01 北斗導航系統的組成

對北斗系統有一定了解的朋友應該都知道，北斗系統分別由空間段、運控段以及使用者段組成，外加一個環境段。

空間段：北斗三號空間段由30顆衛星組成，其中包括3顆地球靜止軌道(GEO)衛星、3顆傾斜地球同步軌道(GSO)衛星和24顆中圓地球軌道(MEO)衛星；運控段：主控站、注入站、監測站等30餘個地面站；使用者段：北斗終端、與其他導航系統相容的終端，以及相關的應用服務系統。

02 北斗系統的特色

與當前主流的GNSS系統一樣，北斗系統也提供定位、導航、授時（PNT體系）服務，但作為GNSS系統的優秀後浪，北斗系統以其特色成為了當前最複雜的系統。

當前的北斗系統（BDS），不僅是北斗二號區域系統與北斗三號全球系統過渡性組合，還是融合GEO、IGSO、MEO 3種軌道型別的複雜星座。

待北斗三號實現全球組網，北斗三號的在軌衛星將達到30顆，是GNSS中額定星座中最大的星座。而北斗三號的效能也會得到進一步的提高。

完全工作的北斗二號系統提供授權、公開、廣域差分(星基增強)和短報文等四種服務，定位精度優於10米，授時精度優於20納秒，測速精度為每秒0.2米。組網成功的北斗三號系統，空間訊號測距誤差優於0.5m，其定位精度單頻測量為7m，雙頻測量為3m，測速精度0.2m/s,授時精度20ns.可用性99%。

值得一提，北斗三號系統在亞太區域的服務效能將明顯優於全球效能。

而北斗三號系統與目前其他GNSS系統相比最大的特色，便是短報文的服務，即區域簡訊息通訊服務和全球簡訊息通訊服務。這個源於有源系統的特色服務，同時實現了區域和全球的簡訊息通訊服務。

同樣理由，北斗三號把全球基本服務系統與區域(星基)增強系統組合在一起，同時具備中地球軌道(MEO)、地球靜止軌道（GEO)和傾斜地球同步軌道(GSO)三種軌道形式的組合，也成為未來導航與通訊融合衛星的一種先驅性探索。

03 北斗系統的工作原理

北斗一號的有源定位

北斗一號系統，官方的定義是北斗衛星導航試驗系統。當時的北斗一號系統，由三顆定位衛星（兩顆工作衛星、一顆備份衛星），利用有源定位為使用者提供定位服務。校準精度20米，未校準精度100米。

北斗一號系統的三顆衛星均為地球靜止同步軌道衛星（GEO），距地面約為36000公里。北斗一號的地面中心站的出站(地面中心站到衛星、衛星到使用者機或者標校站)、入站訊號(衛星到地面中心站、使用者機或者標校站到衛星)採用多種不同的頻率。

使用有源定位的北斗一號，其定位原理是，採用地面中心站的中心計算機根據已知準確位置的兩顆地球同步衛星為球心以衛星到使用者的距離為半徑(用詢問和應答訊號測量得到，並可以用標校站資訊消除誤差)構造兩個球面，以地球的半徑加上使用者的高程為半徑(高程資料庫提供)構造第三個球面，計算出這三個球面在地球的交會點(消除其鏡象點)即為使用者的位置，這就是“三球交會測量原理”。

此時的定位精度不高，而且可服務的區域極為有限。

北斗一號的效能：

服務功能：定位、單雙向授時、短報文通訊；服務區域：中國及周邊地；定位精度：優於20米；授時精度：單向100納秒，雙向20納秒；短報文通訊：120個漢字/次。

北斗二號的無源定位

相比只可為中國地區服務的北斗一號，北斗二號可以為亞太地區使用者提供衛星定位、導航和授時服務。包括授權服務、公開服務、廣域差分服務及位置報告服務四種類型。

其中在我國及周邊地區，北斗二號系統可為使用者提供定位精度1米的廣域差分服務和授權使用者的短報文通訊服務。

在位置報告服務中，為提高使用者容量，降低發射功率，將目前RDSS模式的雙重覆蓋為單重覆蓋，雙星工作改為三星工作，即“三收單發”的工作模式，以滿足快速定位與位置報告的要求。

與此同時，北斗二號系統還實現了RNSS/RDSS的應用整合以及多系統相容和互操作應用。

所謂RNSS/RDSS整合，是在衛星導航系統的衛星和運控系統中整合RNSS與RDSS兩種業務，使使用者既可以不發射響應訊號，自主完成連續定位、測速任務，又可根據需要進行RDSS方式的位置報告，以及使用者跟蹤識別和短電文通訊。

