驗證,並能以先占的原則確定對相應頻率的使用權。北斗-M1衛星在E2、E5B、E6頻段進行信號傳輸,傳輸的信號分成2類,分別被稱作“I”和“Q”。“I”的信號具有較短的編碼,可能會被用來作開放服務(民用), 而“Q”部分的編碼更長,且有更強的抗乾擾性,可能會被用作需要授權的服務(軍用)。

在北斗-M1發射後,法國、美國等工程師即展開了對信號的研究,研究者包括在中國引起熱議的高杏欣,她和團隊分析出了北斗-M1衛星的民用碼信道編碼方式並予以公開,但其研究內容與軍用碼的安全問題無關,事實上全球衛星定位系統和伽利略定位系統的民用碼也早已被破解。

試驗系統

北斗衛星導航試驗系統又稱為北斗一號,是中國的第一代衛星導航系統,即有源區域衛星定位系統,1994年正式立項,2000年發射2顆衛星後即能夠工作,2003年又發射了一顆備份衛星,試驗系統完成組建,該系統服務範圍為東經70°-140°,北緯5°-55°。

系統組成

系統分為三個部分,分別為空間段、地面段、用戶段:

北斗衛星導航試驗系統於2003年完全建成北斗衛星導航試驗系統於2003年完全建成

空間段:由3顆地球靜止軌道衛星組成,兩顆工作衛星定位於東經80°和140°赤道上空,另有一顆位於東經110.5°的備份衛星,可在某工作衛星失效時予以接替。

地面段:由中心控制系統和標校系統組成。中心控制系統主要用於衛星軌道的確定、電離層校正、用戶位置確定、用戶短報文信息交換等。標校系統可提供距離觀測量和校正參數。

用戶段:用戶的終端。

性能

北斗衛星導航試驗系統於2000年能夠使用後,其定位精度100米,使用地面參照站校準後為20米,與當時的全球衛星定位系統民用碼相當。系統用戶能實現自身的定位,也能向外界報告自身位置和傳送訊息,授時精度20納秒,定位回響時間為1秒。

由於是採用少量衛星實現的有源定位,該系統成本較低,但是系統在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數、隱蔽性等方面均受到限制。另外該系統無測速功能,不能用於精確制導武器

正式系統

正式的北斗衛星導航系統也被稱為北斗二號,是中國的第二代衛星導航系統,英文簡稱BDS,曾用名COMPASS,“北斗衛星導航系統”一詞一般用來特指第二代系統。此衛星導航系統的發展目標是對全球提供無源定位,與全球定位系統相似。在計畫中,整個系統將由35顆衛星組成,其中5顆是靜止軌道衛星,以與使用靜止軌道衛星的北斗衛星導航試驗系統兼容。其總設計師為孫家棟

北斗衛星導航系統在2012年的服務範圍北斗衛星導航系統在2012年的服務範圍

北斗從其試驗系統開始就有其軍事目的,其正式系統也是一個軍民兩用的系統。項目的主要參與者為中國人民解放軍總參謀部、總裝備部、國家國防科技工業局、中國科學院中國航天科技集團公司中國電子科技集團公司國防科技大學。截至2012年,中國為試驗系統和覆蓋亞太的正式系統共花費了數百億人民幣,為了實現覆蓋全球的目標,還將投入四五百億以上。

亞太服務

北斗衛星導航系統的建設於2004年啟動,2011年開始對中國和周邊提供測試服務,2012年12月27日起正式提供衛星導航服務,服務範圍涵蓋亞太大部分地區,南緯55度到北緯55度、東經55度到東經180度為一般服務範圍。該導航系統提供兩種服務方式,即開放服務和授權服務。

開放服務是在服務區免費提供定位、測速、授時服務,定位精度為10米,測速精度0.2米/秒,授時精度10納秒,在服務區的較邊緣地區精度稍差。授權服務則是向授權用戶提供更安全與更高精度的定位、測速、授時、通信服務以及系統完好性信息,這類用戶為中國軍隊和政府等。由於該正式系統繼承了試驗系統的一些功能,能在亞太地區提供無源定位技術所不能完成的服務,如短報文通信。

全球服務

北斗衛星導航系統計畫在2020年完成對全球的覆蓋,為全球用戶提供定位、導航、授時服務,中國將發射大量的中地球軌道衛星,同時因為現有系統的衛星壽命也會到期,也將會在2020年前完成替換。中國將在2014年發射一顆試驗星,以驗證全球系統建設中的關鍵技術。

