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北斗卫星导航系统（BDS）是中国自主建设、独立运行，与世界其他卫星导航系统兼容的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。按照北斗卫星导航系统建设的“三步走”战略规划，第一步是试验阶段，即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务，为北斗卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，研制一些地面应用基础设施等，建成北斗一号系统（BDS-Ⅰ）；第二步是到2012年，建成覆盖亚太区域的北斗卫星导航定位系统，即北斗二号区域系统（BDS-Ⅱ）；第三步是到2020年，建成由5颗地球静止轨道卫星和30颗地球非静止轨道卫星组网形成的北斗三号全球卫星导航系统（BDS-Ⅲ）。
北斗一号系统（BDS-Ⅰ）解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。从2000年开始，我国北斗一号系统由两颗地球静止轨道卫星（2000-10-31，BD-1A，140°E；2002-12-21，BD-1B，70°E）、一颗在轨备份卫星、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。地面中心控制站是定位信息处理中心，两颗地球同步轨道卫星形成东经70°～145°、北纬5°～55°的区域覆盖。该系统给移动用户提供导航、定位，双向简短数据通信、定时（授时）等多种功能，其工作过程如下：
①中心处理系统与本地北斗时（BDT）同步产生出站询问信号。
②无线定位卫星（GEO）连续转发中心处理系统的问询和测量信号。
③用户终端测量两颗GEO（RDSS）卫星信号的时差值，在RDSS卫星指定时刻发射入站信号，将时差测量值传回中心处理系统。
④中心处理系统根据用户设备的入站信号，获得中心处理系统（RDSS卫星）用户终端的双向距离和两颗RDSS卫星信号的时差。
⑤利用双向距离完成用户双向定时，确定用户钟差。其基本原理为双向卫星中继无线电伪距同步，利用GEO卫星转发器实现地球站间时间同步。
⑥利用钟差修正用户观测伪距。
⑦使用电离层误差和直接格网数据进行电离层修正，或利用回传的所有可见星观测数据，计算用户对可见星的穿刺点，解算不同穿刺点的电离层延迟，进而可内插出用户的电离层延迟。
⑧从地理高程库查得用户所在点的大地高程数据。
⑨中心处理系统根据修正后的伪距和高程值组成三维位置解算方程组，通过查图迭代计算来实现用户定位并给出位置报告。
BD-1星地通信过程示意图如图1-11所示。
图1-11 BD-1星地通信过程示意图
BDS定位采用三球交会原理：两颗卫星为地球同步轨道卫星，两颗卫星是两球之球心，球心至两球的交会点，即两球之半径（到用户的两个距离 D 1 和 D 2 ）是本系统的测量值。另一个球面的基本参数含用户高程的地球参考椭圆面，即地球半径 R 3 +高程球面的交会点为用户位置。信号往返时间大约为0.54 s。如果选用快速数据处理设备，可满足1 s内完成定位。该系统的通信与定位在同一信道中完成，中心站至用户采用的是一个时分广播信道，连续地向用户发送询问信息；用户至中心站采用的是随机的时分多址信道，随时都能响应询问信号并送出响应信号。甲用户与乙用户通信只需将乙用户的地址码和数字通信信息置入通信信息段并发送至中心站，中心站的通信处理交换机将按原通信码格式转置于询问信号的信息段并发出，乙用户在识别出自己的地址码后获得通信信息。
