作者：焦维新
出版社：知识产权出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
北斗卫星导航系统试读：
自序
在北京大学讲授“太空探索”课程已近二十年，学生选课的热情和对太空的关注度，给我留下了深刻的印象。这门课程是面向文理科学生的通选课，每次上课限定二百人，但选课的人数有时多达五六百人。近年来，我加入了“中国科学院老科学家科普演讲团”，每年在大、中、小学及公务员中作近百场科普讲座。广大青少年在讲座会场所洋溢出的热情令我感动。学生听课时的全神贯注、提问时的踊跃，特别是讲座结束后众多学生围着我要求签名的场面，使我感触颇深，学生对于向他们传授知识的人是多么敬重啊！
上述情况说明，广大中小学生和民众非常关注太空活动，渴望了解太空知识。正是基于这样的认识，我下决心“开设”一门中学生版的“太空探索”课程。除了继续进行科普宣传外，我还要写一套适合于中小学生的太空探索科普丛书，将课堂扩大到社会，使读者对广袤无垠的太空有系统的了解和全面的认识，对空间技术的魅力有深刻的体会，从根本上激励青少年热爱科学、刻苦学习、奋发向上，树立为祖国的科技腾飞贡献力量的理想。
我在着手写这套科普丛书之前，已经出版了四部关于空间科学与技术方面的大学本科教材，包括专为太空探索课程编著的教材《太空探索》，但写作科普书还是第一次。提起科普书，人们常用“知识性、趣味性、可读性”来要求，但满足这几点要求实在太不容易了。究竟选择哪些内容？怎样使读者对太空探索活动和太空科学知识产生兴趣？怎样的深度才能适合更多的人阅读？这些都是需要逐步摸索的。
为了跳出写教材的思路，满足知识性、趣味性和可读性的要求，本套丛书写作伊始，我就请夫人刘月兰做第一个读者，每写完两三章，就让她阅读，并分为三种情况。第一种情况，内容适合中学生，写得也较通俗易懂，这部分就通过了；第二种情况，内容还比较合适，但写得不够通俗，用词太专业，对于这部分内容，我进一步在语言上下功夫；第三种情况，内容太深，不适于中学生阅读，这部分就删掉了。儿子焦长锐和儿媳周媛都是从事社会科学的，我也让他们阅读并提出修改意见。
科普书与教材的写作目的和要求大不一样。教材不管写得怎样，学生都要看下去，因为有考试的要求；而对于科普书来说，阅读科普书是读者自我教育的过程，如果没有兴趣，看不下去，知识性再强，也达不到传递知识的目的。因此，对科普书的最基本要求是趣味性和可读性。
自加入中国科学院老科学家科普演讲团后，每年给大、中、小学生作科普讲座的次数明显增多。这种经历使我对不同文化水平人群的兴趣点、接受知识的能力等有了直接的感受，因此，写作思路也发生了变化。以前总是首先考虑知识的系统性、完整性和逻辑性，现在我首先考虑从哪儿入手能引起读者的兴趣，然后逐渐展开。科普书不可能有小说或传记文学那样动人的情节，但科学上的新发现、科技在推动人类进步方面的巨大作用、优秀科学家的人格魅力，这些材料如果组织得好，也是可以引人入胜的。
内容是图书的灵魂，相同的题材，可以有不同的内容。在内容的选择上，我觉得科普书应该给读者最新的、最前沿的知识。例如，《太空资源》一书中，我将哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜拍摄到的具有代表性的图片展示给读者，这些图片都有很高的清晰度，充满梦幻色彩，非常漂亮，让读者直观地看到宇宙深处的奇观。读者在惊叹之余，更能领略到人类科技的魅力。
在创作本套丛书时，我尽力在有关的章节中体现这样的思想：科普图书不光是普及科学知识，更重要的是要弘扬科学精神、提高科学素养。太空探索之路是不平坦的，充满了挑战，航天员甚至要面对生命危险。科学家们享受过成功的喜悦，也承受了一次次失败的打击。没有强烈的探索精神，没有坚强的战斗意志，人类不可能在太空探索方面取得如此辉煌的成就。
现在呈现给大家的《青少年太空探索科普丛书》，系统地介绍了太阳系天体、空间环境、太空技术应用等方面的知识，每册一个专题，具有相对独立性，整套则使读者对当今重要的太空问题有系统的了解。各分册分别是《月球文化与月球探测》《遨游太阳系》《地外生命的365个问题》《间谍卫星大揭秘》《人类为什么要建空间站》《空间天气与人类社会》《揭开金星神秘的面纱》《北斗卫星导航系统》《太空资源》《巨行星探秘》。经过知识产权出版社领导和编辑的努力，这套丛书已经入选国家新闻出版广电总局“十二五”国家重点图书出版规划项目，其中《月球文化与月球探测》已于2013年11月出版，并获得科技部评选的2014年“全国优秀科普作品”，其他九个分册获得2015年度国家出版基金的资助。
为了更加直观地介绍太空知识，本丛书含有大量彩色图片，书中部分图片已标明图片来源，其他未标注图片来源的主要取自美国国家航空航天局（NASA）、太空网（www.space.com）、喷气推进实验室（JPL）和欧洲空间局（ESA）的网站，也有少量图片取自英文维基百科全书等网站。在此对这些网站表示衷心的感谢。
