北斗三號(hào)收官專題丨原來(lái)北斗是這樣的系統(tǒng)

對(duì)北斗系統(tǒng)有一定了解的朋友應(yīng)該都知道，北斗系統(tǒng)分別由空間段、運(yùn)控段以及用戶段組成，外加一個(gè)環(huán)境段。

• 空間段：北斗三號(hào)空間段由30顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道(GSO)衛(wèi)星和24顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星；
• 運(yùn)控段：主控站、注入站、監(jiān)測(cè)站等30余個(gè)地面站；
• 用戶段：北斗終端、與其他導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端，以及相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。

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 北斗三號(hào)收官專題丨北斗靠什么來(lái)“推前浪”

與當(dāng)前主流的GNSS系統(tǒng)一樣，北斗系統(tǒng)也提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)（PNT體系）服務(wù)，但作為GNSS系統(tǒng)的優(yōu)秀后浪，北斗系統(tǒng)以其特色成為了當(dāng)前最復(fù)雜的系統(tǒng)。

當(dāng)前的北斗系統(tǒng)（BDS），不僅是北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)與北斗三號(hào)全球系統(tǒng)過(guò)渡性組合，還是融合GEO、IGSO、MEO 3種軌道類型的復(fù)雜星座。

待北斗三號(hào)實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)，北斗三號(hào)的在軌衛(wèi)星將達(dá)到30顆，是GNSS中額定星座中最大的星座。而北斗三號(hào)的性能也會(huì)得到進(jìn)一步的提高。

• 完全工作的北斗二號(hào)系統(tǒng)提供授權(quán)、公開(kāi)、廣域差分(星基增強(qiáng))和短報(bào)文等四種服務(wù)，定位精度優(yōu)于10米，授時(shí)精度優(yōu)于20納秒，測(cè)速精度為每秒0.2米。
• 組網(wǎng)成功的北斗三號(hào)系統(tǒng)，空間信號(hào)測(cè)距誤差優(yōu)于0.5m，其定位精度單頻測(cè)量為7m，雙頻測(cè)量為3m，測(cè)速精度0.2m/s,授時(shí)精度20ns.可用性99%。

值得一提，北斗三號(hào)系統(tǒng)在亞太區(qū)域的服務(wù)性能將明顯優(yōu)于全球性能。

而北斗三號(hào)系統(tǒng)與目前其他GNSS系統(tǒng)相比最大的特色，便是短報(bào)文的服務(wù)，即區(qū)域短信息通信服務(wù)和全球短信息通信服務(wù)。這個(gè)源于有源系統(tǒng)的特色服務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域和全球的短信息通信服務(wù)。

同樣理由，北斗三號(hào)把全球基本服務(wù)系統(tǒng)與區(qū)城(星基)增強(qiáng)系統(tǒng)組合在一起，同時(shí)具備中地球軌道(MEO)、地球靜止軌道（GEO)和傾斜地球同步軌道(GSO)三種軌道形式的組合，也成為未來(lái)導(dǎo)航與通信融合衛(wèi)星的一種先驅(qū)性探索。

北斗一號(hào)系統(tǒng)，官方的定義是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)的北斗一號(hào)系統(tǒng)，由三顆定位衛(wèi)星（兩顆工作衛(wèi)星、一顆備份衛(wèi)星），利用有源定位為用戶提供定位服務(wù)。校準(zhǔn)精度20米，未校準(zhǔn)精度100米。

北斗一號(hào)系統(tǒng)的三顆衛(wèi)星均為地球靜止同步軌道衛(wèi)星（GEO），距地面約為36000公里。北斗一號(hào)的地面中心站的出站(地面中心站到衛(wèi)星、衛(wèi)星到用戶機(jī)或者標(biāo)校站)、入站信號(hào)(衛(wèi)星到地面中心站、用戶機(jī)或者標(biāo)校站到衛(wèi)星)采用多種不同的頻率。

