北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是一个卫星导航系统，能为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。北斗系统发展共有三代，自第二代开始的北斗系统被正式称为“北斗卫星导航系统”。
北斗一号系统（第一代北斗系统）由三颗卫星提供区域定位服务。从2000年开始，该系统主要在中国境内提供导航服务。2012年12月，北斗一号的最后一颗卫星寿命到期，北斗卫星导航试验系统停止运作。
北斗二号系统（第二代北斗系统）是一个包含16颗卫星的全球卫星导航系统，分别为6颗静止轨道卫星、6颗倾斜地球同步轨道卫星、4颗中地球轨道卫星。2012年11月，第二代北斗系统开始在亚太地区为用户提供区域定位服务。
北斗三号系统（第三代北斗系统）由三种不同轨道的卫星组成，包括24颗地球中圆轨道卫星（覆盖全球），3颗倾斜地球同步轨道卫星（覆盖亚太大部分地区）和3颗地球静止轨道卫星（覆盖中国）。北斗三号于2018年提前开放了北斗系统的全球定位功能。北斗三号系统于2020年7月31日完整开通。
北斗卫星导航系统（BDS）、美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）和欧盟伽利略定位系统（Galileo）为联合国卫星导航委员会认定的全球卫星导航系统四大核心供应商。
2023年11月，国际民航组织（ICAO）官方认证北斗系统为全球民航导航系统标准之一。
名称含义.
“北斗卫星导航系统”是这个系统的官方名称，它是以北斗七星命名的，这是中国古代天文学家给大熊座最明亮的七颗星的命名。历史上，人们利用这七颗星来找到北极星以确定方向。因此，“北斗”这个名称隐含了这个卫星导航系统的目的。
发展过程.
中国为北斗卫星导航系统制定了“三步走”发展规划，从1994年开始发展的试验系统（第一代系统）为第一步，2004年开始发展的正式系统（第二代系统）为第二步。至2012年完成对亚太大部分地区的覆盖并正式提供卫星导航服务，此战略的前两步已经完成。根据计划，北斗卫星导航系统（第三代系统）第三步将在2018年覆盖“一带一路”国家，2020年完成，届时将实现全球的卫星导航功能。
早期研究.
20世纪70年代，中国开始研究卫星导航系统的技术和方案，但之后这项名为“灯塔”的研究计划被取消。 
1983年，中国航天专家、“863计划”倡导者之一的陈芳允院士提出“双星定位”建设方案，即：把地心视为一颗虚拟卫星，再发射两颗静止轨道通信卫星，配合地面高度座标实现对区域内地面目标的快速定位。
1989年，中国使用通信卫星先进行试验，验证了其可行性，之后的北斗卫星导航试验系统即基于此方案。
1990年海湾战争中，以美国为首的多国部队通过卫星准确定位与弹道导弹结合，全面击溃伊拉克军队，中国开始认真考虑自组卫星系统的军事价值。
1993年7月，中美发生银河号事件冲突，有传言认为美国局部关闭该船所在印度洋海区内的GPS服务系统，使“银河号”无法继续行驶。基于这种威胁的可能推动了中国启动北斗一号系统的建设。
北斗一号系统（1994年至2007年）.
1994年，中国正式开始北斗卫星导航试验系统（北斗一号系统）的研制，并在2000年10月31日和12月21日相继发射了两颗静止轨道卫星，区域性的导航功能得以实现。
2003年又发射了一颗备份卫星，完成了北斗卫星导航试验系统的组建。
加入欧盟伽利略计划.
2003年9月，中国打算加入欧盟的伽利略定位系统计划，并在接下来的几年中投入了2.3亿欧元的资金。中国与欧盟在2004年10月9日正式签署伽利略计划技术合作协议。2008年1月，香港南华早报在“中国不当‘伽利略计划小伙伴’”的报道中指出：中国不满其在伽利略计划中的被排斥，之前的投资没有得到任何回报，将推出北斗二代与伽利略定位系统竞争。
与欧盟竞争卫星导航频段.