鉴于个人水平有限，书中不免有疏漏不妥之处，望读者在阅读时不吝赐教，以便我们再版时做出修正。第1章日常生活中的定位知识如果未来爆发一场“星球大战”，空间站充当太空基地，间谍卫星做侦探，还有一个任务举足轻重，那就是需要“定位”，这个任务毫无疑问地将由我们本书的主角——导航卫星来担当。介绍导航卫星之前，我们先从日常生活中的定位常识说起，大家会发现，原来导航定位就在我们身边，和我们是那样的息息相关。古人的定位方法北斗七星辨方向
辨别方向是日常生活中经常遇到的问题。现代科学技术非常发达，有许多电子导航定位的方法和技术；但在科学技术非常落后的古代，人们用什么方法来辨别方向呢？一个简单实用的办法是观察天空——白天用太阳辨别方向，日出为东，日落为西，中午太阳在南；夜间则用北斗七星来辨别方向。▲北斗七星
北斗七星是由大熊座的七颗明亮的恒星组成的，在北天排列成斗形，常被当作指示方向的重要标志。北斗七星的中国星名（按照由斗口至斗杓（sháo）连线的顺序）分别为天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳和摇光。前四颗称“斗魁”，后三颗称“斗杓”。通过斗口天璇至天枢的连线再延长5倍可以找到北极星。北极星指示的方向便是正北方。▲美国阿拉斯加州的州旗，该州靠近北极，州旗就是北斗七星与北极星。用指南针辨别方向
指南针是一种辨别方向的简单仪器，又称指北针，是我国的四大发明之一，其前身是中国的司南。指南针的主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上，磁针的北极指向地球北极，人们利用它的这一性能辨别方向。
要确定更精确方向时，除了指南针之外，还需要有方位盘相配合。最初使用指南针时，可能没有固定的方位盘，后来为了满足使用便利性的需要，集磁针和方位盘于一体的罗盘出现了。
罗盘上刻画了二十四个方向，这样一来只要看一看磁针在罗盘上的位置，就能判断出方向来。南宋时，曾三异在《因话录》中记载了有关这方面的应用：“地螺或有子午正针，或用子午丙壬间缝针。”这是有关罗盘的最早文献记载。文献中所说的“地螺”，就是地罗，也就是罗盘。文献中已经把磁偏角的知识应用到罗盘上。▲司南与罗盘用特定的建筑物定位平面情况
在现代日常生活中，我们也经常遇到定位的问题。比如你邀一个朋友到天安门广场去玩，快到时你用手机问朋友：“你到哪儿了？”“我在人民英雄纪念碑正北大约10米。”这两句简单的对话就显示了我们日常生活中的定位方法，就是以一座大家都知道的建筑物为标志，确定到标志的距离和所在地与标志物的方向关系。有了这些信息，位置就完全确定了。这也告诉我们定位的基本条件：一是已知建筑物的位置；二是知道（或可测定）到已知建筑物的方向和距离。下面我们再以平面为例，说明定位的原理和方法。▲用特定的建筑物定位
还以你与朋友到天安门广场为例。如果你问朋友现在在什么位置，他回答说：“距离人民英雄纪念碑300米。”用几何的语言分析他的位置，应当在以人民英雄纪念碑为中心，半径为300米的圆周上，即右图中蓝色虚线。按照这个朋友目前给出的信息，你还无法准确知道他的位置。如果你再问：“你现在离天安门城楼有多远？”他回答说：“大约500米。”这时，又可以确定，他在以天安门城楼为中心，半径为500米的圆周上，即右图中紫色虚线。因为他同时在两个圆的圆周上，所以他一定位于这两个圆的交点上，即上图中标出的两个浅蓝色的圆点上。现在虽然还不知道这个朋友的准确位置，但目标范围缩小了，只有两个点。为了确定他的准确位置，他可以告诉你是位于天安门广场中轴线以东或以西，或者再告诉你，距离人民大会堂东门200米。这时，他的位置就完全确定下来了，是3个圆周的交点。
上面的叙述似乎显得很啰唆，而且朋友所说的距离，也仅仅是目测，不够准确，但这种方法就是定位的基本原理，即根据到已知点的方向和距离，确定待测点的位置。立体情况
现实生活中，我们不仅要在陆地上定位，还要在海上和空中定位，如飞机在某个时刻处于什么位置，那就是三维情况。此时采用的方法与前面叙述的完全类似，只是从平面问题变为立体问题。▲若已知待定点到一颗卫星的距离为L，则待定点在以卫星所在处为中心，以L为半径的球面上。▲若知道待定点到两颗卫星的距离，则待定点一定在两个球面的交接处，是一个圆环。
一般来说，在同一点接收到的卫星信号越多，定位精度越高。这种情况下，从数学的角度看，待定点的解不具有唯一性，但对多个解进行误差数据处理，可以得到最佳精度的解。▲若知道待定点到第三颗卫星的距离，则待定点一定在第三个球面与圆环的交界处，是两个点。▲如果再知道待定点到第四颗卫星的距离，则可准确确定待定点位置，即为图中的闪光点。▲同时接收4颗卫星的信号第2章太空航标灯如果把参照物搬到天上，会有什么奇妙的现象发生？卫星导航的原理是什么？现在都有哪些成熟的卫星导航系统？本章，我们将一点点接近卫星导航系统的核心，探索其神秘而强大的导航本领。将参照物搬到太空什么叫卫星定位？
卫星定位就是通过卫星来确定用户的位置，通俗地说就是由卫星来告诉你，你现在位于什么地方。
