2024年2月3日发(作者：折思若)
北斗卫星导航系统的应用分析
摘要：“古有北斗七星辨方向，今有北斗卫星测全球”。广义上的“北斗”是指“北斗七星”，即天枢星、天璇星、天玑星、天权星、玉衡星、开阳星和瑶光星。本文的“北斗”是指由中国科研团队自主研发的中国北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）。随着科技不断发展，我国越来越重视全球导航技术研发，“北斗”从最初的一个雏形，到现在已经成为较成熟的全球卫星导航系统，可为全球用户提供精确定位、导航、授时服务，是我国重要的空间基础设施。
关键词：北斗卫星；导航系统
1 全球卫星导航系统
目前全球共有4种全球卫星导航系统，分别为美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的BDS[2]。1957年10月，前苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星给了美国很大启发；经过20 a的研究建设，美国完成了全球卫星导航系统的研制工作。冷战期间，前苏联紧追不舍，也提出了建设卫星导航系统的设想。1982年10月，前苏联成功发射了第一颗GLONASS卫星。1970年，我国发射了第一颗人造地球卫星东方红一号；此后，我国科学家陆续研究、开发自己的卫星导航系统，但由于我国经济、技术等条件的局限性，难以发展类似美国和前苏联的全球定位系统。1990年海湾战争爆发，美国军队利用GPS系统进行军事作战，这让我国意识到卫星导航系统的重要价值。随后，我国科学家又提出并开展了大量关于卫星理论和技术上的研究工作，1994年正式启动中国北斗一号系统的建设工作。2000年4月，国际电联正式批准中国申报频率资源和轨道位置；紧接着在2000年10月和12月我国发射了2颗地球静止轨道卫星（实验卫星）；2004年8月中国正式启动北斗二号系统工程[2]。经过26 a的研究和磨炼以及无数次的实验，截至2020年7月29日，我国已经成功发射了55颗卫星；至2020年7月31日，中国向全世界郑重宣告北斗三号全球卫星导航系统正式开通。
2 北斗卫星导航系统
北斗系统是基于国家安全和经济社会发展而自主建设运行和面向全球的卫星导航系统，为全球用户提供导航、精确定位以及授时服务，是我国重要的空间基础设施。北斗系统运行与发展以应用推广和产业发展为根本目标、以开放性和自主性为发展原则，为全球用户提供先进的技术服务。北斗系统由3个部分组成分别为地面段、空间段和用户段。地面段主要为负责接收北斗信号的控制端，由主控站、时间同步/注入站、监测站等组成；空间段由若干个混合卫星导航星座组成，如地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星；用户段主要为用户提供服务，由应用软件与用户服务系统构成，还包括芯片、天线等基础设备。
2.1 发展历程
2.1.1 北斗一号
北斗一号在国家经济技术缺乏的艰苦条件下建设。2002年欧盟开始自主研发导航系统，启动了伽利略卫星导航计划；欧盟抓住了我国缺技术的弱点，向我国抛出了“橄榄枝”，我国为此不惜代价，投入巨资，但却未得到收获，由此开始将研发力量转移到自主研发上。北斗一号研发采用有源定位，用户端向卫星发射信号，由卫星发射到地面段，地面段进行解算等技术服务，再发射到卫星由卫星传达到用户，为用户提供定位、授时、通信等服务。到2000年10月和12月，北斗一号卫星导航系统发射了2颗地球静止轨道卫星，在国内投入使用，使我国走近了世界舞台，开始与欧盟从合作走向了竞争。北斗一号系统在技术上创造性地提出双星定位模式，这项新的突破是区别于其他卫星导航系统的标志，成为国际上首个提出基于双星定位技术研发的有源卫星定位系统。但北斗一号设置寿命仅8 a，在卫星寿命到期后，将自动停止工作。
2.1.2 北斗二号
2004年8月，北斗导航卫星研制团队正式启动北斗二号卫星系统研发建设。经过团队不懈努力后，2007年我国成功研制出国产的原子钟，肩负抢占频段使命的卫星，发射了第4颗“北斗”一号导航卫星，激活了沉寂的“北斗”，实现了