21世纪初，最适合卫星导航的黄金频段已经被美国和俄罗斯全部占用。中国与欧盟同时希望建设卫星导航系统，因此推动国际电信联盟从当时的航空导航频段中，最大限度地挤出一小段频率，供卫星导航共同使用。这一小段频率，只有黄金频段的四分之一，却是建设一个全球卫星导航系统最基本的频率需求，且各国均可平等申请。2000年4月17日，北斗系统和伽利略系统同时成功申报。按照国际电联规则，必须在七年有效期内成功发射导航卫星。首颗北斗二号卫星2007年4月14日4时11分升空，值得一提的是，在三日后传来卫星首个讯号时，距离国际电联规定的申请失效最后期限仅剩不到四个小时。
北斗二号系统（2004年至2012年）.
2004年，中国加速投入资金启动了具有全球导航能力的北斗卫星导航系统的建设（北斗二号），并在2007年发射一颗中地球轨道卫星，进行了大量试验。2009年起，后续卫星持续发射，并在2011年开始对中国和周边地区提供测试服务。
截止2011年11月，北斗二代包含了10颗卫星，开始在中国投入服务。
2012年底建成由地球同步轨道卫星、倾斜同步轨道卫星和中圆轨道卫星共14颗卫星构成的北斗二号系统，实现了全天时全天候为亚太大部分地区提供定位导航授时服务。
设计方案.
作为第二代北斗系统计划的一部分，中华人民共和国政府已经以CHINASAT和COMPASS为名向国际电信联盟无线电委员会(ITU)申请了无线电频率分配。新计划经历了四种设计方案，如下表：
北斗三号系统（2009年至2020年）.
北斗三号系统的建设自2009年启动。
按照计划，该系统将在2018年覆盖“一带一路”国家，2020年完成建设提供全球定位服务，2035年建成以北斗为核心的综合定位、导航、授时体系（Positioning, Navigation, and Timing—PNT）。北京时间2018年12月27日，国务院新闻发布会宣布，北斗三号提前两年正式提供全球服务。
2024年9月19日，北斗三号的最后两颗备份卫星被成功发射入轨，标志着包括备份星在内的北斗三号全球卫星导航系统工程正式收官。
东盟各国加入合作.
中国科学技术部部长万钢在2013年1月19日中国科技工作会议上透露，2013年将积极实施“中国东盟科技伙伴计划”，启动“中国-东盟联合实验室”、“中国-东盟技术转移中心”建设，在东盟各国合作建设北斗系统地面站网。
北斗四号系统（2020年至2035年）.
目前中国正在酝酿下一代卫星系统建设，向PNT（导航定位授时）方向发展，或于2035年初步建成中国泛在国家时空系统。
应用.
北斗卫星导航系统提供定位、导航、授时服务，分为开放服务和授权服务两种方式。
开放服务.
任何用户可免费获得此服务，在精度衰减因子PDOP≤6条件下，全球大部分区域可用性优于99.9%。在全球区域实测定位精度均值：
授权服务.
除了面向全球的免费开放服务外，还有需要获得授权方可使用的服务，授权又分成不同等级，区分军用和民用：
应用状况.
2018年中国国内卫星导航产业产值已超过人民币3000亿元，支持北斗三号新信号的，28nm工艺射频基带一体化SoC芯片，已在物联网和消费电子领域得到广泛应用。最新的22nm工艺双频定位芯片已具备市场化应用条件，全频一体化高精度芯片正在研发，北斗芯片性能将再上一个台阶。据统计，国产北斗导航型芯片模块累计销量已突破8000万片，高精度板卡和天线销量已占据国内30%和90%的市场份额，并输出到100余个国家和地区。北斗系统现已广泛应用于交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等领域，融入国家核心基础设施，已产生显著的经济效益和社会效益。
2019年中国卫星导航与位置服务产业总体产值达3450亿元。北斗与互联网、大数据、人工智能等新技术的融合发展，正在构建以北斗时空信息为主要内容的新兴产业生态链，并正在成为北斗产业快速发展的新引擎和助推器，推动着生产生活方式变革和商业模式的不断创新。据中国日报报道，北斗系统第一颗卫星发射15年后，它每年为几家大型企业产生的营业额高达3150万美元，其中包括中国航天科工集团，高德软件有限公司和中国兵器工业集团公司。
北斗从其试验系统开始就有其军事目的，后来逐渐民用化，其正式系统也确定是一个军民两用的系统，也将能提供中国企业大量的机会。
农林渔业.
