翻译: 中国北斗卫星导航系统 全球导航卫星系统 (GNSS)

Posted 2022-01-26 AI架构师易筋

将北斗卫星导航系统（BDS ;中国：北斗卫星导航系统;拼音：Běidǒu微星DǎohángXìtǒng）是中国 卫星导航系统。它由两个独立的卫星星座组成. 第一个北斗系统，正式名称为北斗卫星导航实验系统，也称为北斗一号，由三颗卫星组成，从 2000 年开始，主要为中国及周边地区的用户提供有限的覆盖和导航服务。北斗一号于2012年底退役。2020年6月23日，最后一颗北斗卫星成功发射，发射了北斗家族的第55颗卫星。北斗导航卫星系统的第三次迭代提供全球覆盖的授时和导航，是俄罗斯GLONASS、欧洲伽利略定位系统和美国GPS的替代方案。

该系统的第二代正式名称为北斗导航卫星系统 (BDS)，也称为 COMPASS 或北斗二号，于 2011 年 12 月在中国投入使用，部分星座由 10 颗卫星在轨。[4]自2012年12月以来，一直为亚太地区的客户提供服务。[5]

2015年，中国推出了全球覆盖的第三代北斗系统（BeiDou-3）。首颗北斗三号卫星于2015年3月30日发射。[6] 2018年12月27日，北斗卫星导航系统开始提供全球服务。[7] [8]北斗三号的第35颗，也是最后一颗卫星于2020年6月23日发射入轨。[9] 2016年，据说北斗三号将达到毫米级精度（后处理）。[10]

据《中国日报》报道，2015 年，卫星系统发射 15 年后，它为中国航天科工集团公司、高德控股有限公司和中国兵器工业集团公司等大公司创造了每年 315 亿美元的营业额。。[11]该行业已经成长，平均在20％以上的值，每年根据在2020年达到$ 64十亿新化引用数据。[12] [13]

国内行业报告预测，由北斗系统直接产生和驱动的卫星导航服务市场产值到 2025 年将达到 1 万亿元（1562.2 亿美元），到 2035 年将达到 4670 亿美元。[

1. 历史

1.1. 概念和初步发展

中国卫星导航系统的最初构想是由陈方云和他的同事在 1980 年代构想的。[18] GPS 接入被拒绝的风险，包括 1996 年第三次台海危机期间的一起案件，推动了北斗的诞生。[19]

据中国国家航天局介绍，2010年，该系统的开发将分三步进行：[20]

1. 2000-2003：由三颗卫星组成的实验性北斗导航系统
2. 到2012年：覆盖中国及周边地区的区域性北斗导航系统
3. 到 2020 年：全球北斗导航系统

第一颗卫星北斗 1A于 2000 年 10 月 30 日发射，随后北斗 1B于 2000 年 12 月 20 日发射。第三颗卫星北斗 1C（备用卫星）于 2003 年 5 月 25 日进入轨道。[21] [22]北斗一号C的成功发射也意味着北斗一号导航系统的建立。

2006年11月2日，中国宣布从2008年起，北斗将提供精度10米、计时0.2微秒、速度0.2米/秒的开放服务。[23]

2007年2月，北斗一号系统的第四颗也是最后一颗卫星北斗一号D（有时称为北斗二号A，作为备用卫星）发射升空。[24]据报道，该卫星的控制系统出现故障，但随后完全恢复。[25] [26]

2007年4月，北斗二号第一颗卫星Compass-M1（北斗二号星座频率验证）成功进入工作轨道。第二颗北斗二号星座卫星Compass-G2于 2009 年 4 月 15 日发射。[27]

2010年1月15日，北斗卫星导航系统官网正式上线，[28] 2010年1月17日，长征三号丙运载火箭将系统第三颗卫星（Compass-G1）送入轨道。[28]

2010 年 6 月 2 日，第四颗卫星成功发射入轨。[29]

