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内容       ：北斗系统起源及工作原理

来自       ：时间的诗

原文：http://www.bingdun.com/news/bingdun/3252.htm

从来没有那个事物像 GPS 那样改变了人类的生活，你能想象没有 GPS 的生活情境吗？打开 GPS，地球上空的卫星在几分钟之内就会锁定你的位置，它还会告诉你行进的速度、所处位置的海拔高度……一切的一切，在习以为常之后，你是否觉得都这些是理所当然？

　　全球定位系统（GPS），最早由美国政府与 70 年代建设，前身是一套专为美军研制的定位系统，出于军用考量，为防止敌方通过定位信号截获美军的位置，定位系统被设定为单向传输，即 GPS 终端只接受卫星信号而不向外发射信号，这一特性也为 GPS 的民用领域奠定了基础。

　　目前，世界上可以提供精确定位的全球定位系统共有四种：美国的 GPS 定位系统、俄罗斯的格洛纳斯（Glonass）定位系统、中国的北斗定位系统、欧盟的伽利略定位系统。目前美国的 GPS 定位系统最为成熟，覆盖面也最广。

　　以美国 GPS 系统为例，主要由三部分组成：空间星座，包括 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星；地面监控系统，包括 1 个主控站、3 个注入站和 5 个监控站组成；用户设备，即 GPS 接收机，主要作用是从 GPS 卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

　　24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面上，即每个平面上 4 颗卫星。各个轨道面都被设定为特定的角度。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻，每个接收机至少可以接收到 4 颗卫星的信号。没颗卫星每时每刻都在向全球播报自己的位置信号。

　　既然 GPS 接收端不向卫星发送任何信息，只是被动的接收卫星数据，而卫星只是在播报自己的位置，那么 GPS 系统是如何通过这些数据来确定用户的位置的？在这里，就不得不提定位系统中的重中之重——原子钟与 GPS 芯片。

　　如果 GPS 芯片的作用可以理解的话，但原子钟有什么用？计时工具怎么会和定位有关联？回到定位原理的话题上来，卫星广播自己位置信息时，会附上信息发出的时间，GPS 终端接收到信息后，用当前时间减去发送时间，乘以传播速度（光速），即得出终端与卫星的距离。

　　读懂卫星发来的信息并进行相关运算，这些即是 GPS 芯片的核心功能。而为了能精确的测定接收终端与卫星的距离，在光速确定的情况下，时间必须精准，原子钟就是为了保证时间的精度。因为时间上再微小的误差，在乘以光速之后都会谬以千里。

　　但为什么是 4 颗？根据立体几何知识，三维空间中，三个坐标就可以确定一个点的位置。这样的话，只需要 3 颗卫星就足够了，多出一颗是做什么的呢？但事实上，要想进行定位，必须要四颗。

　　三颗卫星定位只是理想的状态下，光速的数字实在太大，对时间精度有极高的要求，同时，光速在大气中也会受到一定的影响而产生误差，卫星广播自己的位置也会有误差，这些误差的存在，使得 3 颗卫星不足以保证定位的精度。

　　根据爱因斯坦相对论，快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步，这样每天 GPS 卫星都会产生 38 微秒的偏差，即每天将会增大 11 千米的误差，这种误差也必须进行补偿。

　　所以，要进行的有效的定位，必须引入第四颗卫星来提高定位精度。而在日常生活中，实际应用上的定位卫星数量往往大于这个数量，理论上 GPS 接收机搜到的卫星数量越多则定位越精准。

　　以上是最常用的美国 GPS 导航系统定位原理，我国的北斗导航系统与之相比，其原理略有不同，在相关功能上有所创新，从应用的角度来说，相比 GPS，北斗导航系统有着不少独特的优势。

　　与美国 GPS 系统类似，北斗导航系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。空间段，北斗导航系统计划由 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。

　　第一代北斗导航系统的定位原理属于有源定位，需要用户终端主动发送信号，可靠性较差，最新的第二代北斗导航系统已采用了类似 GPS 的无源定位技术。即用户至少接收 4 颗卫星信号来定位。

　　由于卫星数量多余美国 GPS 定位系统，因此北斗定位系统的定位信号更强，精度也更高。而且北斗定位系统拥有独一无二的短报文传讯功能，可用于军事、救援、科研等许多方面。可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”

　　近日，国航天科工信息技术研究院西安航天华迅公司日前宣布，成功研发出第四代高性能北斗/GPS 导航芯片。该芯片定位精度为 2.5 米，俘获灵敏度、跟踪灵敏度等各项性能指标达到国际领先水平，已经超过了目前 GPS 的民用定位精度。