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北斗卫星导航系统定位原理及其应用

北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两

颗工作卫星、2颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的

地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二

十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，北斗导航系

统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。美国的GPS三维定位精度P码

目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日

前约20ns。。

北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。四颗导航定位卫

星的发射时间分别为：2000年10月31日；2000年12月21日；2003年5月

25日，2007年4月14日，第三、四颗是备用卫星。2008年北京奥运会期间，

它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定位系统一起，发

挥‚双保险‛作用。北斗一号卫星定位系统的英文简称为BD，在ITU（国际电信联

合会）登记的无线电频段为L波段（发射）和S波段（接收）。北斗二代卫星

定位系统的英文为Compass（即指南针），在ITU登记的无线电频段为L波段。

北斗一号系统的基本功能包括：定位、通信（短消息）和授时。北斗二代系统

的功能与GPS相同，即定位与授时。

其工作原理如下：‚北斗一号‛卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及

用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个

球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储

在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球

基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三

维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。‚北斗一号‛的覆盖范围是北纬

5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。

其定位精度为水平精度100米(1σ，)设立标校站之后为20米(类似差分状

态)。工作频率：2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。

双星定位不同于‚多星‛定位，‚一代北斗‘’只用双星定位，比GPS等投资小、

建成快，‛范本尧说这是我国国情决定的，也对一代‚北斗‛的技术路线提出了特殊

的要求，‚所以我们的定位系统具有自己的特点。‛

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二代‚北斗‛可称‚中国的GPS‛。‚我国发展二代北斗‘’不会采取一步到位的方

式，也不会停掉一代，另外发展二代，‛范本尧说，‚我们会在一代的基础上不断

补充卫星数，增加其功能，提高其整体水平。‛这位将继续承担二代‚北斗‛设计工

作的科学家说：‚二代北斗‘’可以称为中国的‘GPS’，不过它仍然会比GPS多一个

通讯为发展我国二代‚北斗‛的关键技术提供了准备。范本尧举例说，此次定位的‚

北斗‛一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器，能够参照其他星，

把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功，表明这种

技术是有效而可靠的。这样，当我们不断发射新的卫星构建二代‚北斗‛体系时，

众多卫星就会找准自己的位置，构成符合标准的网络。此外，‚北斗‛一号的3颗

星寿命都是8年，专家正不断研究，预计下一次发射的卫星寿命就能达到10年

左右了；而目前GPS卫星的寿命都是12年左右，GLONASS卫星的寿命则是3到

5年。

北斗卫星的工作流程如图2所示，地面控制中心向卫星I和卫星II同时发送

询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询

问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心

控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户申请的服务内容进行相应

的数据处理。

对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询

问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星

转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫

星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。

由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，可以由上述两个延迟量计算

出用户