系統構成

北斗衛星導航系統由空間段、地面段、用戶段組成。

空間段

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,中國計畫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。

北斗衛星發射列表 
發射時間火箭衛星編號衛星類型發射地點

2000年10月31日


北斗-1A

北斗1號

西昌

2000年12月21日


北斗-1B

2003年5月25日


北斗-1C

2007年2月3日


北斗-1D

2007年4月14日04時11分

長征三號甲

第一顆北斗導航衛星(M1)

北斗2號

2009年4月15日

長征三號丙

第二顆北斗導航衛星(G2)

2010年1月17日

第三顆北斗導航衛星(G1)

2010年6月2日

第四顆北斗導航衛星(G3)

2010年8月1日05時30分

長征三號甲

第五顆北斗導航衛星(I1)

2010年11月1日00時26分

長征三號丙

第六顆北斗導航衛星(G4)

2010年12月18日04時20分

長征三號甲

第七顆北斗導航衛星(I2)

2011年4月10日04時47分

第八顆北斗導航衛星(I3)

2011年7月27日05時44分

第九顆北斗導航衛星(I4)

2011年12月2日05時07分

第十顆北斗導航衛星(I5)

2012年2月25日0時12分

長征三號丙

第十一顆北斗導航衛星

2012年4月30日4時50分

長征三號乙

第十二、第十三顆北斗導航系統組網衛星(“一箭雙星”)

2012年9月19日3時10分

長征三號乙

第十四、十五顆北斗導航系統組網衛星“一箭雙星” )

2012年10月25日23時33分

長征三號丙

第十六顆北斗導航衛星

2015年3月30日21時52分長征三號丙第十七顆北斗導航衛星
2015年7月25日20時29分長征三號乙第十八、十九顆北斗導航系統組網衛星(“一箭雙星”)
2015年9月30日7時13分長征三號乙第二十顆北斗導航衛星
2016年2月1日15時29分長征三號丙第五顆新一代北斗導航衛星(第二十一顆北斗導航衛星)

2016年3月30日4時11分

長征三號甲
第二十二顆北斗導航衛星
2016年6月12日23時30分長征三號丙
第二十三顆北斗導航衛星


衛星組成

發射日期

發射火箭

衛星

軌道類別

運行狀況

備註

2000.10.31

CZ-3A Y5

北斗-1A

廢棄衛星軌道

停止工作

北斗一號

2000.12.21

CZ-3A Y6

北斗-1B

廢棄衛星軌道

停止工作

2003.5.25

CZ-3A Y7

北斗-1C

地球靜止軌道 85.3°E

正常

2007.2.3

CZ-3A Y12

北斗-1D

廢棄衛星軌道

失效

2007.4.14

CZ-3A Y13

北斗-M1

中地球軌道~21500km

正常,測試星

北斗二號

2009.4.15

CZ-3C Y3

北斗-G2

35594 x 36036 km 漂移

失效

2010.1.17

CZ-3C Y2

北斗-G1

地球靜止軌道 140°E

正常

2010.6.2

CZ-3C Y4

北斗-G3

地球靜止軌道 84°E

正常

2010.8.1

CZ-3A Y16

北斗-I1

傾斜地球同步軌道傾角55°

正常

2010.11.1

CZ-3C Y5

北斗-G4

地球靜止軌道 160°E

正常

2010.12.18

CZ-3A Y18

北斗-I2

傾斜地球同步軌道 傾角55°

正常

2011.4.10

CZ-3A Y19

北斗-I3

傾斜地球同步軌道 傾角55°

正常

2011.7.27

CZ-3A Y17

北斗-I4

傾斜地球同步軌道 傾角55°

正常

2011.12.2

CZ-3A Y23

北斗-I5

傾斜地球同步軌道 傾角55°

正常

2012.2.25

CZ-3C Y6

北斗-G5

地球靜止軌道 58.5°E

正常

2012.4.30

CZ-3B Y14

北斗-M3

中地球軌道~21500km

正常

2012.4.30

CZ-3B Y14

北斗-M4

中地球軌道~21332km

正常

2012.9.19

CZ-3B Y15

北斗-M5

中地球軌道~21332km

正常

2012.9.19

CZ-3B Y15

北斗-M6

中地球軌道~21332km

正常

2012.10.25

CZ-3C Y

北斗-G6

地球靜止軌道 110.5°E

正常
2015.3.30CZ-3C北斗-I6
傾斜地球同步軌道 傾角55°
正常
2015.7.25CZ-3B北斗-M7
中地球軌道~21332km
正常
2015.9.30CZ-3B北斗-I7
傾斜地球同步軌道 傾角55°
正常
2016.2.21CZ-3C北斗-M8
中地球軌道~21332km
正常
2016.3.30CZ-3A北斗-I8
傾斜地球同步軌道 傾角55°
正常
2016.6.12CZ-3C北斗-G7
地球靜止軌道 58.5°E
正常