使用有源定位的北斗一號(hào)，其定位原理是，采用地面中心站的中心計(jì)算機(jī)根據(jù)已知準(zhǔn)確位置的兩顆地球同步衛(wèi)星為球心以衛(wèi)星到用戶的距離為半徑(用詢問(wèn)和應(yīng)答信號(hào)測(cè)量得到，并可以用標(biāo)校站信息消除誤差)構(gòu)造兩個(gè)球面，以地球的半徑加上用戶的高程為半徑(高程數(shù)據(jù)庫(kù)提供)構(gòu)造第三個(gè)球面，計(jì)算出這三個(gè)球面在地球的交會(huì)點(diǎn)(消除其鏡象點(diǎn))即為用戶的位置，這就是“三球交會(huì)測(cè)量原理”。

此時(shí)的定位精度不高，而且可服務(wù)的區(qū)域極為有限。

北斗一號(hào)的性能：

• 服務(wù)功能：定位、單雙向授時(shí)、短報(bào)文通信；
• 服務(wù)區(qū)域：中國(guó)及周邊地；
• 定位精度：優(yōu)于20米；
• 授時(shí)精度：單向100納秒，雙向20納秒；
• 短報(bào)文通信：120個(gè)漢字/次。

相比只可為中國(guó)地區(qū)服務(wù)的北斗一號(hào)，北斗二號(hào)可以為亞太地區(qū)用戶提供衛(wèi)星定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。包括授權(quán)服務(wù)、公開(kāi)服務(wù)、廣域差分服務(wù)及位置報(bào)告服務(wù)四種類型。

其中在我國(guó)及周邊地區(qū)，北斗二號(hào)系統(tǒng)可為用戶提供定位精度1米的廣域差分服務(wù)和授權(quán)用戶的短報(bào)文通信服務(wù)。

在位置報(bào)告服務(wù)中，為提高用戶容量，降低發(fā)射功率，將目前RDSS模式的雙重覆蓋為單重覆蓋，雙星工作改為三星工作，即“三收單發(fā)”的工作模式，以滿足快速定位與位置報(bào)告的要求。

與此同時(shí)，北斗二號(hào)系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了RNSS/RDSS的應(yīng)用集成以及多系統(tǒng)兼容和互操作應(yīng)用。

所謂RNSS/RDSS集成，是在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星和運(yùn)控系統(tǒng)中集成RNSS與RDSS兩種業(yè)務(wù)，使用戶既可以不發(fā)射響應(yīng)信號(hào)，自主完成連續(xù)定位、測(cè)速任務(wù)，又可根據(jù)需要進(jìn)行RDSS方式的位置報(bào)告，以及用戶跟蹤識(shí)別和短電文通信。

所謂多系統(tǒng)兼容和互操作，指的是北斗的導(dǎo)航可與其他GNSS系統(tǒng)同時(shí)共同使用而不相互干擾。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間互操作能力是指各種GNSS系統(tǒng)民用信號(hào)的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)能夠共同使用，并可使用戶獲得優(yōu)于各獨(dú)立系統(tǒng)所提供信號(hào)的服務(wù)性能。

北斗二號(hào)的性能：

• 主要功能：定位、測(cè)速、單雙向授時(shí)、短報(bào)文通信；
• 服務(wù)區(qū)域：中國(guó)及部分亞太地區(qū)；
• 定位精度：優(yōu)于10m；
• 測(cè)速精度：優(yōu)于02m/s；
• 授時(shí)精度：50ns(雙向10ns)；
• 短報(bào)文通信：120個(gè)漢字/次。

隨著北斗系統(tǒng)的應(yīng)用與服務(wù)不斷地深入拓展，北斗將逐步成為信息時(shí)代社會(huì)的生產(chǎn)方式、生活方式和生態(tài)方式，成為時(shí)空信息服務(wù)的主力軍。 

導(dǎo)航信號(hào)在北斗系統(tǒng)的重要性不言而喻，在布局北斗全球的同時(shí)，我國(guó)也在對(duì)北斗全球系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)，并出現(xiàn)了多種具有北斗特色的創(chuàng)新技術(shù)。