2010 年 8 月 1 日，LM-3I运载火箭将第五颗轨道飞行器从西昌卫星发射中心发射升空。[30]

三个月后，即 2010 年 11 月 1 日，LM-3C 将第六颗卫星送入轨道。[31]

长征三号甲于2011年12月1日（UTC）从西昌卫星发射中心发射了另一颗卫星，北斗二号/罗盘IGSO-5（第五倾斜地球同步轨道）卫星。[32]

1.2 中国参与伽利略系统

2003年9月，中国有意加入欧洲伽利略定位系统项目，并计划在未来几年内向伽利略投资2.3亿欧元（2.96亿美元，1.6亿英镑）。[33]当时，人们认为中国的“北斗”导航系统将只供其武装部队使用。[23]

2004年10月，中国正式加入伽利略计划，签署了“伽利略联合计划”（GJU）与“中国国家遥感中心”（NRSCC）在伽利略计划中的合作协议。[34]根据中欧伽利略计划合作协议，中国伽利略工业公司（CGI），[35]中国参与伽利略计划的主要承包商，于 2004 年 12 月成立。[36]到 2006 年 4 月，11中国与欧盟签署了伽利略框架内的合作项目。[37]

然而，香港《南华早报》 2008年1月报道称，中国不满足于自己在伽利略项目中的角色，要在亚洲市场与伽利略竞争。

1.3 第三阶段

• 2014年11月，在国际海事组织（IMO）海上安全委员会第94次会议上，北斗成为全球无线电导航系统（WWRNS）的一部分，[38]批准了北斗导航卫星系统的《导航安全通告》 (BDS)。[39] [40]
• 北京时间2015年3月30日21时52分，长征三号丙运载火箭将首颗新一代北斗导航卫星（也是全球第17颗）成功送入轨道。[41] [42]
• 2019年4月20日，北斗卫星成功发射。美国军方跟踪数据显示，发射时间为北京时间22:41 ，长征三号乙将北斗导航有效载荷送入距离赤道220公里至35787公里的椭圆转移轨道，与赤道的倾角为28.5°。[43]
• 2020年6月23日，最后一颗北斗卫星发射成功，发射了北斗家族的第55颗卫星。北斗导航卫星系统的第三次迭代有望为授时和导航提供全球覆盖，为俄罗斯的GLONASS和欧洲伽利略定位系统以及美国的GPS提供替代方案。[44]

2. 北斗一号

2.1 描述

北斗一号覆盖面
北斗一号是一个实验性的区域导航系统，由四颗卫星（三颗工作卫星和一颗备用卫星）组成。这些卫星本身基于中国DFH-3地球静止通信卫星，每颗发射重量为1000公斤。[45]

与使用中地球轨道卫星的美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧洲伽利略系统不同，北斗一号使用地球静止轨道卫星。这意味着该系统不需要大型卫星星座，但它也将覆盖范围限制在地球上卫星可见的区域。[21]可服务区域为东经70°～140°、北纬5°～55°。系统频率为2491.75MHz。[25]

2.2 完成

第一颗卫星北斗 1A 于 2000 年 10 月 31 日发射。第二颗卫星北斗 1B 于 2000 年 12 月 21 日成功发射。该星座的最后一颗运行卫星北斗 1C 于 2003 年 5 月 25 日发射。[21]

2.3 位置计算

2007年，官方新华社报道称，北斗系统的分辨率低至0.5米。[46]对于现有的用户终端，校准精度似乎为 20 m（100 m，未校准）。[47]

2.4 终端

2008 年，北斗一号地面终端的成本约为 20,000元人民币（2,929美元），几乎是当代 GPS 终端价格的 10 倍。[48]终端的价格被解释为是由于进口微芯片的成本。[49] 2009年11月在深圳举行的中国高交会ELEXCON上，一台售价 3000元的北斗终端亮相。[50]

