北斗卫星导航系统

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。“北斗”的字面意思为“位于北方的斗”，这是中国古代天文学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。

早期研究

20世纪70年代，中国开始研究卫星导航系统的技术和方案，但之后这项名为“灯塔”的研究计划被取消。 
1983年，中国航天专家陈芳允提出使用两颗静止轨道通信卫星，配合地面高度座标实现区域性的导航。1989年，中国使用通信卫星先进行试验，验证了其可行性，之后的北斗卫星导航试验系统即基于此方案。

试验系统上线

1991年海湾战争中，美军利用GPS导引炸弹的战果令解放军印象深刻，中国加速投入自建卫星导航的规划，三年后的1994年，中国正式开始北斗卫星导航试验系统（北斗一号）的研制，并在2000年发射了两颗静止轨道卫星，区域性的导航功能得以实现。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。

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。由此，人们相信中国的北斗系统只会用于自己的武装力量。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，之前的投资没有得到任何回报，将推出北斗二代与伽利略定位系统竞争。

东盟各国加入合作

中国科学技术部部长万钢在2013年1月19日中国科技工作会议上透露，2013年将积极实施“中国东盟科技伙伴计划”，启动“中国-东盟联合实验室”、“中国-东盟技术转移中心”建设，在东盟各国合作建设北斗系统地面站网。

全球组网

2015年9月30日，第20颗北斗导航卫星准确飞入地球倾斜同步轨道。这颗北斗卫星会和两个多月前发射的北斗双星实现"空间对话"，测试导航信号，并进行中轨道和高轨道间的星间链路试验，这种异轨道面间的试验是北斗系列的首次。

北斗一号

北斗卫星导航试验系统又称为北斗一号，是中国的第一代卫星导航系统，即有源区域卫星定位系统，1994年正式立项，2000年发射2颗卫星后即能够工作，2003年又发射了一颗备份卫星，试验系统完成组建，该系统服务范围为东经70°－140°，北纬5°－55°。在卫星的寿命到期后（设计值8年），系统已停止工作。

性能

北斗卫星导航试验系统于2000年能够使用后，其定位精度100米，使用地面参照站校准后为20米，与当时的全球卫星定位系统民用码相当。系统用户能实现自身的定位，也能向外界报告自身位置和发送消息，授时精度20纳秒，定位响应时间为1秒。
由于是采用少量卫星实现的有源定位，该系统成本较低，但是系统在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制。另外该系统无测速功能，不能用于精确制导武器。因而与可能的冲突中，使用正式系统乃是必要的，不能当作备用。

北斗二号

服务于亚太的北斗卫星导航系统也被称为北斗二号，是中国的第二代卫星导航系统，英文简称BDS，曾用名COMPASS，“北斗卫星导航系统”一词一般用来特指第二代系统。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与全球定位系统相似。在计划中，整个系统将由16颗卫星组成，其中6颗是静止轨道卫星，以与使用静止轨道卫星的北斗卫星导航试验系统兼容。其总设计师为孙家栋。
北斗从其试验系统开始就有其军事目的，其正式系统也是一个军民两用的系统。项目的主要参与者为中国人民解放军总参谋部、总装备部、国家国防科技工业局、中国科学院、中国航天科技集团公司、中国电子科技集团公司、国防科技大学。截至2012年，中国为试验系统和覆盖亚太的正式系统共花费了数百亿人民币，为了实现覆盖全球的目标，还将投入四五百亿以上。

亚太服务

北斗卫星导航系统的建设于2004年启动，2011年开始对中国和周边提供测试服务，2012年12月27日起正式提供卫星导航服务，服务范围涵盖亚太大部分地区，南纬55度到北纬55度、东经55度到东经180度为一般服务范围。该导航系统提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速、授时服务，定位精度为25米，测速精度0.2米/秒，授时精度50纳秒，在服务区的较边缘地区精度稍差。授权服务则是向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时、通信服务以及系统完好性信息，这类用户为中国军队和政府等。由于该正式系统继承了试验系统的一些功能，能在亚太地区提供无源定位技术所不能完成的服务，如短报文通信。

北斗三号

北斗卫星导航系统计划在2020年完成对全球的覆盖，为全球用户提供定位、导航、授时服务，中国将发射大量的中地球轨道卫星，同时因为现有系统的卫星寿命也会到期，也将会在2020年前完成替换。中国原计划在2014年发射一颗试验星，以验证全球系统建设中的关键技术。但实际到2015年才开始发射新一代卫星。

系统构成

北斗卫星导航系统由空间段、地面段、用户段组成。

用户段

用户段即用户的终端，即可以是专用于北斗卫星导航系统的信号接收机，也可以是同时兼容其他卫星导航系统的接收机。接收机需要捕获并跟踪卫星的信号，根据数据按一定的方式进行定位计算，最终得到用户的经纬度、高度、速度、时间等信息。

