01北斗导航系统的组成

对北斗系统有一定了解的朋友应该都知道，北斗系统分别由空间段、运控段以及用户段组成，外加一个环境段。

空间段：北斗三号空间段由30颗卫星组成，其中包括3颗地球静止轨道(GEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(GSO)卫星和24颗中圆地球轨道(MEO)卫星；运控段：主控站、注入站、监测站等30余个地面站；用户段：北斗终端、与其他导航系统兼容的终端，以及相关的应用服务系统。

02北斗系统的特色

与当前主流的GNSS系统一样，北斗系统也提供定位、导航、授时（PNT体系）服务，但作为GNSS系统的优秀后浪，北斗系统以其特色成为了当前最复杂的系统。

当前的北斗系统（BDS），不仅是北斗二号区域系统与北斗三号全球系统过渡性组合，还是融合GEO、IGSO、MEO 3种轨道类型的复杂星座。

待北斗三号实现全球组网，北斗三号的在轨卫星将达到30颗，是GNSS中额定星座中最大的星座。而北斗三号的性能也会得到进一步的提高。

完全工作的北斗二号系统提供授权、公开、广域差分(星基增强)和短报文等四种服务，定位精度优于10米，授时精度优于20纳秒，测速精度为每秒0.2米。组网成功的北斗三号系统，空间信号测距误差优于0.5m，其定位精度单频测量为7m，双频测量为3m，测速精度0.2m/s,授时精度20ns.可用性99%。

值得一提，北斗三号系统在亚太区域的服务性能将明显优于全球性能。

而北斗三号系统与目前其他GNSS系统相比最大的特色，便是短报文的服务，即区域短信息通信服务和全球短信息通信服务。这个源于有源系统的特色服务，同时实现了区域和全球的短信息通信服务。

同样理由，北斗三号把全球基本服务系统与区城(星基)增强系统组合在一起，同时具备中地球轨道(MEO)、地球静止轨道（GEO)和倾斜地球同步轨道(GSO)三种轨道形式的组合，也成为未来导航与通信融合卫星的一种先驱性探索。

03北斗系统的工作原理

北斗一号的有源定位

北斗一号系统，官方的定义是北斗卫星导航试验系统。当时的北斗一号系统，由三颗定位卫星（两颗工作卫星、一颗备份卫星），利用有源定位为用户提供定位服务。校准精度20米，未校准精度100米。

北斗一号系统的三颗卫星均为地球静止同步轨道卫星（GEO），距地面约为36000公里。北斗一号的地面中心站的出站(地面中心站到卫星、卫星到用户机或者标校站)、入站信号(卫星到地面中心站、用户机或者标校站到卫星)采用多种不同的频率。

使用有源定位的北斗一号，其定位原理是，采用地面中心站的中心计算机根据已知准确位置的两颗地球同步卫星为球心以卫星到用户的距离为半径(用询问和应答信号测量得到，并可以用标校站信息消除误差)构造两个球面，以地球的半径加上用户的高程为半径(高程数据库提供)构造第三个球面，计算出这三个球面在地球的交会点(消除其镜象点)即为用户的位置，这就是“三球交会测量原理”。

此时的定位精度不高，而且可服务的区域极为有限。

北斗一号的性能：

服务功能：定位、单双向授时、短报文通信；服务区域：中国及周边地；定位精度：优于20米；授时精度：单向100纳秒，双向20纳秒；短报文通信：120个汉字/次。

北斗二号的无源定位

相比只可为中国地区服务的北斗一号，北斗二号可以为亚太地区用户提供卫星定位、导航和授时服务。包括授权服务、公开服务、广域差分服务及位置报告服务四种类型。

其中在我国及周边地区，北斗二号系统可为用户提供定位精度1米的广域差分服务和授权用户的短报文通信服务。

在位置报告服务中，为提高用户容量，降低发射功率，将目前RDSS模式的双重覆盖为单重覆盖，双星工作改为三星工作，即“三收单发”的工作模式，以满足快速定位与位置报告的要求。