卫星定位原理与前面叙述的一样，只是把已知建筑物“搬到了”太空，通过卫星进行导航定位。为了使地球表面绝大部分地区都能接收到卫星信号，对太空中卫星的数量有一定的要求，如美国的全球定位系统（GPS）星座由24颗卫星构成，除了极区之外，地球表面任一位置都能同时接收到4颗以上卫星的信号，以确保定位的精度。▲由4颗卫星信号定位
现代城市高楼林立，对卫星信号有遮挡，这种现象称为“城市森林”问题。多种导航定位系统并存，增加导航卫星的数量可在一定程度上缓解这个问题。▲城市森林问题卫星定位的原理
卫星定位可以通过三个步骤实现。
第一步：确定空间的参考点（S），这些参考点就是导航卫星所在位置，在确定的时刻，卫星位置是已知的。
第二步：测量待定点到各个导航卫星的距离（R）。
第三步：根据几何关系，计算待定点的位置（X）。
卫星的位置（S）是怎么知道的呢？这个问题还是比较简单的，根据卫星的轨道和地面测控站的数据，就可以确定任一时刻卫星的位置。▲卫星定位原理▲确定卫星的位置
怎样确定待定点到卫星的距离（R）呢？这个问题看似复杂，其实原理也很简单，就是将电磁波从卫星传输到用户（待定点）所用的时间乘以光速。在具体操作过程中，卫星和待定点的接收机已经把许多事情都准备好了。导航卫星发射编码信号，接收机接收到的信号会有时间延迟，即下图中所示的Δt；用这个延迟时间乘以光速，就是待定点到卫星的距离。▲通过信号延迟来确定待定点到卫星的距离
现在，我们把卫星定位原理做个小结：
●由轨道参数和地面站测控数据确定导航卫星的位置。
●待定点到卫星的距离由信号的延迟时间乘以光速确定。
●若已知待定点到4颗卫星的距离，则可准确计算出待定点所在的位置和当时的时间（x, y, z, t），其中x、y、z是位置坐标。▲卫星定位原理导航什么叫导航？
导航就是引导飞机、舰船、车辆以及行人，准确地沿着所选路线，准时地到达目的地。
导航首先需要定位，需实时知道在哪儿，去哪儿，怎样到那儿。解决这些问题要有相应的软件。卫星导航就是利用卫星确定运动物体和其目标位置，并按照程序指引运动物体到达指定目标。
其实，在日常生活中也经常遇到“导航”的问题。例如，有位朋友要到你家做客，但他不知道你家的确切位置和怎样乘车。于是你就会告诉他，在某处坐××路公共汽车，到××站下车，下车后又往××方向走，大约走××米就到了。你的指引就是在为朋友导航，你能承担起导航的任务是因为你具备了两个条件：首先你知道朋友的位置，当然也知道自己家的确切位置；另外你知道从朋友所在处到你家的行车路线或行走路线。由于你具备了这两个条件，所以你的导航肯定是成功的，朋友会很容易到达你家。▲车载导航仪
让我们再回到卫星导航的话题。假设你自驾到杭州旅游，车上带有卫星导航设备。你所需要做的工作非常简单：将导航系统设置好，如出发地和目标地。剩下的工作都由导航设备完成。从北京到杭州有多条路线，导航软件会选定一条最佳路线。在旅途中，导航设备可以随时显示你的位置，这都是由卫星定位系统实现的，至于说到某个路口应怎样转弯，那是由导航软件决定的。卫星导航系统发展概况
截至2013年年底，只有美国的全球定位系统（GPS）以及俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）是覆盖全球的定位系统。中国的北斗卫星导航系统（BDS）于2012年12月开始服务于亚太区（由16颗卫星组成），预计于2020年达到35颗卫星，可覆盖全球。欧盟的伽利略（Galileo）定位系统则处于初期部署阶段，预计最早到2020年才能够完全运作。一些国家，包括法国、日本和印度，也在发展区域导航系统。日本的导航系统被称为准天顶卫星系统，是辅助GPS的系统，服务只覆盖东亚，预计由4颗卫星组成，目前只在2010年发射了1颗卫星，预计到2017年完成卫星发射任务。▲目前全世界卫星导航系统的构成第3章典型的卫星导航系统在我们的穹顶之上，有一个超级俱乐部，它只有四个成员，却吸引了各国元首和科学家的关注。这个俱乐部就是全球卫星导航系统，四个成员分别是美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯系统、欧盟的伽利略系统，以及中国的北斗卫星导航系统。它们在不同轨道错综交织，组成了一张张导航系统的“天网”。本章我们将重点介绍国外三个典型的卫星导航系统。美国的全球定位系统全球定位系统的构成
美国的全球定位系统（Global Positioning System, GPS）由空间部分、地面控制部分和用户部分构成。GPS是美国国防部研制和维护的中距离圆形轨道卫星导航系统，它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。▲GPS的构成
GPS系统具有以下特点：
●全天候，不受任何天气的影响；
●全球覆盖（覆盖率高达98%）；
●三维定点定速定时，高精度；
●快速、省时、高效率；
●应用广泛、多功能；
●可移动定位。空间部分
GPS的空间部分由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的倾角为55°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。卫星的轨道高度20200千米，轨道周期11小时58分。▲GPS星座