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。除了这些信息外，地面控制中心还有一个数据库，为地球表面各点至地球球心的距离，当认定用户也在此不均匀球面的表面时，三球交汇定位的条件已经全部满足，控制中心可以计算出用户的位置，并将信息发送到用户的终端。北斗的试验系统完全基于此技术，而之后的北斗卫星导航系统除了使用新的技术外，也保留了这项技术。
当卫星导航系统使用无源时间测距技术时，用户接收至少4颗导航卫星发出的信号，根据时间信息可获得距离信息，根据三球交汇的原理，用户终端自行可以自行计算其空间位置。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

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。
电磁波以30万千米/秒的光速传播，在测量卫星距离时，若卫星钟有一纳秒（十亿分之一秒）时间误差，会产生三十厘米距离误差。尽管卫星采用的是非常精确的原子钟，也会累积较大误差，因此地面工作站会监视卫星时钟，并将结果与地面上更大规模的更精确的原子钟比较，得到误差的修正信息，最终用户通过接收机可以得到经过修正后的更精确的信息。当前有代表性的卫星用原子钟大约有数纳秒的累积误差，产生大约一米的距离误差。
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。

卫星制造与发射

因为需要一定数量的卫星才能提供质量可靠的导航服务，从卫星的寿命方面考虑，若发射间隔过久，则后续卫星发射时，可能早期的卫星已近退役，所以北斗的卫星需要在短时间发射，中国在3年的时间内共发射了14颗北斗卫星，这是中国首次使用“一次设计，组批生产”的方式对卫星快速批量生产。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叫做北斗时，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。
北斗试验系统的卫星原子钟是由瑞士进口，北斗二号的星载原子钟逐渐开始使用中国航天科工二院203所提供的国产原子钟。北斗的卫星系统总设计师杨慧在2012年表示，北斗已经开始全部使用国产原子钟，其性能与进口产品相当。

应用

北斗卫星导航系统提供定位、导航、授时服务，分为开放服务和授权服务两种方式。

应用状况

截至2012年底，中国有约4万艘渔船安装了北斗卫星导航系统的终端，终端向手机发送短信为3角人民币，高峰时每月发送70万条。同时，中国有10万辆车已安装北斗的导航设备。
制约北斗导航民用的最大瓶颈是芯片价格，相对于GPS系统，北斗终端设备的芯片成本较高，若能够广泛生产和使用则可降低价格。
2014年12月，央视在探讨东风-41型弹道导弹的节目中由评论员表示，北斗卫星的军用信号基本已经全球覆盖(可能是持续式或机动式覆盖)，并且可让解放军的多弹头洲际导弹接收信号，从集束式迈向分导式多弹头，分裂后的每一个子弹头都有导向能力可变轨飞向目标。
2015年2月，央视报导电子公车站牌已经接入北斗定位，上海近4千辆公车已经完成配备，站牌使用太阳能供电。
2018年中国国内卫星导航产业产值已超过人民币3000亿元，支持北斗三号新信号的，28nm工艺射频基带一体化SoC芯片，已在物联网和消费电子领域得到广泛应用。最新的22nm工艺双频定位芯片已具备市场化应用条件，全频一体化高精度芯片正在研发，北斗芯片性能将再上一个台阶。据统计，国产北斗导航型芯片模块累计销量已突破8000万片，高精度板卡和天线销量已占据国内30%和90%的市场份额，并输出到100余个国家和地区。北斗系统现已广泛应用于交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等领域，融入国家核心基础设施，已产生显著的经济效益和社会效益。
交通运输方面，北斗系统广泛应用于重点运输过程监控、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度等领域。截至2019年4月，国内超过620万辆营运车辆、3万辆邮政和快递车辆，36个城市的约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施已应用北斗系统，建成全球最大的营运车辆动态监管系统，有效提升了管理效率和道路运输安全水平。
农林渔业方面，基于北斗的农机作业监管平台，已实现农机远程管理与精准作业，服务农机设备超过5万台，精细农业产量提高5%，农机油耗节约10%。定位与短报文通信功能更是发挥突出作用，全国7万余艘渔船和执法船安装北斗终端，累计救助1万余人。
减灾救灾方面，目前已建成部、省、市（县）3级平台，实现6级业务应用，推广北斗终端超过4.5万台。受灾地区利用北斗短报文功能，及时上报灾害位置、突发灾害信息及灾区救助信息等。各级民政部门通过北斗终端进行救灾物资的查询管理和监控，大幅提升全国救灾物资管理与调运水平。
国内外主流芯片厂商均推出兼容北斗系统的通导一体化芯片。据统计，2019年第一季度，在中国市场申请进网的手机有116款具有定位功能，其中支持北斗定位的有82款，北斗定位支持率达到70%。支持北斗系统的手表、手环等智能穿戴设备，以及学生卡、老年卡等特殊关爱产品不断涌现，得到广泛应用。此外，北斗系统还广泛应用到印度尼西亚土地确权、科威特建筑施工、乌干达国土测试、缅甸精准农业、马尔代夫海上打桩、泰国仓储物流、巴基斯坦机场授时以及俄罗斯电力巡检等多国不同领域。