北斗三號收官專題丨原來北斗是這樣的系統(tǒng)

對北斗系統(tǒng)有一定了解的朋友應該都知道，北斗系統(tǒng)分別由空間段、運控段以及用戶段組成，外加一個環(huán)境段。

• 空間段：北斗三號空間段由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；
• 運控段：主控站、注入站、監(jiān)測站等30余個地面站；
• 用戶段：北斗終端、與其他導航系統(tǒng)兼容的終端，以及相關的應用服務系統(tǒng)。

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 北斗三號收官專題丨北斗靠什么來“推前浪”

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

當前的北斗系統(tǒng)（BDS），不僅是北斗二號區(qū)域系統(tǒng)與北斗三號全球系統(tǒng)過渡性組合，還是融合GEO、IGSO、MEO 3種軌道類型的復雜星座。

待北斗三號實現(xiàn)全球組網(wǎng)，北斗三號的在軌衛(wèi)星將達到30顆，是GNSS中額定星座中最大的星座。而北斗三號的性能也會得到進一步的提高。

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

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

而北斗三號系統(tǒng)與目前其他GNSS系統(tǒng)相比最大的特色，便是短報文的服務，即區(qū)域短信息通信服務和全球短信息通信服務。這個源于有源系統(tǒng)的特色服務，同時實現(xiàn)了區(qū)域和全球的短信息通信服務。

同樣理由，北斗三號把全球基本服務系統(tǒng)與區(qū)城(星基)增強系統(tǒng)組合在一起，同時具備中地球軌道(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，也成為未來導航與通信融合衛(wèi)星的一種先驅(qū)性探索。

北斗一號系統(tǒng)，官方的定義是北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)。當時的北斗一號系統(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。校準精度20米，未校準精度100米。

北斗一號系統(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)星到用戶機或者標校站)、入站信號(衛(wèi)星到地面中心站、用戶機或者標校站到衛(wèi)星)采用多種不同的頻率。

使用有源定位的北斗一號，其定位原理是，采用地面中心站的中心計算機根據(jù)已知準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(用詢問和應答信號測量得到，并可以用標校站信息消除誤差)構造兩個球面，以地球的半徑加上用戶的高程為半徑(高程數(shù)據(jù)庫提供)構造第三個球面，計算出這三個球面在地球的交會點(消除其鏡象點)即為用戶的位置，這就是“三球交會測量原理”。

此時的定位精度不高，而且可服務的區(qū)域極為有限。

北斗一號的性能：

• 服務功能：定位、單雙向授時、短報文通信；
• 服務區(qū)域：中國及周邊地；
• 定位精度：優(yōu)于20米；
• 授時精度：單向100納秒，雙向20納秒；
• 短報文通信：120個漢字/次。

相比只可為中國地區(qū)服務的北斗一號，北斗二號可以為亞太地區(qū)用戶提供衛(wèi)星定位、導航和授時服務。包括授權服務、公開服務、廣域差分服務及位置報告服務四種類型。

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

在位置報告服務中，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告的要求。

與此同時，北斗二號系統(tǒng)還實現(xiàn)了RNSS/RDSS的應用集成以及多系統(tǒng)兼容和互操作應用。

所謂RNSS/RDSS集成，是在衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星和運控系統(tǒng)中集成RNSS與RDSS兩種業(yè)務，使用戶既可以不發(fā)射響應信號，自主完成連續(xù)定位、測速任務，又可根據(jù)需要進行RDSS方式的位置報告，以及用戶跟蹤識別和短電文通信。

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

北斗二號的性能：

• 主要功能：定位、測速、單雙向授時、短報文通信；
• 服務區(qū)域：中國及部分亞太地區(qū)；
• 定位精度：優(yōu)于10m；
• 測速精度：優(yōu)于02m/s；
• 授時精度：50ns(雙向10ns)；
• 短報文通信：120個漢字/次。

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

導航信號在北斗系統(tǒng)的重要性不言而喻，在布局北斗全球的同時，我國也在對北斗全球系統(tǒng)的信號進行設計和研發(fā)，并出現(xiàn)了多種具有北斗特色的創(chuàng)新技術。

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B1C的中心頻率設在1575.42MHz,與GPSL1和 Galileo E1頻點重疊可以預計，未來各系統(tǒng)在該頻點的公開服務信號都將會是主要的民用導航定位業(yè)務的承載信號。

在BC信號的設計過程中，既需要與同一頻點其他信號滿足射頻兼容性要求，保證與GPS L1C信號和 Galileo E1OS信號的互操作能力，又應盡量具有高的測距精度和穩(wěn)健性，同時支持多種不同的接收處理策略。

而QMBOC將BOC(1.1)信號與BOC(6,1)信號分量分別調(diào)制在載波的兩個彼此正交的相位上，不僅避免了兩分量之間互相關分量的影響，而且規(guī)避 TMBOC以及CBOC的專利問題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)在同一頻段的公開服務信號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頻段的兩個中心頻點——B2a和B2b上播發(fā)寬帶信號。

時分 AltBOc( TD-AltBOC)，是我國具有自主知識產(chǎn)權的一種調(diào)制技術，為了降低發(fā)射機的實現(xiàn)復雜度，其每一邊帶的數(shù)據(jù)、導頻分量采用時分復用技術形成一路二值信號，之后使用2分量ABOC技術，進行合并發(fā)射。

非對稱恒包絡BOC( ACE-BOC)同樣是一種具有自主知識產(chǎn)權，且滿足北斗B2頻點信號設計要求的新技術，其數(shù)據(jù)和導頻分量正交放置，組成信號分量支持任意的功率配比，具有很高的設計靈活性。相比于 ACE-BOC, TD-AltBOC的發(fā)射機實現(xiàn)較為簡單。

雙QPSK是一種具有自主知識產(chǎn)權的星上復用技術，能夠解決B3頻點兩個BOC和QPSK在星上發(fā)射機中等功率合并的需求，其中BOC(15,25)有正交的數(shù)據(jù)、導頻通道。推廣的雙QPSK能夠?qū)`活控制合并信號的功率能夠?qū)崿F(xiàn)兩個類QPSK信號的任意功率比恒包絡合并，且能得到優(yōu)化的解析實現(xiàn)和最大化的功率效率，解決B3頻點平穩(wěn)過渡的需求。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的坐標框架采用中國2000大地坐標系統(tǒng)CGCs2000)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間基準為北斗時(BDT)。

北斗系統(tǒng)的時間系統(tǒng)，采用北斗時(BDT)。BDT采用國際單位制(SD秒為基本單位連續(xù)累計，不間秒，起始歷元為2006年1月1日協(xié)調(diào)世界時(UTC)00時00分00秒，采用周和周內(nèi)秒計數(shù)。BDT通過UTC(NTSC)與國際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航電文中播報。

北斗就是這樣一個創(chuàng)新性十足的系統(tǒng)，其不可限量的價值在于其占領時間空間這種全局性、基礎性、持續(xù)性和關鍵性科技制高點。對于北斗的研究與創(chuàng)新，永遠都會是一個極具價值的課題！