与此同时，北斗二号系统还实现了RNSS/RDSS的应用集成以及多系统兼容和互操作应用。

所谓RNSS/RDSS集成，是在卫星导航系统的卫星和运控系统中集成RNSS与RDSS两种业务，使用户既可以不发射响应信号，自主完成连续定位、测速任务，又可根据需要进行RDSS方式的位置报告，以及用户跟踪识别和短电文通信。

所谓多系统兼容和互操作，指的是北斗的导航可与其他GNSS系统同时共同使用而不相互干扰。卫星导航系统之间互操作能力是指各种GNSS系统民用信号的导航、定位、授时服务能够共同使用，并可使用户获得优于各独立系统所提供信号的服务性能。

北斗二号的性能：

主要功能：定位、测速、单双向授时、短报文通信；服务区域：中国及部分亚太地区；定位精度：优于10m；测速精度：优于02m/s；授时精度：50ns(双向10ns)；短报文通信：120个汉字/次。

随着北斗系统的应用与服务不断地深入拓展，北斗将逐步成为信息时代社会的生产方式、生活方式和生态方式，成为时空信息服务的主力军。

04北斗三号的信号创新

导航信号在北斗系统的重要性不言而喻，在布局北斗全球的同时，我国也在对北斗全球系统的信号进行设计和研发，并出现了多种具有北斗特色的创新技术。

QMBOC

为了提供与其它系统更好的互操作能力，BDS全球系统的民用信号B1C的中心频率设在1575.42MHz,与GPSL1和 Galileo E1频点重叠可以预计，未来各系统在该频点的公开服务信号都将会是主要的民用导航定位业务的承载信号。

在BC信号的设计过程中，既需要与同一频点其他信号满足射频兼容性要求，保证与GPS L1C信号和 Galileo E1OS信号的互操作能力，又应尽量具有高的测距精度和稳健性，同时支持多种不同的接收处理策略。

而QMBOC将BOC(1.1)信号与BOC(6,1)信号分量分别调制在载波的两个彼此正交的相位上，不仅避免了两分量之间互相关分量的影响，而且规避 TMBOC以及CBOC的专利问题QMBOC的功率谱与 TMBOC相同，并且同样可以采用类BOC(1,1)的低复杂度接收模式以及高性能匹配接收模式，与GPS和 Galileo系统在同一频段的公开服务信号有很好的兼容性与互操作性。

TD-AltBOC与ACE-BOC

为了支持与GPS L5和 Galileo E5之间的互操作，北斗全球系统将在B2频段的两个中心频点——B2a和B2b上播发宽带信号。

时分 AltBOc( TD-AltBOC)，是我国具有自主知识产权的一种调制技术，为了降低发射机的实现复杂度，其每一边带的数据、导频分量采用时分复用技术形成一路二值信号，之后使用2分量ABOC技术，进行合并发射。

非对称恒包络BOC( ACE-BOC)同样是一种具有自主知识产权，且满足北斗B2频点信号设计要求的新技术，其数据和导频分量正交放置，组成信号分量支持任意的功率配比，具有很高的设计灵活性。相比于 ACE-BOC, TD-AltBOC的发射机实现较为简单。

双QPSK

双QPSK是一种具有自主知识产权的星上复用技术，能够解决B3频点两个BOC和QPSK在星上发射机中等功率合并的需求，其中BOC(15,25)有正交的数据、导频通道。推广的双QPSK能够对灵活控制合并信号的功率能够实现两个类QPSK信号的任意功率比恒包络合并，且能得到优化的解析实现和最大化的功率效率，解决B3频点平稳过渡的需求。

05北斗的时空参照系统

北斗卫星导航系统的坐标框架采用中国2000大地坐标系统CGCs2000)。北斗卫星导航系统的时间基准为北斗时(BDT)。

北斗系统的时间系统，采用北斗时(BDT)。BDT采用国际单位制(SD秒为基本单位连续累计，不间秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时(UTC)00时00分00秒，采用周和周内秒计数。BDT通过UTC(NTSC)与国际UTC建立联系，BDT与UTC的偏差保持在100纳秒以内(模1秒)。BDT与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报。

北斗就是这样一个创新性十足的系统，其不可限量的价值在于其占领时间空间这种全局性、基础性、持续性和关键性科技制高点。对于北斗的研究与创新，永远都会是一个极具价值的课题！