星座構成

北斗衛星導航系統由空間段計畫由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)。

序號

衛星

發射日期

火箭

運行軌道

使用狀況

狀態

1

北斗-M1

2007年04月14日

長征三號甲

中地球軌道,高度21559公里,傾角56.8°

試驗星未使用

M1

2

北斗-G2

2009年04月15日

長征三號丙

有誤差的地球靜止軌道,高度36027公里,傾角2.2°

失控未使用

G2

3

北斗-G1

2010年01月17日

長征三號丙

地球靜止軌道140.0°E,高度35807公里,傾角1.6°

使用中

G1

4

北斗-G3

2010年06月02日

長征三號丙

地球靜止軌道110.6°E,高度35809公里,傾角1.3°

使用中

G3

5

北斗-IGSO1

2010年08月01日

長征三號甲

傾斜地球同步軌道,高度35916公里,傾角54.6°

使用中

IGSO1

6

北斗-G4

2010年11月01日

長征三號丙

地球靜止軌道160.0°E,高度35815公里,傾角0.6°

使用中

G4

7

北斗-IGSO2

2010年12月18日

長征三號甲

傾斜地球同步軌道,高度35883公里, 傾角54.8°

使用中

IGSO2

8

北斗-IGSO3

2011年04月10日

長征三號甲

傾斜地球同步軌道,高度35911公里, 傾角55.9°

使用中

IGSO3

9

北斗-IGSO4

2011年07月27日

長征三號甲

傾斜地球同步軌道,高度35879公里, 傾角54.9°

使用中

IGSO4

10

北斗-IGSO5

2011年12月02日

長征三號甲

傾斜地球同步軌道,高度35880公里, 傾角54.9°

使用中

IGSO5

11

北斗-G5

2012年02月25日

長征三號丙

地球靜止軌道58.7°E,高度35801公里,傾角1.4°

使用中

G5

12

北斗-M3

2012年04月30日

長征三號乙

中地球軌道,高度21607公里,傾角55.3°

使用中

M3

13

北斗-M4

2012年04月30日

長征三號乙

中地球軌道,高度21617公里,傾角55.2°

使用中

M4

14

北斗-M5

2012年09月19日

長征三號乙

中地球軌道 ,高度21597公里,傾角55.0°

使用中

M5

15

北斗-M6

2012年09月19日

長征三號乙

中地球軌道,高度21576公里,傾角55.1°

使用中

M6

16

北斗-G6

2012年10月25日

長征三號丙

地球靜止軌道80.2°E,高度35803公里,傾角1.7°

使用中

G6

17北斗-I6
2015年3月30日長征三號丙
傾斜地球同步軌道 傾角55°
使用中IGSO6
18北斗-M7
2015年7月25日
長征三號乙
中地球軌道~21332km
使用中
MEO7
19北斗-I7
2015年9月30日
長征三號乙
傾斜地球同步軌道 傾角55°
使用中
IGSO7
20北斗-M8
2016年2月1日
長征三號丙
中地球軌道~21332km
使用中
MEO8
21北斗-I8
2016年3月30日
長征三號甲
傾斜地球同步軌道 傾角55°
使用中
IGSO8
22北斗-G7
2016年6月12日
長征三號丙
地球靜止軌道 58.5°E
測試中GEO7

地面段

系統的地面段由主控站、注入站、監測站組成。

北斗-M5衛星(2012-050A)的地北斗-M5衛星(2012-050A)的地

主控站用於系統運行管理與控制等。主控站從監測站接收數據並進行處理,生成衛星導航電文和差分完好性信息,而後交由注入站執行信息的傳送。

注入站用於向衛星傳送信號,對衛星進行控制管理,在接受主控站的調度後,將衛星導航電文和差分完好性信息向衛星傳送。

監測站用於接收衛星的信號,並傳送給主控站,可實現對衛星的監測,以確定衛星軌道,並為時間同步提供觀測資料。

用戶段

用戶段即用戶的終端,即可以是專用於北斗衛星導航系統的信號接收機,也可以是同時兼容其他衛星導航系統的接收機。接收機需要捕獲並跟蹤衛星的信號,根據數據按一定的方式進行定位計算,最終得到用戶的經緯度、高度、速度、時間等信息