GEO导航卫星主要执行中心站与用户之间的双向无线电中继任务，卫星本身不产生信号，不发播信号，仅执行转发功能。地球中心站用C波段向GEO-S1卫星发送询问信号，卫星接收到信号后将其转换成频率为2492 MHz信号转发给用户；用户接收到卫星信号后随即做出响应，发出频率为1618.25 MHz±8.25 MHz的应答信号，经两颗卫星转发，将其发送到地面中心站。中心站发出的信号都有精确时间信息和标记，因此中心站根据询问信号和应答信号返回中心站时刻可以测定两条信号线路的距离［2（ D s1 + D 1 ）和（ D s1 + D 1 + D s2 + D 2 ）］。当中心站位置和卫星位置为精确已知时，可计算出各卫星至用户的距离 D 1 和 D 2 ，这两个距离值确定了两个定位球，即用户在以卫星为中心、以 D 1 和 D 2 为半径的球面上，两球相交是一个大圆，用户位置在这个大圆上。如果用户在海面上，则大圆与大地水准面相交于两个点，一个点在北半球，另一个点在南半球，按用户大致位置很容易确定实际位置；如果用户在陆地上，根据用户高程数据才能确定用户位置。利用双星进行二维定位，而第三维坐标（高程）需要采用其他途径（比如，数字地图库和测高仪等手段）得到。
北斗二号系统（BDS-Ⅱ）并不是北斗一号系统的简单延伸，它克服了北斗一号系统的缺点，可以提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务，类似于美国的GPS和欧洲的伽利略定位系统。北斗二号系统主要有以下三大功能。
①快速定位：为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS民用定位精度相当。
②短报文通信：一次可发送多达120个汉字的信息。
③精密授时：精度达20 ns。2012年年底建成的北斗二号系统，可为中国及亚太地区提供服务。
我国卫星导航系统以无线电测定业务为起点，逐步拓展为RDSS（Radio Determination Service of Satellite，卫星无线电测定服务）和RNSS（RadioNavigationService of Satellite，卫星无线电导航服务）并存局面。RDSS和RNSS结合的广义RDSS是一个新的实现方案，用户只需收到至少两颗卫星（其中一颗必须为具有RDSS载荷的GEO卫星）的三个信号（一个RDSS信号，两个RNSS信号）即可完成定位。广义位置报告系统实质上是一个多参考站距离测量无线定位系统，在传统双星定位报告的基础上增加了一颗无线电导航卫星，从而减少了依托高程数据库查图的计算流程，有效地提高了定位报告的服务区域范围和实用性。在工程实现中，用户可同时接收一个RDSS信号和两个RNSS信号，两个RNSS信号来自不同卫星，但其中一个RNSS信号与RDSS信号来自同一颗卫星。广义定位报告终端在本地钟控制下实时采集所有可视导航卫星的RNSS信号，从而测得各卫星的伪距和载波相位等观测量，同时接收和响应定位报告卫星的询问信号，测量得到各卫星的RNSS伪距、载波相位和偏心改正等信息，通过定位报告系统入站链路发送给业务处理系统，可通过出站链路实时接收定位结果并显示或通过串口输出。BDS星地信号流图如图1-12所示。
图1-12 BDS星地信号流图
一般说来，实现位置服务完整功能的主要手段有如下两个：
①自身定位和位置报告分步实现。先定位后报告，这需要将定位手段与通信手段捆绑到一起使用，即“RNSS+通信”。例如，美国的GPS系统与通信卫星系统、地面网络和无线电数据通信网共同实现位置报告和服务功能。这种自身定位与位置报告分步实现的技术手段就是“RNSS+通信”。
②自身定位与位置报告同步实现，定位与位置报告在同一信道、同一时间完成，不需要另外的通信手段支持，此种手段就是RDSS。中国北斗系统采用RDSS方式，这是与其他三个GNSS系统的不同之处。
RDSS体制相对于“RNSS+通信”体制的优势如下。
① RDSS位置报告速度快：在RDSS体制下，用户定位和位置报告同步进行，实时性强（用时1～2 s），可更好地满足抗震救灾、生命救援，以及其他各类应急保障救援任务对快速位置报告的需求。而“RNSS+通信”体制是先定位，后报告，需要两套信息系统交替配合工作，一般定位和位置报告时间大致要1～2 min。