弯道超车。2007年底，我国在技术上有了重大的突破，成功发射了第一颗“中轨道”导航系统卫星，但是北斗一号的精度只能覆盖亚洲地区实现区域定位。经过8 a的艰苦研发，2012年12月我国成功发射了14颗卫星，并在北斗一号系统有源定位体制技术的基础上，增加了无源定位体制技术，使北斗二号兼容2种体制。无源定位体制技术由用户向卫星发射信号，在用户端即可完成解算定位等服务，相比有源定位体制技术虽然定位速度较慢，但定位精度高，并采取广播式服务，保留了位置报告和短报文通信服务，与北斗一号相比，北斗二号定位精度有了大幅度提升。
2.2 北斗卫星科学研究现状
卫星的心脏就是原子钟，北斗三号配备了更高精度的氢原子钟和铷原子钟。星载原子钟的设计特点是以北斗二号系统星载原子钟为技术基线，设计目标是提高原子信号信噪比、降低微波相位噪声、减小物理环境效应，使铷原子钟的短期和长期稳定度指标得到全面改善。近40 a以来，铷原子钟的频率稳定度改善了近2个数量级，这种发展速度超过了预期，也引发了人们探索铷原子钟稳定度极限的兴趣。
3 北斗卫星导航系统应用发展对比
3.1 历史发展
北斗一号正式启用后，主要应用于军事。北斗一号导航系统研究正式开始是依照美国工程师1982年提出的“双星主动式卫星定位系统”原理而实施的，研究发现该技术十分落后，美国和欧洲都没有应用此技术开发GPS系统。因为技术的落后，北斗系统在军事上应用价值很低。
3.2 近代发展
近代科研人员研究北斗三号以来，北斗系统便在国际舞台上有了长足发展。北斗系统的独特优势体现在以下3个方面：（1)稳定性能好，接收信号强，在特殊地势环境下有一定优势；（2)双向通信能力优势显著，可灵活应用于多种场景，应用前景可观；（3)授时、定位技术先进，采用功效低的铷原子钟和稳定性高的
国产氢原子钟，具有较大的领先优势。北斗三号卫星系统的全面建设和技术开发，其应用彰显出众多成就。
4 发展前景
（1）互联网5G信息技术的融合。随着移动5G网络的不断扩大，5G技术应用非常广泛，物联网5G信息技术是最重要的无线数据通信技术。北斗导航信息系统的开发将会和互联网5G信息技术相融合，结合北斗导航系统的短报文功能，有助于在更多的电子科技领域应用和开发北斗系统更丰富的功能，展开新的全球服务。现阶段，北斗产业链已经全部打通，中国芯片、主板等技术产业已经可以进行大批量生产，生产水平已接近或达到国际一流，依靠科技人员和企业的积极性把价格降低，5G通信技术再结合北斗卫星导航系统中的短报文功能和北斗系统的定位功能，进而发展到手机用户端，短报文功能可直接利用卫星系统进行定位。在新发明的电子设备（如手机、车载导航等）上安装北斗系统，使北斗系统可以和GPS兼容，实现移动手机、车载导航等也可以运用北斗系统进行精确导航。北斗系统与互联网5G信息技术的融合将会为用户提供更加丰富的信息化服务和更加精确的定位服务。
（2）交通运输。随着我国经济持续快速增长和国民生活质量的提高，卫星导航系统在交通运输业中蓬勃发展；随着北斗定位技术的快速发展，现在越来越多的车辆管理机构、公司等都已经将导航技术应用在车辆上，结合后台系统中的地图，对车辆进行跟踪和监督，极大地提高了车辆的管理效率。导航技术的研究开发，将会让更多的车辆实现无人驾驶；在物流运输方面，也可让无人送货到家方式得以普及。我们可以大胆想象，先进的北斗导航系统搭载在每一辆车上，昼夜车水马龙依旧可以有条不絮地工作。开发新的用户端应用，做到可以监测车辆行驶状态，驾驶员和乘客的亲人或者紧急联系人能够及时收到乘客的乘车信息，其中包括上车时间、上车地点、车牌号、车辆负责人信息、下车时间、下车地点等，可有效保障乘客的人身安全。采用高精度的定位等技术，可以做到无人驾驶、高效率的监管车辆行驶转态，为我国交通运输行业提供更多的便利，所以北斗系统今后在交通运输业的应用会越来越广泛。
参考文献
[1] 谢军，张建军，武向军.大数据时代“北斗”卫星导航系统发展研究[J].中国航天，2021（1):8-19.
[2] 中华人民共和国国务院新闻办公室.中国北斗卫星导航系统[M].北京：人民出版社，2016.
[3] 王洪利.全球四大卫星导航系统概述与比较[J].科技致富向导，2014（20):207-273.
[4] 杨子辉，薛彬.北斗卫星导航系统的发展历程及其发展趋势[J].导航定位学报，2022,10（1):1-14.
[5] 刘天雄，周鸿伟，聂欣等.全球卫星导航系统发展方向研究[J].航天器工程，2021,30（2):96-107.
[6] 郝雅楠，祝彬，朱华桥.全球卫星导航系统发展现状与特点分析[J].国防科技工业，2020（7):20-24.