GPS卫星主要部件包括星载原子钟（铯钟、铷钟和氢原子钟），天线（有12个单元的多波束定向天线和全向遥测遥控天线）以及太阳能电池板与蓄电池。
星上的核心设备是高精度铯原子钟，稳定度为10-13～10-14，具有抗辐射性能，它发射的标准频率信号为GPS定位提供高精度的时间标准。
GPS卫星产生两组电码，一组称为C/A码；一组称为P码，P码频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，主要为美国军方服务。C/A码在被人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放作为民用。▲GPS-2RM卫星地面监控部分
地面监控部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站构成，分布于地面的5个地点。
主控站又称联合空间执行中心，位于美国科罗拉多州斯普林斯附近的佛肯空军基地。其主要任务是：（1）采集数据、推算编制导航电文；（2）给定GPS系统时间基准；（3）负责协调和管理所有地面监控站和注入站系统，诊断所有地面支撑系统和天空卫星的健康状况，并加以编码向用户指示，使得整个系统正常工作；（4）调整卫星运动状态，启动备用卫星。
注入站将主控站传来的卫星星历、钟差信息、导航电文和其他控制指令等注入卫星的存储器中，使卫星的广播信号获得更高的精度，满足用户的需求。
监测站共有5个，配备高精度铯钟和双频GPS接收机，在主控站的直接控制下，自动对卫星进行持续不断的跟踪测量，将接收到的数据进行处理和存储，然后传送到主控站。▲GPS系统的地面监控部分用户设备
用户设备由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机等）组成。用户设备的作用是接收GPS卫星发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。这些设备随着用户使用目的的不同而有各种各样的型号。▲部分接收机的性能和价格GPS的现代化进程
自从1978年10月6日美国第一颗GPS卫星上天以来，已有多颗各种类型的GPS导航卫星被发射升空。1994年3月10日，由24颗卫星构成的导航卫星星座部署完毕，标志着GPS正式建成。到目前为止，美国共发射了61G\2PS卫星，包G\2PS-1、GPS-2、GPS-2A、GPS-2R、GPS-2RM和GPS-2F等型号。
自正式投入使用以来，GPS陆续暴露出一些问题，主要是卫星发射的信号太弱，只有几毫瓦，因此容易受到干扰。一台1瓦的干扰机就能有效干扰60千米远的质量较好的商用GPS接收机，使其不能接收导航卫星信号。为此，美国在不断提高GPS卫星的性能。
现在，美国已提出了多项GPS抗干扰措施：（1）研制抗干扰的军用接收机，通过改进软件或预先设置抗干扰措施，过滤掉干扰信号；（2）对卫星进行改造，增强信号的强度，增加新的导航信号，开发新的军用密码，保证在现有信号受到敌方干扰而失效时，卫星仍然能够发挥作用；（3）提高自主能力，使导航卫星能短时期摆脱对地面系统的依赖。▲GPS-2F卫星
从2010年开始陆续发射的12颗GPS-2F卫星上，除了具有GPS-2RM的功能外，还增加了新的民用频率，信号功率也提高了10倍，并采用星间链路和自主导航新技术，使GPS卫星可自主运行60～180天。GPS-2F卫星还采用了更先进的星上原子钟，可使GPS-2F卫星钟系统的误差达到每天8纳秒。
计划发射的GPS-3系列卫星将选择全新的设计方案，使信号功率比现有系统提高100倍；使用更高性能的原子钟，如氢钟，以增大卫星使用寿命；改变卫星轨道构型和轨道高度，放弃额定24颗中地球轨道卫星的星座配置方案，采用33颗中地球轨道、高椭圆轨道和地球静止轨道卫星共同构成空间星座。GPS-3的定位、定时精度有可能分别达到30厘米和1纳秒。▲GPS-3A卫星俄罗斯的卫星导航系统构成特点
俄罗斯的卫星导航系统称为格洛纳斯系统（GLONASS），英文可解释为Global Navigation Satellite System，意译是“全球卫星导航系统”，由俄罗斯政府运作。▲格洛纳斯系统
GLONASS由卫星、地面测控站和用户设备三部分组成，目前的系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度19000千米，运行周期11小时15分钟。
该系统于1976年开始建设，1991年成为覆盖全球的卫星导航系统。从1982年12月12日开始，该系统的导航卫星不断得到补充，到1995年，在轨卫星数目基本满足要求，但随着俄罗斯经济不断走低，该系统也因失修等原因陷入崩溃的边缘。但从2001年到2010年10月，俄罗斯政府又补齐了该系统需要的24颗卫星。到2011年10月，该系统实现了全球定位导航。