所謂多系統相容和互操作，指的是北斗的導航可與其他GNSS系統同時共同使用而不相互干擾。衛星導航系統之間互操作能力是指各種GNSS系統民用訊號的導航、定位、授時服務能夠共同使用，並可使使用者獲得優於各獨立系統所提供訊號的服務效能。

北斗二號的效能：

主要功能：定位、測速、單雙向授時、短報文通訊；服務區域：中國及部分亞太地區；定位精度：優於10m；測速精度：優於02m/s；授時精度：50ns(雙向10ns)；短報文通訊：120個漢字/次。

隨著北斗系統的應用與服務不斷地深入拓展，北斗將逐步成為資訊時代社會的生產方式、生活方式和生態方式，成為時空資訊服務的主力軍。

04 北斗三號的訊號創新

導航訊號在北斗系統的重要性不言而喻，在佈局北斗全球的同時，我國也在對北斗全球系統的訊號進行設計和研發，並出現了多種具有北斗特色的創新技術。

QMBOC

為了提供與其它系統更好的互操作能力，BDS全球系統的民用訊號B1C的中心頻率設在1575.42MHz,與GPSL1和 Galileo E1頻點重疊可以預計，未來各系統在該頻點的公開服務訊號都將會是主要的民用導航定位業務的承載訊號。

在BC訊號的設計過程中，既需要與同一頻點其他訊號滿足射頻相容性要求，保證與GPS L1C訊號和 Galileo E1OS訊號的互操作能力，又應儘量具有高的測距精度和穩健性，同時支援多種不同的接收處理策略。

而QMBOC將BOC(1.1)訊號與BOC(6,1)訊號分量分別調製在載波的兩個彼此正交的相位上，不僅避免了兩分量之間互相關分量的影響，而且規避 TMBOC以及CBOC的專利問題QMBOC的功率譜與 TMBOC相同，並且同樣可以採用類BOC(1,1)的低複雜度接收模式以及高效能匹配接收模式，與GPS和 Galileo系統在同一頻段的公開服務訊號有很好的相容性與互操作性。

TD-AltBOC與ACE-BOC

為了支援與GPS L5和 Galileo E5之間的互操作，北斗全球系統將在B2頻段的兩個中心頻點——B2a和B2b上播發寬頻訊號。

時分 AltBOc( TD-AltBOC)，是我國具有自主智慧財產權的一種調製技術，為了降低發射機的實現複雜度，其每一邊帶的資料、導頻分量採用時分複用技術形成一路二值訊號，之後使用2分量ABOC技術，進行合併發射。

非對稱恆包絡BOC( ACE-BOC)同樣是一種具有自主智慧財產權，且滿足北斗B2頻點訊號設計要求的新技術，其資料和導頻分量正交放置，組成訊號分量支援任意的功率配比，具有很高的設計靈活性。相比於 ACE-BOC, TD-AltBOC的發射機實現較為簡單。

雙QPSK

雙QPSK是一種具有自主智慧財產權的星上覆用技術，能夠解決B3頻點兩個BOC和QPSK在星上發射機中等功率合併的需求，其中BOC(15,25)有正交的資料、導頻通道。推廣的雙QPSK能夠對靈活控制合併訊號的功率能夠實現兩個類QPSK訊號的任意功率比恆包絡合並，且能得到最佳化的解析實現和最大化的功率效率，解決B3頻點平穩過渡的需求。

05 北斗的時空參照系統

北斗衛星導航系統的座標框架採用中國2000大地座標系統CGCs2000)。北斗衛星導航系統的時間基準為北斗時(BDT)。

北斗系統的時間系統，採用北斗時(BDT)。BDT採用國際單位制(SD秒為基本單位連續累計，不間秒，起始曆元為2006年1月1日協調世界時(UTC)00時00分00秒，採用周和周內秒計數。BDT透過UTC(NTSC)與國際UTC建立聯絡，BDT與UTC的偏差保持在100納秒以內(模1秒)。BDT與UTC之間的閏秒資訊在導航電文中播報。

北斗就是這樣一個創新性十足的系統，其不可限量的價值在於其佔領時間空間這種全域性性、基礎性、持續性和關鍵性科技制高點。對於北斗的研究與創新，永遠都會是一個極具價值的課題！