2024年2月3日发(作者：折思若)
北斗卫星导航系统的应用分析
摘要：“古有北斗七星辨方向，今有北斗卫星测全球”。广义上的“北斗”是指“北斗七星”，即天枢星、天璇星、天玑星、天权星、玉衡星、开阳星和瑶光星。本文的“北斗”是指由中国科研团队自主研发的中国北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）。随着科技不断发展，我国越来越重视全球导航技术研发，“北斗”从最初的一个雏形，到现在已经成为较成熟的全球卫星导航系统，可为全球用户提供精确定位、导航、授时服务，是我国重要的空间基础设施。
关键词：北斗卫星；导航系统
1 全球卫星导航系统
目前全球共有4种全球卫星导航系统，分别为美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的BDS[2]。1957年10月，前苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星给了美国很大启发；经过20 a的研究建设，美国完成了全球卫星导航系统的研制工作。冷战期间，前苏联紧追不舍，也提出了建设卫星导航系统的设想。1982年10月，前苏联成功发射了第一颗GLONASS卫星。1970年，我国发射了第一颗人造地球卫星东方红一号；此后，我国科学家陆续研究、开发自己的卫星导航系统，但由于我国经济、技术等条件的局限性，难以发展类似美国和前苏联的全球定位系统。1990年海湾战争爆发，美国军队利用GPS系统进行军事作战，这让我国意识到卫星导航系统的重要价值。随后，我国科学家又提出并开展了大量关于卫星理论和技术上的研究工作，1994年正式启动中国北斗一号系统的建设工作。2000年4月，国际电联正式批准中国申报频率资源和轨道位置；紧接着在2000年10月和12月我国发射了2颗地球静止轨道卫星（实验卫星）；2004年8月中国正式启动北斗二号系统工程[2]。经过26 a的研究和磨炼以及无数次的实验，截至2020年7月29日，我国已经成功发射了55颗卫星；至2020年7月31日，中国向全世界郑重宣告北斗三号全球卫星导航系统正式开通。
2 北斗卫星导航系统
北斗系统是基于国家安全和经济社会发展而自主建设运行和面向全球的卫星导航系统，为全球用户提供导航、精确定位以及授时服务，是我国重要的空间基础设施。北斗系统运行与发展以应用推广和产业发展为根本目标、以开放性和自主性为发展原则，为全球用户提供先进的技术服务。北斗系统由3个部分组成分别为地面段、空间段和用户段。地面段主要为负责接收北斗信号的控制端，由主控站、时间同步/注入站、监测站等组成；空间段由若干个混合卫星导航星座组成，如地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星；用户段主要为用户提供服务，由应用软件与用户服务系统构成，还包括芯片、天线等基础设备。
2.1 发展历程
2.1.1 北斗一号
北斗一号在国家经济技术缺乏的艰苦条件下建设。2002年欧盟开始自主研发导航系统，启动了伽利略卫星导航计划；欧盟抓住了我国缺技术的弱点，向我国抛出了“橄榄枝”，我国为此不惜代价，投入巨资，但却未得到收获，由此开始将研发力量转移到自主研发上。北斗一号研发采用有源定位，用户端向卫星发射信号，由卫星发射到地面段，地面段进行解算等技术服务，再发射到卫星由卫星传达到用户，为用户提供定位、授时、通信等服务。到2000年10月和12月，北斗一号卫星导航系统发射了2颗地球静止轨道卫星，在国内投入使用，使我国走近了世界舞台，开始与欧盟从合作走向了竞争。北斗一号系统在技术上创造性地提出双星定位模式，这项新的突破是区别于其他卫星导航系统的标志，成为国际上首个提出基于双星定位技术研发的有源卫星定位系统。但北斗一号设置寿命仅8 a，在卫星寿命到期后，将自动停止工作。
2.1.2 北斗二号
2004年8月，北斗导航卫星研制团队正式启动北斗二号卫星系统研发建设。经过团队不懈努力后，2007年我国成功研制出国产的原子钟，肩负抢占频段使命的卫星，发射了第4颗“北斗”一号导航卫星，激活了沉寂的“北斗”，实现了