20世纪60至70年代，由于当时的西科琳卫星定位系统过于陈旧，无法及时地提供准确的定位，苏联决定组建新的卫星导航系统。1968—1969年，苏联国防部、国家科学院和苏联海军联合开发新的导航系统，用于海陆空及太空的军事力量。1970年，这些部门联合制定了关于GLONASS计划的文书。1982年，该系统首颗卫星发射入轨。但由于航天拨款不足，该系统部分卫星一度老化，最严重时只剩7颗卫星运行。
在技术方面，GLONASS的抗干扰能力比GPS要好，但其单点定位精确度不及GPS系统。▲GLONASS-K卫星
2011年2月26日，俄罗斯发射了一颗GLONASS-K卫星。2013年7月2日，搭载三颗GLONASS-M导航卫星的俄罗斯质子-M运载火箭在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场点火升空后发生偏转并爆炸解体。与GPS比较
在技术方面，GLONASS与GPS相比有以下几点不同之处：
●卫星发射频率不同。基于这个原因，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。
●坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PZ-90）。
●时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。
此外，GLONASS的应用普及度还远不及GPS，这主要是由于俄罗斯长期以来不够重视开发民用市场。欧盟的伽利略系统系统构成和功能
伽利略（Galileo）系统的卫星星座由27颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，轨道高度23616千米，轨道倾角为56°。卫星寿命预期在12年以上。
由于伽利略卫星数量多，轨道位置高，覆盖面积将是GPS的2倍，所以其测量精度高，抗干扰性能强，并且能够与GPS、GLONASS系统兼容。
伽利略系统将提供以下4种导航服务。
●开放服务：为全球广大用户免费提供定位、导航和定时服务，而且能够达到GPS的标准服务水平。▲伽利略卫星导航系统
●商业服务：以发送加密的相关导航数据的方式，为导航和定时的特需用户提供定位、导航和定时信息。
●公共管制服务：使用一种特定而被管制的导航定位信号，为欧洲及盟国提供国家安全保障服务。
●人身安全服务：依据航空、航海和铁路公路运输的安全要求，为这三大领域的广大用户提供完全可靠的人身安全服务保障。▲伽利略系统能提供的服务▲伽利略在轨验证卫星与GPS比较
与GPS相比，伽利略系统具有自己的优势。
首先，它是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，这就在无形中极大地提高了导航定位的精度，这是伽利略计划给用户带来的直接好处。
其次，伽利略计划是欧盟自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，可提供高精度、高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以实现覆盖全球的导航和定位功能。伽利略系统还能够和GPS、GLONASS实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用1个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。
再次，伽利略系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时它还能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果通信失败，也能在几秒内通知客户。与美国的GPS相比，伽利略系统更先进，也更可靠。例如，GPS向别国提供的卫星信号只能发现地面大约10米长的物体，而伽利略系统的卫星则能发现1米长的目标。第4章北斗卫星导航系统我国的北斗卫星导航系统是“导航俱乐部”的“最新会员”，同时也是发展最迅猛的“会员”，如今，北斗系统已经成为一张崭新的“中国名片”。北斗系统是如何产生的，又经历了哪些曲折的发展历程，它对我们的生活将产生哪些影响？本章，我们将向大家全面介绍北斗系统的风采。建设中国卫星导航系统的思路先区域，后全球
20世纪70年代以来，全世界接连发生了多次局部战争，这些战争本身所反映出的特征以及战争后果，给我们以深刻的启示。作为最大的发展中国家，要想使自己持续稳定地发展，不受超级大国的欺负，无论是从军事还是从发展经济的角度考虑，一定要有自己的全球卫星导航系统。
中国的卫星导航系统究竟怎样建设，是一个值得认真思考的问题。美国的卫星导航系统经历了很长的发展历程，单从GPS系统来说，从20世纪70年代开始建设，一直到1994年才完全建成，持续时间近20年。我们不可能走GPS的发展路线，这个时间我们花不起，一定要走适合中国国情的道路。我国的一些科学家经过论证，提出了“先区域，后全球”的总体思路：首先，建设北斗卫星导航试验系统（以下简称北斗试验系统），这是一个区域导航系统；其次，建设北斗全球卫星导航系统，在这个过程中也遵循这样的原则，先建设覆盖亚太地区的区域系统，再逐渐发展到全球。这样的战略有两个优点：一是边建设边使用，使系统尽快发挥作用；二是为后续发展积累技术经验，使整个系统的建设达到很高的水平。北斗卫星导航试验系统