截至2012年底，中国有约4万艘渔船安装了北斗卫星导航系统的终端，终端向手机发送短信为3角人民币，高峰时每月发送70万条。同时，中国有10万辆车已安装北斗的导航设备。
截至2020年中，基于北斗的农机作业监管平台实现农机远程管理与精准作业，服务农机设备超过5万台，精细农业产量提高5%，农机油耗节约10%。
交通运输.
2015年2月，央视报导电子公车站牌已经接入北斗定位，上海近4千辆公车已经完成配备，站牌使用太阳能供电。
北斗系统广泛应用于重点运输过程监控、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度等领域。
截至2019年4月，中国超过620万辆营运车辆、3万辆邮政和快递车辆，36个城市的约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施已应用北斗系统，建成全球最大的营运车辆动态监管系统，有效提升了管理效率和道路运输安全水平。
截至2019年底，中国超过650万辆营运车辆、3万辆邮政和快递车辆，36个中心城市约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900 余座海上导航设施已应用北斗系统。
减灾救灾.
目前已建成部、省、市（县）3级平台，实现6级业务应用，推广北斗终端超过4.5万台。受灾地区利用北斗短报文功能，及时上报灾害位置、突发灾害信息及灾区救助信息等。各级民政部门通过北斗终端进行救灾物资的查询管理和监控，大幅提升全国救灾物资管理与调运水平。
芯片.
经过多年发展，北斗已形成完整产业链，北斗基础产品已实现自主可控，国产北斗芯片、模块等关键技术全面突破，性能指标与国际同类产品相当。多款北斗芯片实现规模化应用，工艺水平达到 22 纳米。截至 2019 年底，国产北斗导航型芯片、模块等基础产品销量已突破1亿片，国产高精度板卡和天线销量分别占中国市场30%和90%的份额。中国航天科工集团所属航天系统公司依托具有自主知识
产权的高精度卫星定位授时技术与自主研制的高精度多模卫星导航芯片，为电信设备制造商、基础设施管理部门、银行和金融企业等提供高精度定位授时技术产品与服务解决方案。该公司累计开发北斗多模导航芯片6代10余款，形成了高精度授时、差分定位和组合导航等多样化产品型谱，已应用于交通、物流、司法、公安等众多领域，年出货量超200万片。
制约北斗导航民用的最大瓶颈是芯片价格，相对于GPS系统，北斗终端设备的芯片成本较高，若能够广泛生产和使用则可降低价格。
国内外主流芯片厂商均推出兼容北斗系统的通导一体化芯片。据统计，2019年第一季度，在中国市场申请进网的手机有116款具有定位功能，其中支持北斗定位的有82款，北斗定位支持率达到70%。支持北斗系统的手表、手环等智能穿戴设备，以及学生卡、老年卡等特殊关爱产品不断涌现，得到广泛应用。此外，北斗系统还广泛应用到印度尼西亚土地确权、科威特建筑施工、乌干达国土测试、缅甸精准农业、马尔代夫海上打桩、泰国仓储物流、巴基斯坦机场授时以及俄罗斯电力巡检等多国不同领域。
国防安全.
2014年12月，央视在探讨东风-41洲际弹道导弹的节目中由评论员表示，北斗卫星的军用讯号基本已经全球覆盖(可能是持续式或机动式覆盖)，并且可让解放军的多弹头洲际飞弹接收讯号，从集束式迈向分导式多弹头，分裂后的每一个子弹头都有导向能力可变轨飞向目标。
北斗一号.
北斗卫星导航试验系统又称为北斗一号，是中国的第一代卫星导航系统，即有源区域卫星定位系统，1994年正式立项，2000年发射2颗卫星后即能够工作，2003年又发射了一颗备份卫星，试验系统完成组建，该系统服务范围为东经70°－140°，北纬5°－55°。在卫星的寿命到期后（2012年12月），系统已停止工作。
系统组成.
系统分为三个部分，分别为空间段、地面段、用户段：
性能.
北斗卫星导航试验系统于2000年能够使用后，其定位精度100米，使用地面参照站校准后为20米，与当时的全球卫星定位系统民用码相当。系统用户能实现自身的定位，也能向外界报告自身位置和发送消息，授时精度20纳秒，定位响应时间为1秒。&lt;ref name="COMPASS/Beidou-China's GNSS"&gt;&lt;/ref&gt;
由于是采用少量卫星实现的有源定位，该系统成本较低，但是系统在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制。另外该系统无测速功能，不能用于精确制导武器。因而与可能的冲突中，使用正式系统乃是必要的，不能当作备用。
北斗二号与北斗三号.
