每日科普|北斗卫星导航系统中“三”的奥秘

来源：玉溪市科学技术协会

道家鼻祖老子，骑牛有云，“道生一，一生二，二生三，三生万物”。北斗系统的发展中也蕴含了很多与“三”有关的奥秘，包括北斗系统发展战略、系统架构、星座配置、工作原理、信号体制、服务规划、未来愿景等等诸多方面。具体是什么呢？下面就和大家一起了解北斗系统里与“三”有关的奥秘。

一

北斗系统的“三步走”战略

中国北斗卫星导航系统实施“三步走”战略。

▲北斗系统“三步走”战略

第一步：北斗一号，解决有无

1994年，启动北斗一号系统建设；2000年发射2颗地球静止轨道(GEO)卫星，建成系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。

北斗一号，中国卫星导航系统实现从无到有，使中国成为继美、俄之后第三个拥有卫星导航系统的国家。北斗一号是探索性的第一步，初步满足中国及周边区域的定位导航授时需求。北斗一号巧妙设计了双向短报文通信功能，这种通导一体化的设计，是北斗的独创。

第二步：北斗二号，区域无源

2004年，启动北斗二号系统建设；2012年，完成14颗卫星、即5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球轨道卫星(IGSO)和4颗中圆地球轨道卫星(MEO)的发射组网。北斗二号在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信服务。

北斗二号创新性构建了的5GEO+5IGSO+4MEO的中高轨混合星座架构，为全世界卫星导航系统发展提出了新的中国方案。

第三步：北斗三号，全球服务

2009年，启动北斗三号系统建设；2020年，全面建成北斗三号系统。北斗三号系统是由3GEO+3IGSO+24MEO构成的混合导航星座，系统继承有源服务和无源服务两种技术体制，为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边地区用户提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务。

北斗“三步走”发展战略，是在结合我国国情和不同阶段技术经济发展实际提出的发展路线，北斗系统的成功实践，走出了在区域快速形成服务能力、不断扩展为全球服务，具有中国特色的卫星导航发展道路，丰富了世界卫星导航的发展模式和发展路径。

二

北斗系统的“三个组成部分”

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

▲北斗系统构成

空间段。北斗三号系统空间段由3颗GEO卫星、3颗IGSO和24颗MEO卫星等组成。

地面段。北斗三号系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。

用户段。北斗系统用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。

三

北斗独创的“三种轨道”混合星座

北斗系统是由GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星三种轨道卫星组成的混合导航星座。

GEO卫星相对地球静止，轨道高度35786km，轨道倾角为0度，单星覆盖区域较大，3颗卫星可覆盖亚太大部分地区。

IGSO卫星轨道高度与GEO卫星相同，轨道倾角为55度，星下点轨迹为“8”字。

北斗MEO卫星轨道高度约21500km，轨道倾角为55度，绕地球旋转运行，通过多颗卫星组网可实现全球覆盖，北斗MEO星座回归特性为7天13圈。

▲北斗三号系统导航星座示意图

北斗独创的混合星座设计，既能实现全球覆盖、全球服务，又可为亚太大部分地区用户提供更高性能的定位导航授时服务。亚太大部分地区，每时可见约12至16颗卫星，全球其他地区每时可见4至6颗卫星，卫星可见性和几何构型较好。

四

卫星导航的“三球交汇”原理

导航卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户接收机在某一时刻同时接收三颗以上卫星信号，测量出用户接收机至三颗卫星的距离，通过星历解算出的卫星的空间坐标，利用距离交会法就解算出用户接收机的位置。目前，国际上四大全球卫星导航系统，美国GPS、我国北斗系统、俄罗斯GLONASS和欧洲Galileo的定位原理是相同的，均是采用这种三球交汇的几何原理实现定位。

▲北斗卫星定位原理示意图

简单来说：

（1） 地球上的北斗用户接收机同时测量自身到至少三颗卫星的距离；

（2） 各卫星的位置通过导航电文播发给用户；

（3） 以卫星为球心，距离为半径画球面；

（4） 三个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。

五

北斗的“三频服务”信号体制

北斗系统是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统，GPS使用的是双频信号，这是北斗的后发优势。使用双频信号可以减弱电离层延迟的影响，而使用三频信号可以构建更复杂模型消除电离层延迟的高阶误差。同时，使用三频信号可提高载波相位模糊度的解算效率，理论上还可以提高载波收敛速度。正因如此，GPS系统也在扩展成三频信号系统。