20世纪70年代末，我国开始积极探索适合我国国情的卫星导航系统的技术途径和方案。
1983年，我国著名的航天专家陈芳允院士提出了利用两颗地球同步轨道通信卫星实现区域快速导航定位的方案设想。1989年，我国利用通信卫星进行了演示验证试验，证明了北斗试验系统技术体制的正确性和可行性。1994年，我国启动了北斗卫星试验系统建设。2000年10月31日、12月21日，我国先后发射两颗北斗导航试验卫星，分别定点于东经140°和东经80°，建成了北斗卫星试验系统，标志着我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2003年5月25日，我国发射了第三颗北斗导航试验卫星，定点于东经110.5°，进一步增强了北斗卫星的导航性能。第三颗星为在轨备份卫星。▲北斗卫星导航试验系统构成
北斗试验系统由空间卫星、地面主控站（控制中心）与标校站、用户终端设备三大部分组成，它具有快速二维定位、双向简短报文通信和精密授时三大基本功能。该系统基于“二球交会”原理进行定位，即以2颗卫星的已知位置坐标为圆心，各以测定的本星至用户机的距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。地面控制中心存储的电子高程地图库提供1个以地心为球心，以球心至用户机的距离为半径的球面。求解圆弧线与该球面的交点，并根据用户在赤道平面北侧的实际情况，即可获得用户的二维位置坐标。
北斗试验系统主要有以下几方面的应用特点。
●系统覆盖我国全部国土及周边区域。
北斗试验系统是覆盖我国本土及周边地区的区域性卫星导航定位系统，覆盖范围为东经70°～145°，北纬5°～55°，可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域，在我国全境范围内具有良好的导航定位可用性。
●系统定位、授时精度能满足导航定位需要。
北斗试验系统的二维水平定位精度为20米（不设标校站区域该精度为100米），双向授时精度20纳秒（单向授时精度100纳秒），与GPS系统的民用精度基本相当，能满足用户导航定位和授时要求。北斗试验系统的注册用户分为3个服务等级，对应的定位响应时延分别为：一类用户5秒，二类用户2秒，三类用户1秒。北斗试验系统具有单向和双向两种授时功能，根据不同的精度要求，定时传送最新授时信息给用户终端，供用户完成与北斗试验系统之间时间差的修正。
●系统双向报文通信功能应用优势明显。
北斗试验系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信能力。系统一般用户1次可传输36个汉字，经核准的用户利用连续传送方式1次最多可传送120个汉字。这种双向简短报文通信服务，可有效地满足通信信息量较小，但即时性要求却很高的各类型用户应用系统的要求。这很适合集团用户大范围监控管理和通信不发达地区数据采集传输使用。对于既需要定位信息又需要把定位信息传递出去的用户，北斗试验系统将是非常有用的。需特别指出的是，北斗试验系统具备的这种双向简短报文通信功能，目前已广泛应用的国外卫星导航定位系统（如GPS、GLONASS）并不具备。
●系统的有源定位体制使用户定位的隐蔽性、实时性较差，用户容量受限。
北斗试验系统是有源定位，即用户需要发射信号，这种工作方式使用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上是不利的。另外，北斗试验系统对地面控制中心的依赖性大，一旦其地面中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。用户设备必须包含发射机，因此在体积、重量、功耗和价格方面远比GPS接收机逊色。
北斗试验系统从用户发出定位申请，到收到定位结果，整个定位响应时间最快为1秒，即用户终端机最快可在1秒后完成定位。这1秒的定位时延对飞机、导弹等高速运动的用户来说是比较长的，所以，北斗试验系统适合为车辆、船舶等慢速运动的用户提供服务。北斗试验系统导航定位实时性较差，面对高动态载体（如飞机、导弹等），它的缺陷是显而易见的。
北斗试验系统的上述应用特点，决定了该系统适合在我国境内，在测绘、电信、水利、交通运输、勘探等使用要求相对较低的民用领域进行导航定位、报文通信和授时服务等应用。
由于北斗试验系统采用有源定位体制，使系统在用户容量、定位精度、隐蔽性和定位频度等方面均受到一定限制，而且系统无测速功能，不能满足远程精确打击武器的高精度制导要求。但是与其他卫星导航系统相比，该系统的投资要少得多，而且它还具有其他系统所不具备的位置报告和通信功能。因此，可以说北斗试验系统是一个性价比较高的、具有中国特色的卫星导航系统。北斗卫星导航系统构成特点人造卫星的轨道