② RDSS位置报告安全性强：RDSS用户向地面控制中心传输的信息为距离测量量，即使被截获也难以获得用户的位置信息；而“RNSS+通信”体制直接传送的是用户位置信息，一旦被截获，在军事国防领域危害巨大。
③ RDSS用户终端集成度高：RDSS体制采用快速定位、位置报告和短信服务的一体化设计，用户终端集成度高、技术简单、成本低；而“RNSS+通信”体制将RNSS系统与通信系统人为进行整合，用户终端集成度低、技术复杂、成本较高。
④ RDSS位置报告成本低：北斗GEO和IGEO卫星都属高轨道卫星，且在“RDSS+RNSS”体制下，用户只要能接收到一颗RDSS卫星信号即可实现位置报告，因此能以较少卫星数量和较低成本实现位置报告，这是“GPS+铱星移动通信系统”所无法实现的目标。
BD用户终端系统主要由天线模块、信道模块、基带信号处理模块、信息处理模块、应用处理模块和整机结构几部分组成，其组成框图如图1-13所示。
图1-13 BD用户终端系统组成框图
用户机测出两个RNSS信号到达时差，然后搭载RDSS载荷的GEO卫星向中心站发射携带时差信息的入站申请信号；中心站对该信号进行测量，计算出终端位置。RDSS的快速首次定位功能、特有的短报文通信功能和高精度双向授时功能是BDS有别于其他导航系统的特点，这在国民经济建设、军事斗争和抢险救灾中发挥了不可替代的作用。
双向星地链路及双星定位工作频率：地面中心站至GEO卫星（上行）发播频率为C波段；GEO卫星至地面中心站（下行）发播频率也为C波段；卫星至用户下行频率为（2491.75±8.25）MHz（终端收）；用户至卫星上行频率为（1618.25±8）MHz（终端发）。
按照北斗卫星导航系统“三步走”发展战略，2020年我国建成了由35颗卫星组成的北斗三号全球卫星导航系统（BDS-Ⅲ），提供覆盖全球的定位、导航和授时服务。BDS-Ⅲ空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，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中免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10 m，授时精度为50 ns，测速精度为0.2 m/s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
BDS-Ⅲ在GNSS卫星系统设计和研制中，需要进一步处理和改进的问题大致如下所述。
① GNSS系统配置：除全球卫星导航系统外，增加区域增强、本地增强系统，这是卫星导航系统的合理组成方式。
②星座轨道的选择：与GPS卫星星座不同，BDS-Ⅲ除中圆轨道（MEO）卫星外，还有地区静止轨道（GEO）和地基伪卫星，这是导航星座的基本选择。
③频率复用与多址接入设计：合理的频率复用+CDMA长码，是导航信号的优选方案。
④卫星导航信号：理想的卫星导航信号首先应满足两个独立的军用频率和两个独立的民用频率，两个导航信号频率差维持在300～400 MHz范围内，以实现电离层修正，而每个导航信号频率保持在10～20 MHz范围内。
⑤采用QPSK+BOC调制方式实现不同服务信号的功率分割（利用CDMA+QPSK+BOC）。
⑥军用长周期测距码独立捕获，以提高抗干扰、抗欺骗和防盗能力。
⑦多功能一体化是卫星导航系统发展的必由趋势：应着力实现集授时、通信、定位为一体，集RNSS和RDSS为一体的设计思路。多系统可选择性服务也是未来GNSS的现实模式。
⑧ BDS星间链路：星间链路是指用于卫星之间通信的链路，也称为星际链路或交叉链路（Crosslink），通过星间链路可将多颗卫星互联在一起，形成一个以卫星作为交换节点的空间通信网络。