2.5 应用程序

• 2008 年四川地震后，使用了 1000 多个北斗一号终端，提供来自灾区的信息。[51]
• 截至 2009 年 10 月，云南所有的中国边防部队都配备了北斗一号设备。[52]

导航系统总设计师孙家东在2010年表示，“很多组织已经使用我们的系统有一段时间了，他们非常喜欢”。[53]

2.6 退役

在北斗二号系统开始运行后，北斗一号于 2012 年底退役。

3. 北斗二号

3.1 描述

2012年北斗二号覆盖面

GPS、Galileo、COMPASS的频率分配；E1 波段的浅红色表示尚未检测到该波段的传输。
北斗 2（以前称为 COMPASS）[54]不是旧北斗 1 的扩展，而是完全取代它。新系统的35颗卫星，其包括用于与北斗-1的向后兼容性（27 5颗地静止轨道卫星，和30个非对地静止卫星的星座中地球轨道和在倾斜3地球同步轨道），[55] ，提供完整的覆盖全球。

测距信号基于CDMA原理，具有典型的伽利略或现代化GPS 的复杂结构。与其他全球导航卫星系统(GNSS)类似，定位服务有两个级别：开放（公共）和受限（军用）。公共服务面向全球普通用户开放。当所有当前计划的 GNSS 部署完毕后，多星座接收器的用户将受益于总共 100 多颗卫星，这将显着改善定位的各个方面，尤其是在所谓的城市峡谷中的信号可用性。[56] COMPASS导航系统总设计师孙家东，他也是其前身原始北斗导航系统的总设计师。[引证需要]所有北斗卫星都配备了激光回射器阵列，用于卫星激光测距[57]和轨道质量的验证。[58] [59]

3.2 准确性

提供两个级别的服务——对平民的免费服务和对中国政府和军队的许可服务。[29] [60] [61]免费民用服务具有 10 米的位置跟踪精度，同步时钟精度为 10 纳秒，测量速度在 0.2 m/s 以内。受限军事服务的定位精度为 10 厘米，[62]可用于通信，并将向用户提供有关系统状态的信息。[需要引用] 2019年，国际GNSS服务开始在实验产品中提供北斗卫星的精确轨道。[57]

迄今为止，只授予人民解放军和巴基斯坦武装部队服兵役。[63] [64] [65]

3.3 频率

COMPASS 的频率分配在四个频段：E1、E2、E5B 和 E6；它们与伽利略重叠。从接收器设计的角度来看，重叠的事实可能很方便，但另一方面会引发系统干扰问题，尤其是在 E1 和 E2 频段内，这些频段分配给伽利略的公共监管服务。[66]然而，根据国际电信联盟(ITU) 政策，第一个在特定频率上开始广播的国家将优先使用该频率，任何后续用户在使用该频率之前都需要获得许可，否则确保他们的广播不会干扰原始频率国家的广播。到 2009 年，中国的 COMPASS 卫星似乎将在欧洲伽利略卫星之前开始在 E1、E2、E5B 和 E6 频段进行传输，因此对这些频率范围拥有主要权利。[67]

尽管中国官方对新系统信号的官方消息很少，但第一颗 COMPASS 卫星的发射使独立研究人员不仅可以研究信号的一般特征，甚至还可以建造 COMPASS 接收器。[需要引用]

3.4 指南针-M1

Compass-M1 是一颗于 2007 年 4 月 14 日发射的用于信号测试和验证以及频率归档的实验卫星。 Compass-M1 对 Compass 的作用类似于GIOVE卫星对伽利略系统的作用。Compass-M1 的轨道接近圆形，高度为 21,150 公里，倾角为 55.5°。[需要引用]

Compass-M1 以 3 个频段传输：E2、E5B 和 E6。在每个频带中，已检测到两个相移为 90°（正交）的相干子信号。这些信号分量进一步称为“I”和“Q”。“I”组件具有较短的代码，可能用于开放服务。“Q”组件具有更长的代码，更抗干扰，并且可能用于受限服务。[需要引用]