服务于亚太的北斗卫星导航系统也被称为北斗二号，是中国的第二代卫星导航系统，“北斗卫星导航系统”英文简称BDS，曾用名COMPASS一词。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与全球定位系统相似。在计划中，整个系统将由16颗卫星组成，其中6颗是静止轨道卫星，以与使用静止轨道卫星的北斗卫星导航试验系统兼容。其总设计师为孙家栋。项目的主要参与者为中国人民解放军总参谋部、中国人民解放军总装备部、国家国防科技工业局、中国科学院、中国航天科技集团公司、中国电子科技集团公司、国防科技大学。截至2012年，中国为试验系统和覆盖亚太的正式系统共花费了数百亿人民币，为了实现覆盖全球的目标，还将投入四五百亿以上。
北斗三号是与二代北斗并存的卫星导航系统，其目的是逐渐升级对全球的覆盖，预计在2020年前完成，为全球用户提供定位、导航、授时服务，中国将发射大量的中地球轨道卫星，同时因为现有系统的卫星寿命也会到期，也将会在2020年前完成一部份的替换。中国原计划在2014年发射一颗试验星，以验证全球系统建设中的关键技术。但实际到2015年才开始发射新一代卫星。2020年6月23日，北斗三号最后一颗组网卫星发射成功。2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统建成开通。
亚太服务.
北斗卫星导航系统的建设于2004年启动，2011年开始对中国和周边提供测试服务，2012年12月27日起正式提供卫星导航服务，服务范围涵盖亚太大部分地区，南纬55度到北纬55度、东经55度到东经180度为一般服务范围。该导航系统提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速、授时服务，定位精度为25米，测速精度0.2米/秒，授时精度50纳秒，在服务区的较边缘地区精度稍差。授权服务则是向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时、通信服务以及系统完好性信息，这类用户为中国军队和政府等。由于该正式系统继承了试验系统的一些功能，能在亚太地区提供无源定位技术所不能完成的服务，如短报文通信。
系统组成.
北斗卫星导航系统由空间段、地面段、用户段组成。
空间段.
北斗卫星第三代导航系统空间段计划由30颗卫星组成，包括3颗静止轨道卫星、24颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。3颗静止轨道卫星定点位置为东经80°、110.5°、140°，中地球轨道卫星运行在3个轨道平面上，轨道平面之间为相隔120°均匀分布。
至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式的第二代北斗卫星导航系统发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）、4颗中地球轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）。
地面段.
系统的地面段由主控站、注入站、监测站组成。
用户段.
用户段即用户的终端，即可以是专用于北斗卫星导航系统的信号接收机，也可以是同时兼容其他卫星导航系统的接收机。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，最终得到用户的经纬度、高度、速度、时间等信息。
原理.
空间定位原理.
在空间中若已经确定A、B、C三点的空间位置，且第四点D到上述三点的距离皆已知的情况下，即可以确定D的空间位置，原理如下：因为A点位置和AD间距离已知，可以推算出D点一定位于以A为圆心、AD为半径的圆球表面，按照此方法又可以得到以B、C为圆心的另两个圆球，即D点一定在这三个圆球的交汇点上，即三球交汇定位。北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。
有源与无源定位.
当卫星导航系统使用有源时间测距来定位时，用户终端通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号，之后地面控制中心发出测距信号，根据信号传输的时间得到用户与两颗卫星的距离。除了这些信息外，地面控制中心还有一个数据库，为地球表面各点至地球球心的距离，当认定用户也在此不均匀球面的表面时，三球交汇定位的条件已经全部满足，控制中心可以计算出用户的位置，并将信息发送到用户的终端。北斗的试验系统完全基于此技术，而之后的北斗卫星导航系统除了使用新的技术外，也保留了这项技术。
当卫星导航系统使用无源时间测距技术时，用户接收至少4颗导航卫星发出的信号，根据时间信息可获得距离信息，根据三球交汇的原理，用户终端自行可以自行计算其空间位置。此即为GPS所使用的技术，北斗卫星导航系统也使用了此技术来实现全球的卫星定位。
精度.