北斗二号在B1、B2和B3三个频段提供B1I、B2I和B3I三个公开服务信号。其中，B1频段的中心频率为1561.098MHz，B2为1207.14MHz，B3为1268.52MHz。

北斗三号在B1、B2和B3三个频段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五个公开服务信号。其中B1频段的中心频率为1575.42MHz，B2为1176.45MHz，B3为1268.52MHz。

六

北斗定位测速授时服务的“PVT三要素”

位置信息(Position)、速度信息(Velocity)和时间信息(Time)是构成北斗信息服务的“三要素”。

位置信息：北斗系统可向全球提供优于10米的定位服务，亚太地区定位精度达到5米。北斗系统提供的位置信息服务，输出结果为“经度、纬度、高程”或者“x，y，z”，不管哪种输出形式，恰好都是“三个参量”，一个不多，一个不少。同时，通过精密单点定位、星基增强、地基增强等方式，可将定位精度提高到米级、分米级乃至厘米级。

速度信息：北斗系统提供的测速精度能力优于0.2米/秒。

时间信息：北斗系统可为用户提供优于20ns的授时服务，在此基础上利用差分授时、双向比对等技术手段，可进一步提升授时精度。

七

高可靠的“东三B”卫星平台

“东三B”导航平台为高可靠长寿命平台，是我国自主研制的新一代高轨导航卫星平台，采用了综合电子、高效能源和热控、锂离子蓄电池、FDIR等先进技术，为有效载荷提供了更大的空间。“东三B” 平台导航卫星重量为5400公斤，设计寿命12年，配置了多种载荷，提供包括RNSS、区域短报文通信、星基增强、精密单点定位等多种服务，功能强大、集成度高。

八

北斗专列：“长征三号”系列运载火箭

长征三号系列火箭因其入轨精度高、轨道选择多、适应能力强，成为发射北斗导航卫星的“专属列车”。12年间，长征三号系列火箭用38次成功发射的优异表现，将53颗北斗导航卫星送入预定轨道。

九

北斗系统的“三大特色”

一是空间段采用三种轨道卫星组成混合星座，与其它卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区性能优势更为明显。

二是提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

三是创新融合了导航与通信功能，具备基本导航、短报文通信、国际搜救、星基增强和精密单点定位等多种服务能力，系统功能高度集成，实现了集约高效。

秉承“中国的北斗，世界的北斗，一流的北斗”发展理念，坚持“自主、开放、兼容、渐进”的原则，我国稳步推进北斗系统建设发展。北斗系统为经济社会发展提供世界一流水平的时空信息保障，同时也是中国贡献给世界的全球公共服务产品。中国愿与世界各国共享北斗系统建设发展成果，促进全球卫星导航事业蓬勃发展，为服务全球、造福人类贡献中国智慧和力量。

“三个更加”指引北斗未来发展

2018年底，联合国全球卫星导航系统国际委员会第十三届大会在我国举行，习近平主席向大会致贺信：中国高度重视卫星导航系统建设发展，积极开展国际合作。北斗系统已成为中国实施改革开放40年来取得的重要成就之一，2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。中国愿同各国共享北斗系统建设发展成果，共促全球卫星导航事业蓬勃发展。希望与会代表深化交流、集思广益，为全球卫星导航系统更好服务全球、造福人类贡献智慧和力量。

北斗系统一路走来，从北斗一号、北斗二号到北斗三号，未来，我们还将建设完善的北斗综合时空体系，这里面北斗“三”的奥秘还等待我们进一步去挖掘、去探索、去创造！

三生万物，万物互联。在北斗系统的作用下，互联互通会更加紧密、更加智能，万物互联时代将全面开启。我们将以习主席提出的“三个更加”为指引，在星辰大海的征途上接续奋斗、砥砺前行，让中国梦、北斗梦焕发更加绚烂的时代光彩和更多奥秘的光芒！

END

声明：本文转自学习强国，在此致谢！

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