经过二十多年的发展，北斗系统攻克了数百个技术难题，实现了从无到有、从区域到全球、从跟随到引领的转变，到2020年，BDS-Ⅲ全面建成。在卫星研制方面，除了平台和组件生产技术需要提升，还需要攻克的部分技术有：
①既要保证区域服务质量，又要保证全球覆盖技术指标有一个提升。
②国产星载原子钟在频率准确度、长期稳定性方面需要进一步提高。
③卫星测距精度要求更高。
④提供全球服务。我国在海外没有建设足够的监测站，需要靠星间链路技术来解决这一困难。星间链路的研制是BDS-Ⅲ的一项重要任务。
⑤在卫星小型化、可靠性上下功夫，增加在轨寿命，从现在的8年提升到12～15年。
⑥力求通过“一箭多星”方式，提高发射效率，节省发射经费。
我国于2020年建成的北斗三号全球卫星导航系统（简称北斗三号系统，BDS-Ⅲ），由35颗卫星组成，其中有5颗GEO卫星（轨高36000 km，同步静止轨道），3颗IGEO卫星（倾斜地球同步轨道），27颗MEO卫星（轨高21500 km，中圆轨道）。30颗非静止轨道卫星（中圆轨道和倾斜地球同步轨道）上有效载荷都为RNSS；5颗静止轨道卫星上有3种有效载荷—有源定位的RDSS载荷、无源定位的RNSS载荷和用于客户端间短报文服务的通信载荷。在35颗卫星中，有30颗（24颗MEO+3颗GEO+3颗IGSO）组网工作，其余5颗在轨备份。
与BDS-Ⅱ相比，BDS-Ⅲ增加了性能更优、与世界其他卫星导航系统兼容性更好的信号B1C，BDS-Ⅲ按照国际标准增加了星基增强服务（SBAS）及搜索救援服务（SAR），同时采用了更高性能的铷原子钟和氢原子钟。铷原子钟天稳定度为10 -14 量级，氢原子钟天稳定度为10 -15 量级。BDS-Ⅲ采用的原子钟达到了300万年只有1 s误差的精度，处于世界领先水平，核心元器件国产化率达到百分之百，完全实现自主可控。
北斗系统进一步提升了全球导航定位授时性能和区域短报文通信服务能力，并且北斗系统独有的短报文和位置报告功能，能够随时随地告诉别人“我在哪里”，提供全球短报文通信、国际搜救，以及覆盖中国和周边地区的星基增强和精密单点定位服务能力。新技术使北斗三号的性能得到大幅提升，空间信号精度（SIS）优于0.5 m，定位精度达到了2.5～5 m的水平，并在保留短报文功能的前提下提升相关性能；提供的区域短报文通信服务，单次报文长度可达1000个汉字，容量提高了10倍；用户发射机功耗降至1/10，用户发射机功率可降至3 W。GEO卫星为全球提供短报文通信试用服务，单次通信能力可达40个汉字。
BDS-Ⅲ增加了国际搜救服务，而且BDS-Ⅲ还设计了一个反向链路，使渔船在遇险发出求救信号后，可确定搜救信号是否送达。
BDS-Ⅲ还可提供精密单点定位服务。系统利用3条GEO卫星链路发射精密单点定位信息，可为我国及周边地区用户提供动态米级、静态厘米级的高精度定位服务。
预计到2035年，我国将建成综合导航定位授时（PNT）体系，即以北斗卫星导航系统为核心，建成天地一体、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系，该体系将以北斗系统为核心，与低轨增强系统强耦合，与5G、无线网、惯导紧耦合，并融入长波导航、水声导航、脉冲星导航，将显著提升国家时空信息服务能力，满足国民经济和国家安全需求，为全球用户提供更为优质的服务。
我国导航星座是混合星座，由三种轨道构成。在此星座中，GEO卫星完成有源定位、导航和授时，无源定位、导航和授时，以及短报文通信3种功能；IGSO卫星和MEO卫星只有无源定位、导航和授时功能。因为有GEO卫星，所以才能保证BDS提供有源定位、导航和授时服务以及短报文通信的位置报告功能，该功能是其他导航卫星所不具备的。
与GPS相比，BDS具有如下优势：
①混合星座能以较少数量卫星保证区域内服务性能。
②由于卫星数量少，完成星座部署时间和周期会更短。
③星座中有了GEO卫星，比GPS多了有源定位和短报文通信功能，虽然需要用户申请并通过地面站转发，但实现首次定位时间比无源定位更短。