為了提供與其它系統(tǒng)更好的互操作能力，BDS全球系統(tǒng)的民用信號(hào)B1C的中心頻率設(shè)在1575.42MHz,與GPSL1和 Galileo E1頻點(diǎn)重疊可以預(yù)計(jì)，未來(lái)各系統(tǒng)在該頻點(diǎn)的公開(kāi)服務(wù)信號(hào)都將會(huì)是主要的民用導(dǎo)航定位業(yè)務(wù)的承載信號(hào)。

在BC信號(hào)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，既需要與同一頻點(diǎn)其他信號(hào)滿足射頻兼容性要求，保證與GPS L1C信號(hào)和 Galileo E1OS信號(hào)的互操作能力，又應(yīng)盡量具有高的測(cè)距精度和穩(wěn)健性，同時(shí)支持多種不同的接收處理策略。

而QMBOC將BOC(1.1)信號(hào)與BOC(6,1)信號(hào)分量分別調(diào)制在載波的兩個(gè)彼此正交的相位上，不僅避免了兩分量之間互相關(guān)分量的影響，而且規(guī)避 TMBOC以及CBOC的專利問(wèn)題QMBOC的功率譜與 TMBOC相同，并且同樣可以采用類BOC(1,1)的低復(fù)雜度接收模式以及高性能匹配接收模式，與GPS和 Galileo系統(tǒng)在同一頻段的公開(kāi)服務(wù)信號(hào)有很好的兼容性與互操作性。

為了支持與GPS L5和 Galileo E5之間的互操作，北斗全球系統(tǒng)將在B2頻段的兩個(gè)中心頻點(diǎn)——B2a和B2b上播發(fā)寬帶信號(hào)。

時(shí)分 AltBOc( TD-AltBOC)，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種調(diào)制技術(shù)，為了降低發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，其每一邊帶的數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻分量采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)形成一路二值信號(hào)，之后使用2分量ABOC技術(shù)，進(jìn)行合并發(fā)射。

非對(duì)稱恒包絡(luò)BOC( ACE-BOC)同樣是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且滿足北斗B2頻點(diǎn)信號(hào)設(shè)計(jì)要求的新技術(shù)，其數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻分量正交放置，組成信號(hào)分量支持任意的功率配比，具有很高的設(shè)計(jì)靈活性。相比于 ACE-BOC, TD-AltBOC的發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。

雙QPSK是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星上復(fù)用技術(shù)，能夠解決B3頻點(diǎn)兩個(gè)BOC和QPSK在星上發(fā)射機(jī)中等功率合并的需求，其中BOC(15,25)有正交的數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻通道。推廣的雙QPSK能夠?qū)`活控制合并信號(hào)的功率能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)類QPSK信號(hào)的任意功率比恒包絡(luò)合并，且能得到優(yōu)化的解析實(shí)現(xiàn)和最大化的功率效率，解決B3頻點(diǎn)平穩(wěn)過(guò)渡的需求。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)框架采用中國(guó)2000大地坐標(biāo)系統(tǒng)CGCs2000)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)為北斗時(shí)(BDT)。

北斗系統(tǒng)的時(shí)間系統(tǒng)，采用北斗時(shí)(BDT)。BDT采用國(guó)際單位制(SD秒為基本單位連續(xù)累計(jì)，不間秒，起始?xì)v元為2006年1月1日協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)00時(shí)00分00秒，采用周和周內(nèi)秒計(jì)數(shù)。BDT通過(guò)UTC(NTSC)與國(guó)際UTC建立聯(lián)系，BDT與UTC的偏差保持在100納秒以內(nèi)(模1秒)。BDT與UTC之間的閏秒信息在導(dǎo)航電文中播報(bào)。

北斗就是這樣一個(gè)創(chuàng)新性十足的系統(tǒng)，其不可限量的價(jià)值在于其占領(lǐng)時(shí)間空間這種全局性、基礎(chǔ)性、持續(xù)性和關(guān)鍵性科技制高點(diǎn)。對(duì)于北斗的研究與創(chuàng)新，永遠(yuǎn)都會(huì)是一個(gè)極具價(jià)值的課題！