一流的北斗之路，北斗靠什么来“推前浪”

01为什么说北斗是优秀的“后浪”？

牛顿曾经说过，如果我比别人看得更远，那是因为我站在巨人的肩膀上！”

目前，世界上一共有4个相对成熟、知名度较高的卫星导航定位系统，分别是中国北斗卫星导航系统(BDS)、美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GNSS)和欧盟研制伽利略卫星导航系统(GSNS)。

其中，GPS可以说是知名度最高、技术最成熟、商业模式最为完善的卫星导航系统。GPS可以称得上是卫星导航领域的“巨人”。而我国的北斗导航系统，则是站在了“巨人”的肩膀上，结合GPS的技术优势加上北斗自身独特的技术，迅速成长。

诸如无源系统广播信号、多普勒、双曲线测量法、码分多址工作体制、星座与轨道分布等等系统设计以及短报文、高精度定位等等自主研发的技术，都能看出北斗系统在未来的广阔的导航定位应用市场能够占有一席之地甚至超越GPS。

02四颗卫星的三维定位

利用空间的卫星作为参考点，在地球上实现定位，而且精度高，是一个难题。首先要非常精确得出卫星到用户机的距离，接着解决到3颗卫星的距离，最后还要在空间里找到接收机所在的位置。

理论上，通过三颗卫星的测量值以及一系列的精密计算，是可以得出接收机的精确位置。但在实际参与导航位置计算的过程中，还需要考虑到时间变量，因为卫星导航的距离测量实际上是以时间度量来实现的，当每秒钟时间误差为百万分之一时，所带来的位置误差会达到300m以上，而人们所用的卫星导航接收机的时钟是用石英晶体振荡器来实现的，必须用卫星的原子时钟作为同步标准才能确保定位精度，故需要第四颗星来参与定位，实际上这第四颗卫星是作为时间参考标准加以应用。

我国的北斗导航系统，由空间段、地面段、用户段三部分组成：

空间段由 35 颗卫星组成，包括 5 颗静止轨道卫星、27 颗中地球轨道卫星、3 颗倾斜同步轨道卫星。

地面段由主控站、注入站、监测站组成。主控站用于系统运行管理与控制，注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理。

用户段即用户的终端，接收机需要捕获并跟踪卫星的信号，根据数据按一定的方式进行定位计算。

目前第二代的北斗导航系统采用的是无源定位技术，通过4 颗卫星信号来定位，信号更强，精度更高。

03北斗系统的心脏：原子钟

上面提到过，在精密定位中需要利用原子钟作为同步标准来确保定位精度。而原子钟也是卫星导航系统中普遍使用的精确计时工具，是卫星导航系统的关键支撑技术之一。

星载原子钟是北斗导航卫星的最关键载荷之一，是时频分系统的心脏，可为卫星系统提供高稳定的时间频率型号，其性能决定了导航系统定位、测速及授时的精度。理论上如果钟的精度提高，导航精度也会改善。

人们日常生活需要知道准确的时间，生产、科研上更是如此。特别是在某些特殊应用领域，则需要非常准确的计时工具。原子钟是目前人类最精确的时间测量仪器，主要利用原子不受温度和压力影响的固定频率振荡的原理制成。

04与时俱进的精密定轨与信号编码

空间的精密定轨

日常生活中，最为熟悉的便是导航系统的高精度定位。而导航系统要帮助用户实现高精度定位，必须要先精确掌握卫星本身的精确位置和运动轨迹。

使用无线电测量方法，确立坐标原点在地心，通过大量的精密数值计算可以得知卫星本身的精确位置和运动轨迹。而计算机技术的迅速发展也提供了很好的帮助，复杂的运动方程通过大型计算机产生这些时刻表，将其计算结果与跟踪站无线电测量的实际结果进行比较，可以不断改进所用的算法，不断提高轨道预测的精度。

先进的信号编码

码分多址(CDMA,扩频，或者说是伪随机嗓声)，这种信号调制用于无源测距。这个信号能够让用户实现四维定位，而用户设备不需要有原子钟。

05北斗系统最为需要的环境段创新

北斗系统由空间段、地面段、用户段三部分组成，但实际上，系统上还包括了一个不易察觉的环境段。环境段与导航信号的电波传播密切相关，涉及的内容范围非常宽，从地面海上开始，到近地空间，直到地外空间，乃至深空。在这样巨大的空间内，包括不同的电波传输介质，自然和人为的电磁干扰，以及地形地物和植被的影响。

其环境段不仅影响到定位、导航和授时的精度，而且也会影响到用户接收机的正常工作，甚至导致信号中断。尤其是茂密的森林内、城市峡谷中，甚至各种各样室内应用，都有电波传播环境条件的限制。

面对环境段带来的难题，北斗系统可以：

从卫星导航系统设计着手，实现四大组成部分(星座空间段、环境增强段、地面运控段、用户系统段)一体化设计。针对环境段问题，确保系统的抗干扰能力和具有完好性保证的高精度性能。加强对卫星信号及其干扰源的监测和跟踪。

利用多样化的系统互补融合，利用北斗系统良好的兼容性，积极推进北斗与多个系统的兼容和互操作，同时将天基导航与地基导航、传统导航与新兴导航、无线电导航与惯性导航，以及多种多样的导航手段和资源实现系统集成化整合。

06北斗的兼容性

北斗系统是我国独立研发和建设的导航系统，与其他卫星导航系统的能够实现兼容共用将是十分重要的。

具体来讲，北斗系统的兼容是指两个或多个卫星导航系统共同工作时，不会对单个系统服务产生不可接受的干扰；从技术层面上讲，主要是在频段选择、信号调制方式以及信号功率设计等方面不会对其他系统产生不可接受的干扰。

兼容的更高层级是互操作，互操作是从服务的角度讲，指的是同时使用多个卫星导航系统时，比使用单一系统能够得到更好的性能；从技术层面上，互操作包括空间信号互操作、星座互操作以及信息互操作。其中信息互操作包括时间和空间参考系统的互操作。因此，兼容仅仅指信号不干扰，是多个系统互不干扰正常工作的基础，适用于授权服务信号和公开服务信号；而互操作是目的，是多个系统之间信息和资源共享的手段，是更高层面的性能，目前仅适用于公开服务信号。

为了实现兼容性，从系统层面来说，北斗系统的频率选择尽量不与世界其他卫星导航系统(包括GPS、GLONASS和Galileo)发生频段重叠，但是，实际中，北斗系统与Galileo的相应频段重叠。为了实现较好的兼容，我国北斗与Gaileo之间的互操作协调渠道已经建立，用户可选的互操作频段为L1(E1)和L5(L5a)。

今年是北斗系统全面推广的年份，北斗的标配化可以极大地推进北斗进入GNSS的融合步伐。同时让中国卫星导航市场中的北斗应用显性化，同步推进北斗的应用规模化、服务产业化、市场全球化。