弯道超车。2007年底，我国在技术上有了重大的突破，成功发射了第一颗“中轨道”导航系统卫星，但是北斗一号的精度只能覆盖亚洲地区实现区域定位。经过8 a的艰苦研发，2012年12月我国成功发射了14颗卫星，并在北斗一号系统有源定位体制技术的基础上，增加了无源定位体制技术，使北斗二号兼容2种体制。无源定位体制技术由用户向卫星发射信号，在用户端即可完成解算定位等服务，相比有源定位体制技术虽然定位速度较慢，但定位精度高，并采取广播式服务，保留了位置报告和短报文通信服务，与北斗一号相比，北斗二号定位精度有了大幅度提升。
2.2 北斗卫星科学研究现状
卫星的心脏就是原子钟，北斗三号配备了更高精度的氢原子钟和铷原子钟。星载原子钟的设计特点是以北斗二号系统星载原子钟为技术基线，设计目标是提高原子信号信噪比、降低微波相位噪声、减小物理环境效应，使铷原子钟的短期和长期稳定度指标得到全面改善。近40 a以来，铷原子钟的频率稳定度改善了近2个数量级，这种发展速度超过了预期，也引发了人们探索铷原子钟稳定度极限的兴趣。
3 北斗卫星导航系统应用发展对比
3.1 历史发展
北斗一号正式启用后，主要应用于军事。北斗一号导航系统研究正式开始是依照美国工程师1982年提出的“双星主动式卫星定位系统”原理而实施的，研究发现该技术十分落后，美国和欧洲都没有应用此技术开发GPS系统。因为技术的落后，北斗系统在军事上应用价值很低。
3.2 近代发展
近代科研人员研究北斗三号以来，北斗系统便在国际舞台上有了长足发展。北斗系统的独特优势体现在以下3个方面：（1)稳定性能好，接收信号强，在特殊地势环境下有一定优势；（2)双向通信能力优势显著，可灵活应用于多种场景，应用前景可观；（3)授时、定位技术先进，采用功效低的铷原子钟和稳定性高的
国产氢原子钟，具有较大的领先优势。北斗三号卫星系统的全面建设和技术开发，其应用彰显出众多成就。
4 发展前景
（1）互联网5G信息技术的融合。随着移动5G网络的不断扩大，5G技术应用非常广泛，物联网5G信息技术是最重要的无线数据通信技术。北斗导航信息系统的开发将会和互联网5G信息技术相融合，结合北斗导航系统的短报文功能，有助于在更多的电子科技领域应用和开发北斗系统更丰富的功能，展开新的全球服务。现阶段，北斗产业链已经全部打通，中国芯片、主板等技术产业已经可以进行大批量生产，生产水平已接近或达到国际一流，依靠科技人员和企业的积极性把价格降低，5G通信技术再结合北斗卫星导航系统中的短报文功能和北斗系统的定位功能，进而发展到手机用户端，短报文功能可直接利用卫星系统进行定位。在新发明的电子设备（如手机、车载导航等）上安装北斗系统，使北斗系统可以和GPS兼容，实现移动手机、车载导航等也可以运用北斗系统进行精确导航。北斗系统与互联网5G信息技术的融合将会为用户提供更加丰富的信息化服务和更加精确的定位服务。
（2）交通运输。随着我国经济持续快速增长和国民生活质量的提高，卫星导航系统在交通运输业中蓬勃发展；随着北斗定位技术的快速发展，现在越来越多的车辆管理机构、公司等都已经将导航技术应用在车辆上，结合后台系统中的地图，对车辆进行跟踪和监督，极大地提高了车辆的管理效率。导航技术的研究开发，将会让更多的车辆实现无人驾驶；在物流运输方面，也可让无人送货到家方式得以普及。我们可以大胆想象，先进的北斗导航系统搭载在每一辆车上，昼夜车水马龙依旧可以有条不絮地工作。开发新的用户端应用，做到可以监测车辆行驶状态，驾驶员和乘客的亲人或者紧急联系人能够及时收到乘客的乘车信息，其中包括上车时间、上车地点、车牌号、车辆负责人信息、下车时间、下车地点等，可有效保障乘客的人身安全。采用高精度的定位等技术，可以做到无人驾驶、高效率的监管车辆行驶转态，为我国交通运输行业提供更多的便利，所以北斗系统今后在交通运输业的应用会越来越广泛。
参考文献
[1] 谢军，张建军，武向军.大数据时代“北斗”卫星导航系统发展研究[J].中国航天，2021（1):8-19.
[2] 中华人民共和国国务院新闻办公室.中国北斗卫星导航系统[M].北京：人民出版社，2016.
[3] 王洪利.全球四大卫星导航系统概述与比较[J].科技致富向导，2014（20):207-273.
[4] 杨子辉，薛彬.北斗卫星导航系统的发展历程及其发展趋势[J].导航定位学报，2022,10（1):1-14.
[5] 刘天雄，周鸿伟，聂欣等.全球卫星导航系统发展方向研究[J].航天器工程，2021,30（2):96-107.
[6] 郝雅楠，祝彬，朱华桥.全球卫星导航系统发展现状与特点分析[J].国防科技工业，2020（7):20-24.