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套用價值。

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,意味著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晶片的手機或車載衛星導航裝置找到你要走的路線。

氣象套用

北斗導航衛星氣象套用的開展,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套用對推動北斗導航衛星創新套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。

鐵路智慧型交通

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,實現傳統調度向智慧型交通管理的轉型。

海運和水運

海運和水運是全世界最廣泛的運輸方式之一,也是衛星導航最早套用的領域之一。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

當飛機在機場跑道著陸時,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尋救援。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慧型指導系統管理平台、牧民專用北鬥智慧型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慧型終端設備來指導放牧。

產業配套

北斗晶片

2012年12月27日,國家正式宣布北斗衛星導航系統試運行啟動,標誌著中國自主衛星導航產業發展進入嶄新的發展階段。其中,衛星導航專用ASIC硬體結合國產套用處理器的方案,成為北斗衛星導航晶片一項重大突破。該處理器由中國本土IC設計公司研發,具有完全自主智慧財產權並已實現規模套用,一舉打破了電子終端產品行業普遍採用國外處理器局面。

衛星導航終端中採用的導航基帶射頻晶片,是技術含量及附加值最高的環節,直接影響到整個產業的發展。在導航基帶中,一般通過導航專用ASIC硬體電路結合套用處理器的方案來實現。此前的套用處理器多選用國外公司ARM處理器晶片核,需向國外支付IP核使用許可費用的同時,技術還受制於人,無法徹底解決產業安全及保密安全問題。

而通過設立重大專項套用推廣與產業化項目等方式,北斗多模導航基帶及射頻晶片國產化現已實現,中國人自己的套用處理器也在北斗多模導航晶片中得到規模套用。

BD/GPS多模基帶晶片解決方案中,衛星導航專用ASIC硬體結合國產套用處理器打造出了一顆真正意義的“中國芯”。該套用處理器為國內完全自主開發的CPU/DSP核,包括指令集、編譯器等軟體工具鏈以及所有關鍵技術,均擁有100%的中國自主智慧財產權。其擁有國際領先水平的多執行緒處理器架構,可共享很多硬體資源,並在提供相當多核處理器處理能力的同時,節省晶片成本。

而基於該國產處理器衛星導航晶片方案的模組,是全球體積最小的BD/GPS雙模模組,具有定位精度高、啟動時間快及功耗低等特點。

與單純的北斗晶片廠商相比,手機晶片廠商對終端定位有著更深刻的理解,包括:基站輔助衛星定位技術、多種定位方案的融合、定位晶片與套用處理器或基帶處理器的集成等。積極扶持國內手機晶片廠商進入北斗晶片研發領域,並積極研發綜合定位解決方案,壯大完善北斗產業鏈。鼓勵國內手機晶片廠商開展與北斗晶片廠商的多樣化合作,共同推進手機終端北斗定位技術的套用。

檢測認證

2012年8月3日,解放軍總參謀部與國家認證認可監督管理委員會在北京舉行戰略合作協定簽約儀式。中國將用3年時間建立起一個“法規配套、標準統一、布局合理、軍民結合”的“北斗”導航檢測認證體系,以期全面提升“北斗”導航定位產品的核心競爭力,確保“北斗”導航系統運行安全。

“北斗”導航定位系統已經有11顆衛星在軌運行,擁有12萬軍民用戶。到2020年前,“北斗”導航定位系統衛星數量將達到30顆以上,導航定位範圍也將由區域拓展到全球,其設計性能將與美國第三代GPS導航定位系統相當。

隨著“北斗”導航定位系統的建設發展,“北斗”導航套用即將迎來“規模化、社會化、產業化、國際化”的重大歷史機遇,也提出了新的要求。按照軍地雙方簽署的協定,中國將在2015年前完成“北斗”導航產品標準、民用服務資質等法規體系建設,形成權威、統一的標準體系。同時在北京建設1個國家級檢測中心,在全國按區域建設7個區域級授權檢測中心,加快推動“北斗”導航檢測認證進入國家認證認可體系,相關檢測標準進入國家標準系列。