2007 年 4 月 14 日 Compass-M1 发射后立即开始了对传输信号的调查。不久之后，在 2007 年 6 月，CNES 的工程师报告了信号的频谱和结构。[68]一个月后，斯坦福大学的研究人员报告了“I”信号分量的完整解码。[69] [70]代码的知识允许Septentrio 的一组工程师构建 COMPASS 接收器[71]并报告 E2 和 E5B 上“I”信号的跟踪和多径特性。[72]

3.5 操作

北斗M5地面轨道（2012-050A）
2011年12月，系统试运行。[73]自2011年12月27日起开始免费向中国及周边地区提供导航、定位和授时数据。本次试运行期间，Compass将提供25米以内的定位精度，但随着卫星数量的增加，精度将进一步提高。推出。该系统正式上线时，承诺为广大用户提供精确到最近10米的定位信息，测量速度在0.2米/秒以内，并提供精确到0.02微秒的时钟同步信号。[74]

北斗二号系统于2012年12月开始为亚太地区提供服务。[5]此时，该系统可以提供东经55°至东经180°和南纬55°至北纬55°之间的定位数据. [75]

新一代北斗卫星支持短消息业务。[42]

3.6 完成

2011年12月，新华社称，“北斗系统的基本架构现已建立，工程师正在进行全面的系统测试和评估。该系统将为中国提供定位、导航和时间的试运行服务。据当局称，在今年年底之前及周边地区”。[76]该系统同月在中国地区开始运行。[4]全球导航系统应在2020年完成。[77]

截至 2012 年 12 月，北斗二号卫星已发射 16 颗，其中 14 颗在役。截至 2017 年 12 月，有 1.5 亿部中国智能手机（占市场的 20%）配备了使用北斗的设备。[78]

4. 北斗三号

北斗系统三期（BDS-3）包括3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星，引入新的信号频率B1C/B1I/B1A（1575.42 MHz）、B2a/B2b（1191.795 MHz）、 B3I/B3Q/B3A (1268.52 MHz) 和 Bs 测试频率 (2492.028 MHz)。关于新开放信号的接口控制文件于 2017-2018 年发布。[79]

2020年6月23日，在西昌卫星发射中心成功发射最后一颗卫星后，北斗三号星座部署全面完成。[80] [81] BDS-3 卫星还包括SBAS（B1C、B2a、B1A）和搜索和救援转发器功能。[82]

E2 和 E5B 上的“I”信号的特性通常与 GPS 的民用代码（L1-CA 和 L2C）相似，但 Compass 信号的功率稍大一些。本页使用的罗盘信号符号遵循频段的命名，与美国文献中使用的符号一致，但中国人使用的符号似乎不同。[需要引用]

在北斗 1 号上进行了类似的实验之后，在 2492.028 MHz [79]还进行了一个名为“Bs”的实验性S 波段广播。[84]

5. 北斗 现存卫星情况

区域性北斗一号系统于 2012 年底退役。[需要引用]

第二代系统的第一颗卫星 Compass-M1 于 2007 年发射。随后在 2009-2011 年又发射了 9 颗卫星，实现了功能性区域覆盖。这一阶段共发射了 16 颗卫星。[需要引用]

2015 年，随着新一代卫星的首次发射[42]和新系统内的第 17颗卫星的发射，该系统开始向全球覆盖过渡。2015年7月25日，第18、19颗卫星在西昌卫星发射中心成功发射，标志着我国首次在长征三号乙/远征一号 运载火箭上同时发射两颗卫星。Expedition-1 是一个独立的上级，能够将一个或多个航天器送入不同的轨道。2015 年 9 月 29 日，第 20 颗卫星发射升空，首次在系统内携带氢脉泽。[85]

2016年，西昌卫星发射中心发射了第21、22和23颗卫星，[86]后两颗分别于2016年8月5日和2016年11月30日服役。[87] [88]

参考

https://en.wikipedia.org/wiki/BeiDou