前文介绍GPS卫星的时候，已经简单介绍了人造卫星的轨道，这里我们做一个比较详细的介绍，方便大家理解导航卫星在太空中的分布和运行情况。
人造卫星依靠地球的引力运行，当卫星具有了一定的速度时，便可以绕着地球做圆周运动，而不会从天上“掉下来”。
根据卫星运行的高度，卫星轨道分为以下3类。
●低轨道（Low Earth Orbit, LEO）：卫星飞行高度小于2000千米；
●中高轨道（Medium Earth Orbit, MEO）：卫星飞行高度在2000～35786千米之间；
●高轨道（High Earth Orbit, HEO）：卫星飞行高度大于等于35786千米。
卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角称为轨道倾角，它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。
考虑轨道倾角因素，除以上3种卫星轨道外，还有两种特殊的轨道：
当轨道高度为35786千米时，卫星的运行周期和地球的自转周期相同，这种轨道称为地球同步轨道。
如果地球同步轨道的倾角为0°，则卫星正好在地球赤道上空，以与地球自转相同的角速度绕地球飞行，从地面上看，好像是静止的，这种卫星轨道称为地球静止轨道（Geostationary Orbit, GEO），它是地球同步轨道的特例。地球静止轨道只有一条。
如果地球同步轨道的倾角不为0°，则称为倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO）。▲地球卫星轨道示意图整体构成特点
考虑到北斗卫星导航试验系统的不足，我国第二代无源全球卫星导航系统，即北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）应运而生。
北斗系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成。
空间星座部分由5颗地球静止轨道（GEO）卫星和30颗非地球静止轨道卫星组成。GEO卫星分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。非地球静止轨道卫星由27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。其中，MEO卫星轨道高度21500千米，轨道倾角55°，均匀分布在3个轨道面上；IGSO卫星轨道高度35786千米，均匀分布在3个倾斜地球同步轨道面上，轨道倾角55°,3颗IGSO卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，相位差120°。▲北斗系统空间星座的构成▲不同轨道上的北斗卫星
地面控制部分由若干主控站、注入站和监测站组成。主控站收集各个监测站的观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行控制与管理等；注入站在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息注入以及有效载荷的控制管理；监测站对导航卫星进行连续跟踪监测，接收导航信号，发送给主控站，为卫星轨道的确定和时间同步提供观测数据。
用户终端部分是指各类北斗系统用户终端，以及与其他卫星导航系统兼容的终端，它们可以满足不同领域和行业的应用需求。
北斗系统建成后将为全球用户提供卫星定位、测速和授时服务，并为我国及周边地区用户提供定位精度优于1米的广域差分服务和120个汉字/次的短报文通信服务。地球静止轨道卫星的作用
地球静止轨道（GEO）是轨道高度为35786千米，卫星的运行周期和地球的自转周期相同，轨道倾角为0°的轨道。在这样轨道上的卫星有很多优点，在区域卫星导航系统中可充分利用。由于GEO位置很高，每颗卫星可覆盖地球表面的42%，而每颗中轨的GPS卫星只能覆盖37.9%，所以采用GEO卫星可减少星座的卫星数量。此外，GEO卫星可综合利用，从而降低系统的成本；卫星为用户提供24小时的连续覆盖，将系统必需的信息传播给服务区内用户，由此简化非静止轨道卫星的复杂度。但是整个星座不能全部采用静止卫星，因为静止卫星都在赤道平面上，用户必须采用至少一颗赤道平面之外的运动卫星进行定位解算。5颗GEO卫星可基本实现对中国区域的五重增强覆盖。
使用GEO卫星也是继承了北斗卫星导航试验系统的技术，既能为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告及短报文通信功能。
另外，用5颗GEO卫星进行精度增强，可以满足我国及其周边地区的航空导航的精度要求。倾斜地球同步轨道卫星的作用▲IGSO卫星星下点轨迹
倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星高度与地球静止轨道（GEO）卫星的高度相同，就周期而言，与地球自转同步。但它的轨道倾角不为零（北斗为55°），卫星不会始终停留在赤道上，如果它是圆形轨道，则有半周在北半球，半周在南半球。地球自转时，卫星沿纬度的小圆（在赤道上为大圆）是匀速的，由于它的轨道上升段（倾斜段）相对赤道是倾斜的，在地球坐标系内它将落后于地球自转，表现为一面上升一面后退。但因其周期与地球自转一致，故在其轨道的（与赤道）平行或接近平行段，必然比地球自转的速度变化大，在地球坐标系内的表现为东进。到第二次轨道面倾斜时再度西退，直到半周。在地球坐标系中这一轨道运动表现为一个“8”字形。
IGSO轨道卫星克服了GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题，可以对高纬度地区进行有效的信号增强。3颗IGSO卫星轨道最北到北纬55°，可在我国领土范围内进行有效的精度增强，同时也可克服高纬度地区始终是低仰角的问题。
考虑到IGSO卫星与GEO卫星配合组成星座及我国地处北半球和疆域范围大的情形，若使我国领土上任何地点在任意时刻都能观测到至少1颗IGSO卫星计，只发射1颗IGSO卫星显然不能达到这个要求，它运行到赤道上空及运行到南半球偏南的位置时，无法在我国实现三维定位。北斗卫星导航系统功能特点服务类型
1．北斗系统提供开放服务和授权服务
北斗系统的开放服务面向全球范围，定位精度10米、授时精度20纳秒、测速精度0.2米/秒；授权服务包括全球范围更高性能的导航定位服务。北斗系统还提供亚太地区的广域差分服务和短报文通信服务，其中广域差分服务精度1米，短报文通信服务能力为每次120个汉字。
在中国及周边地区，北斗系统基本服务性能如下：服务区为南纬55°～北纬55°、东经55°～东经180°。
2．导航信号
北斗系统在B1、B2和B3三个频段上发射三路开放服务导航信号、三路授权服务导航信号。
3．时间系统
北斗系统的系统时间称北斗时（BDT）。北斗时属原子时，起算历元时间是2006年1月1日0时0分0秒（UTC，协调世界时）。BDT溯源到中国协调世界时UTC（NTSC，国家授时中心），与UTC的时差控制准确度小于100纳秒。北斗系统与GPS对比
●北斗系统的混合轨道适合一箭多星发射，并便于轨道及卫星的维护和管理，而GPS-2不具备；北斗卫星在地球上任何地方、任何时间的可见数量和可见时间以及所测卫星的空间几何分布均优于GPS-2。
●北斗系统与GPS-2均采用3频信号体制，工作频率较为接近，测距码都有粗码（民用码）和精码（军用码）之分，二者的信号功率和抗干扰能力相当，但北斗系统信号的设计体制要优于GPS-2。
●北斗系统与GPS-2的卫星上都装有激光反射镜和铷原子钟，精密定轨精度相当。
●北斗系统的定位精度优于10米，实际上在有效降低卫星星历误差和卫星钟差的前提下，利用双频电离层改正模型对大气延迟进行实时精确的改正后，北斗系统用户的单点定位精度有望能提高到5米，甚至更高，从而超过GPS-2宣称的定位精度为5～10米的水平。
●北斗系统在5颗地球静止轨道（GEO）卫星上采用卫星无线电导航和卫星无线电测定的双重体制，不仅能与其他轨道卫星一起提供无源定位服务，还能由这5颗GEO卫星向区域用户提供有源定位、位置报告和短报文通信服务（这5颗GEO卫星还兼有太空基站的作用，能向我国及周边地区用户提供精度优于1米的广域差分服务），而GPS采用单一的卫星无线电导航体制，所以只能为全球用户提供导航、定位、测速和授时服务。
●北斗系统与GPS-2具有很强的兼容共用能力。第5章导航系统的心脏原子钟是一种精确测量时间的时钟，它以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确。原子钟是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，用来控制电视广播和全球导航定位系统卫星的信号。中国原子钟发展的历史第一代原子钟
原子由原子核和电子组成，电子绕原子核高速旋转，有不同的旋转轨道。电子在不同的旋转轨道上具有不同的能量，这些能量是不连续的，称为能级。电子在不同的能级之间可以跃迁，当电子从一个高“能量态”跃迁至低“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波的频率就是人们所说的共振频率。同一种原子的同一种跃迁的共振频率是一定的，例如铯133的一个共振频率为9192631770赫兹。由于共振频率非常稳定，利用它制作的计时仪器就可以非常准确了。原子钟的出现是人类计时史上的一次革命，它使时间计量标准由传统的天文学的宏观领域过渡到一个崭新的微观领域。自此，人类的时间测量和授时工作进入了一个崭新的历史阶段。
现在用在原子钟里的元素有氢、铯和铷等，它们制成的原子钟分别以这些元素的名字命名，如铯原子钟等。针对不同的用途，用不同的元素开发出不同的原子钟。现在最小的原子钟只相当于一粒大米的
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]