建立起“北斗”導航檢測認證體系,既是“北斗”系統堅持軍民融合式發展的具體舉措,也對創建“北斗”品牌,加速推進“北斗”產品的產業化、標準化起到重要作用。

覆蓋範圍

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°。北斗衛星系統已經對東南亞實現全覆蓋。

套用領域

北斗衛星導航系統提供定位、導航、授時服務,分為開放服務和授權服務兩種方式。

開放服務

任何擁有終端設備的用戶可免費獲得此服務,其精度為:

定位精度平面10米、高程10米

測速精度0.2米/秒

授時精度單向50納秒,開放服務不提供雙向高精度授時

授權服務

除了面向全球的免費開放服務外,還有需要獲得授權方可使用的服務,授權又分成不同等級,區分軍用和民用:

高精度:北斗衛星導航系統可以提供比開放服務更佳的精確度,需要獲得授權,其具體性能指標未知。

廣域差分:在亞太地區藉助與類似於廣域增強系統的廣域差分技術(廣域增強),根據授權用戶的不同等級,提供更高的定位精度,最高為1米。

信息收發:授權用戶可以北斗衛星導航系統還為提供信息的收發,即短報文服務,這項服務僅限於亞太地區。軍用版容量為120個漢字,民用版49個漢字。

套用狀況

截至2012年底,中國有約4萬艘漁船安裝了北斗衛星導航系統的終端,終端向手機傳送簡訊為3角人民幣,高峰時每月傳送70萬條。同時,中國有10萬輛車已安裝北斗的導航設備。

制約北斗導航民用的最大瓶頸是晶片價格,相對於GPS系統,北斗終端設備的晶片成本較高,若能夠廣泛生產和使用則可降低價格。

市場套用

國際套用

2013年5月22日至23日,國務院總理李克強訪問巴基斯坦期間,中巴雙方簽署有關北斗系統在巴使用的合作協定。日前,巴基斯坦媒體報導,中國北京北斗星通導航技術股份有限公司將斥資數千萬美元,在巴基斯坦建立地面站網,強化北斗系統的定位精確度。

其次,全國政協副主席、中國科學技術部部長萬鋼日前透露,2013年將中國在東協各國合作建設北斗系統地面站網。而根據中國衛星導航定位協會最新預測數據,到2015年,中國衛星導航與位置服務產業產值將超過2250億元,至2020年則將超過4000億元。

2014年7月26日,來自泰國、馬來西亞、汶萊、印度尼西亞、高棉、寮國、朝鮮、巴基斯坦等八個國家的19名學員代表赴武漢中國光谷北斗基地,參觀學習中國最新的北鬥技術。他們是由中國科技部國家遙感中心主辦的“2014北鬥技術與套用國際培訓班”的學員,均為各國衛星導航、遙感、地理信息系統、空間探測相關專業或從事相關管理工作的高級人員。活動為東協及亞洲地區國家提供了以北斗衛星導航系統為主的空間信息技術培訓,使中國北斗科技加快進入東協及亞洲國家。

國內示範

2014年11月,國家發展改革委批覆2014年北斗衛星導航產業區域重大套用示範發展專項,成都市、綿陽市等入選國家首批北斗衛星導航產業區域重大套用示範城市。

標準制定

北斗接收機國際通用數據標準的制修訂是北斗全球套用和產業發展的基礎性工作之一,與衛星導航接收機密切相關的RTCM差分系列標準、RINEX接收機交換數據格式、NMEA接收機導航定位數據接口等通用數據標準幾乎是世界上所有衛星導航接收機都必須遵守的通用標準。然而,全球有多個全球衛星導航系統(GNSS)接收設備技術標準制定組織,參與其中的中國企業和機構卻寥寥無幾。例如,成立於1947年的國際海事無線電技術委員會(RTCM)目前有130多個成員,卻只有2家中國企業成員。成立於1957年的美國國家海洋電子協會(NMEA),535個成員中只有1家中國企業成員。對於正式提供服務近兩年的北斗系統而言,參與國際標準的建設任重而道遠。

北斗衛星定位系統工作示意圖北斗衛星定位系統工作示意圖

全國北斗衛星導航標準化技術委員會於2014年成立,15項北斗套用基礎標準正在制定中,部分關鍵標準計畫在今年底對外發布。屆時,北斗系統將完成北斗產業鏈中標準規範關鍵環節的布局,北斗套用也將進入標準化、規範化以及通用化的快車道。

