日前北斗方面宣布，“北斗”卫星导航系统于去年底正式向亚太大部分地区提供连续无源定位、导航、授时等服务。
自“北斗”卫星导航系统提供试运行服务以来，该系统运行稳定，已逐步拓展到交通运输、气象、渔业、林业、电信、水利、测绘等应用领域，产生了显著的经济、社会效益。在中国科协与中国航天科技集团五院联合举办的“科学家与媒体面对面再次走近‘北斗活动中，权威专家介绍了有关“北斗”导航的奥秘。
空间段、地面段、用户段
导航系统分三部分
卫星导航系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。其中空间段由分布在不同轨道的14颗卫星组成，即由5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星组成“北斗”区域性导航卫星星座。在这个星座中，5颗地球静止轨道卫星+5颗倾斜地球同步轨道卫星是核心，一旦有卫星失效或者处于在轨维修状态，4颗中圆轨道卫星可以起到部分替代作用。“北斗”导航卫星总设计师杨慧表示，对于限定区域的服务区而言，“5+5+4”的混合星座结构具有最佳的“鲁棒性”(即稳健性)和经济性，最符合“少花钱多办事”的原则。
地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。而用户段由北斗用户终端以及与其它导航系统相互兼容的终端组成。
“北斗”区域卫星导航系统的主要功能是：定位、测速、单双向授时、短报文通信;服务区域为中国及部分亚太地区;定位精度优于10米;测速精度优于0.2米/秒;授时精度50纳秒;短报文通信120个汉字/次。
多普勒测速导航、时间距离导航
卫星导航方法有两种
卫星导航的方法有两种，一种是多普勒测速导航，另一种是时间距离导航。
所谓多普勒测速导航的原理是，导航卫星发出的无线电频率是不变的，但由于导航卫星在高速运动，相对地面的观测者来说，频率会发生变化。由远而近时，频率会增高;由近而远时，频率会降低，这与我们站在铁路旁听火车汽笛声一样，由远而近时，声音越来越尖锐;由近远去时，声音越来越低沉。这种现象被称为多普勒效应。飞机、轮船、车辆等用户，通过测量导航卫星无线电波的多普勒频移，就可以推算自己与导航卫星之间的距离变化率。
所谓时间距离导航的原理是，用户通过测量从导航卫星发出的导航信号的传播时间，推算自己与导航卫星之间的距离，从而确定自己的瞬时所在位置。
目前，卫星导航系统已经发展到第二代，第一代采用多普勒测速定位，而第二代采用时间测速导航定位。
卫星导航系统又分有源(主动式)和无源(被动式)两种，区别在于，前者的用户端需要主动发出信号，而后者的用户端只需被动接收信号。
全球导航网至少需要18颗星
高精度定位要同时看到4颗星
卫星导航的精度是由卫星的数量决定的。如果导航对象同时只能观测到一颗卫星，根据卫星和自身的相对运动轨迹来判断自身的位置，那么，精确的定位往往要持续一段时间才能做出。由于这期间导航对象处于运动中，导航精度就必然产生很大的误差。在卫星数量少的情况下，高精度的定位必须在停止运动的情况下才能做出，显然这是不现实的。
根据卫星导航原理，最基本的全球导航网至少需要18颗卫星来维持，再加上必要的候补卫星，同时要有近30颗卫星在轨，才能可靠地对全球99%以上的地区提供导航信号。
如此之多的导航卫星，可以在天空没有遮挡的情况下，保证地球上的用户任何时候都能接收到来自4颗卫星的信号。每个信号源都可以测出从卫星到用户的时间，再乘以光速(无线电波的速度)就是到卫星的距离。根据简单的数学原理，两个球面交会于弧线，三个球面交会于点，所以同时取得三个卫星信号就能够确定任何一点的坐标。为了保证用户的时钟和卫星时钟一致，第四个卫星信号可以用来校正系统时间，于是4个卫星信号就可以保证高精度的定位。再通过对卫星信号变化率的测量，用户就能知道当下的运行方向和速度。
引力变化、太阳影响、相对论效应
计算卫星轨道极其复杂
卫星的轨道数据是预先设定好的，但也在缓慢变动，所以，任何一个时刻卫星的位置也是个变量。为了保证三个“球面”的球心位置准确，卫星发送的导航信号实际上是一段内容丰富的电文，向用户随时通报卫星的位置。
卫星本身不具备计算能力，所以分布在全球的测控站必须随时监测卫星的运行，根据各种环境的微小变化来计算轨道，再把轨道信息传递给卫星，由卫星传送给用户。在计算中，地球各部分引力的微小变化、太阳活动对电离层的影响，甚至卫星高速运动带来的相对论效应都必须纳入考虑。如果没有丰富的地球物理数据以及强大的计算、通讯能力，卫星导航的数据很快就会被误差淹没。
由此可见，建设卫星导航系统不仅需要具备卫星组批生产、发射，更需要具备多方面的技术做后盾，同时还需要足够的资金来保证。因此，能够建设卫星导航系统的国家如同凤毛麟角。
延伸阅读
“北斗”可兼容其它导航系统
“北斗”是世界上首个集定位、授时和短报文通信为一体的卫星导航系统。免费发送短报文是“北斗”独有的一种重要功能，短短的120个字在很多时候是“救命”的法宝。通过GPS，用户只能知道“自己在哪”。但是通过“北斗”，用户还能让别人知道“自己在哪”。把导航与通信紧密结合起来，很适用于交通运输、调度指挥、搜索营救等需要把导航与移动数据通信相结合的用户。
其另一大特点是它与别的卫星导航系统之间具有兼容与互操作。卫星导航系统有其脆弱性，单一的导航系统易被干扰、遮蔽，采用GPS+“北斗”的双卫星导航系统可以提高系统的可用性和导航精度。据介绍，GPS在亚太地区的覆盖率一般只能达到60%~70%，如果加上“北斗”后覆盖率可以达到80%以上，从而能提高卫星导航的可用性，并使导航精度提高20%左右，比如，在GPS导航精度1米的地方，同时融合“北斗”的数据后，导航精度能达到大约0.8米。
与GPS相比，“北斗”的首次定位速度和授时精度都表现出更好的优越性。“北斗”卫星导航系统结网完成后，系统用户定位，电文通信和位置报告只需要几秒钟，而GPS首次定位却需要1至3分钟。
前景展望
2020年“北斗”将覆盖全球
具有定位和授时功能的卫星导航与互联网、移动通信已成为21世纪信息技术领域的三大技术之一，是当今社会重要的空间信息基础设施。我国卫星导航系统建设分三个阶段实施：
第一阶段是用少量地球静止轨道卫星来完成试验任务，即建设一个区域性有源卫星导航系统。我国在1994年启动了“北斗”卫星导航试验系统建设，2000年形成了区域有源服务能力。
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