在國際方面,在中國民航局、交通部海事局、工信部科技司等部門指導下,依託中國航天標準化研究所、北京航空航天大學、交通部水運科學研究院、工信部電信研究院、武漢導航與位置服務工業技術研究院等科研院所,先後啟動了北斗系統進入國際民航、海事、移動通信、接收機通用數據標準等國際標準工作。經過各方協作和配合,北斗國際標準工作捷報頻傳。國際民航組織(ICAO)同意北斗系統逐步進入ICAO標準框架;國際海事組織(IMO)批准發布了《船載北斗接收機設備性能標準》,實現了北斗國際標準的‘零’突破,完成了北斗系統作為全球無線電導航系統(WWRNS)重要組成部分的技術認可工作,有望在今年底成為第三個被IMO認可的WWRNS;第三代移動通信標準化夥伴項目(3GPP)支持北斗定位業務的技術標準已獲得通過。北斗已經開啟了走向國際民航、國際海事、國際移動通信等高端套用領域的破冰之旅。

2014年9月8日至9日,國際海事無線電技術委員會第104專業委員會(RTCM SC-104)全體會議在美國佛羅里達州坦帕市會議中心召開,來自Trimble、Novatel、Geo++、USCG(美國海岸警衛隊)等全球20多個GNSS高精度知名企業(機構)和重要用戶單位的30多位專家代表與會。武漢導航與位置服務工業技術研究院和上海司南衛星導航技術有限公司組團參加,圓滿完成各項既定任務。

RTCM SC-104主要負責差分全球衛星導航系統(DGNSS)系列推薦標準的制修訂,以及參與接收機自主交換格式(RINEX)、接收機導航定位數據輸出接口協定(NMEA-0183)等國際通用數據標準的制修訂工作。該委員會由全球從事衛星導航設備生產、技術研發、系統服務的知名企業機構成員組成,下設GLONASS 、Galileo、RINEX、NMEA、BDS等工作組。武漢導航院為BDS工作組主席單位,北斗專項套用推廣與產業化專家組專家韓紹偉博士任BDS工作組主席。

會上,武漢導航院韓紹偉博士代表BDS工作組,向委員會全體會議匯報了對BDS NH碼的處理方法,澄清了對NH碼實現過程中因符號規則理解差異造成的差分解算失效、接收機無法兼容等問題,給出了解決方案並獲得委員會一致通過。該問題的解決打消了國際社會對BDS高精度可靠套用的疑慮,對促進北斗高精度全球套用具有重要作用。另外,韓紹偉博士代表BDS工作組就BDS導航電文數據組識別符的研究進展向委員會全體會議進行了匯報,對其組成、產生、判別方法等進行了探討,該識別符是BDS實現可靠實時差分套用的重要因素,也是北斗進入RTCM差分標準的關鍵參數。BDS工作組將就該問題繼續與有關各方深入合作,尋求最終解決方案。

最後,BDS工作組提議2015年5月11-12日在中國西安召開RTCM SC104全體會議,並邀請專家參加2015年5月13-15日在中國西安召開的第六屆中國衛星導航學術年會(CSNC2015),該提議獲得委員會成員的通過。這是中國首次獲得RTCM SC104全體會議主辦權,標誌著以中國企業為主體推動北斗加入 RTCM 、RINEX、NMEA等國際通用數據標準工作得到國際認可,顯示了國際社會對北斗高精度全球套用的期待和信心,必將有助於加速北斗進入系列國際通用數據標準工作。

國際認可

中國北斗衛星已獲聯合國正式認可 可媲美GPS

在2014年11月17日至21日的會議上,聯合國負責制定國際海運標準的國際海事組織海上安全委員會,正式將中國的北斗系統納入全球無線電導航系統。這意味著繼美國的GPS和俄羅斯的“格洛納斯”後,中國的導航系統已成為第三個被聯合國認可的海上衛星導航系統。專門研究中國太空項目和信息戰爭的加州大學專家凱文·波爾彼得表示,北斗系統能在其覆蓋範圍內提供足夠精確的定位信息。

社會評價

中國的衛星導航系統已獲得國際海事組織的認可。這是該系統向其目標邁出的重要一步:被全世界接受,可媲美美國全球定位系統(GPS)。

在2014年11月17日至21日的會議上,聯合國負責制定國際海運標準的國際海事組織海上安全委員會,正式將中國的北斗系統納入全球無線電導航系統。這意味著繼美國的GPS和俄羅斯的“格洛納斯”後,中國的導航系統已成為第三個被聯合國認可的海上衛星導航系統。專門研究中國太空項目和信息戰爭的加州大學專家凱文·波爾彼得表示,這是“承認北斗系統能在其覆蓋範圍內提供足夠精確的定位信息”。