参照三球交汇定位的原理，根据3颗卫星到用户终端的距离信息，根据三维的距离公式，就依靠列出3个方程得到用户终端的位置信息，即理论上使用3颗卫星就可达成无源定位，但由于卫星时钟和用户终端使用的时钟间一般会有误差，而电磁波以光速传播，微小的时间误差将会使得距离信息出现巨大失真，实际上应当认为时钟差距不是0而是一个未知数t，如此方程中就有4个未知数，即客户端的三位坐标（X，Y，Z），以及时钟差距t，故需要4颗卫星来列出4个关于距离的方程式，最后才能求得答案，即用户端所在的三维位置，根据此三维位置可以进一步换算为经纬度和海拔高度。
若空中有足够的卫星，用户终端可以接收多于4颗卫星的信息时，可以将卫星每组4颗分为多个组，列出多组方程，后通过一定的算法挑选误差最小的那组结果，能够提高精度。
电磁波以30万千米/秒的光速传播，在测量卫星距离时，若卫星钟有一纳秒（十亿分之一秒）时间误差，会产生三十厘米距离误差。尽管卫星采用的是非常精确的原子钟，也会累积较大误差，因此地面工作站会监视卫星时钟，并将结果与地面上更大规模的更精确的原子钟比较，得到误差的修正信息，最终用户通过接收机可以得到经过修正后的更精确的信息。当前有代表性的卫星用原子钟大约有数纳秒的累积误差，产生大约一米的距离误差。
为提高定位精度，还可使用差分技术。在地面上建立基准站，将其已知的精确坐标与通过导航系统给出的坐标相比较，可以得出修正数，对外发布，用户终端依靠此修正数，可以将自己的导航系统计算结果进行再次的修正，从而提高精度。例如，全球定位系统使用差分全球定位系统后，定位精度可达到5米左右。 
技术.
北斗二代卫星平台.
在北斗卫星导航系统中，能使用无源时间测距技术为全球提供无线电卫星导航服务（RNSS），也同时也保留了试验系统中的有源时间测距技术，即提供无线电卫星测定服务（RDSS），但仅在亚太地区实现。从卫星所起到的功能来区分，可以分成下列两类：
北斗卫星导航系统同时使用静止轨道与非静止轨道卫星，对于亚太范围内的区域导航来说，无需借助中地球轨道卫星，只依靠北斗的地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星即可保证服务性能。而数量庞大的中地球轨道卫星，主要服务于全球卫星导航系统。此外，如果倾斜地球同步轨道卫星发生故障，则中地球轨道卫星可以调整轨道予以接替，即作为备份星。
截至2012年发射的北斗系统的卫星设计寿命都是8年，而后续又有数量众多的中地球轨道卫星需要发射，这些卫星将采用专门的中地球轨道卫星平台，寿命将延长至12年或更多，还会往小型化发展。
卫星制造与发射.
因为需要一定数量的卫星才能提供质量可靠的导航服务，从卫星的寿命方面考虑，若发射间隔过久，则后续卫星发射时，可能早期的卫星已近退役，所以北斗的卫星需要在短时间发射，中国在3年的时间内共发射了14颗北斗卫星，这是中国首次使用“一次设计，组批生产”的方式对卫星快速批量生产。到2020年时，在2010年前后发射的卫星已经退役，因此在2012到2020年的8年时间里，中国需要为准备覆盖全球的北斗卫星导航系统再生产出30多颗卫星。
中国在1981年就成功执行过“一箭多星”，不过此技术一般用于发射一颗大卫星附带几颗小卫星，将卫星送入不同的轨道。2012年使用“一箭双星”发射北斗卫星，是中国首次用一枚火箭发射两颗相同的大质量卫星，火箭将两颗卫星送入了同一个轨道面上，其即卫星的运行轨迹相同，其差别在于轨位。
时间系统.
北斗卫星导航系统的系统时间(BeiDou Navigation Satellite System Time) 叫做北斗时(BDT)，属于原子时，溯源到中国的协调世界时，与协调世界时的误差在100纳秒内，起算时间是协调世界时2006年1月1日0时0分0秒。
信号传输.
北斗卫星导航系统使用码分多址技术，与全球定位系统和伽利略定位系统一致，而不同于格洛纳斯系统的频分多址技术。两者相比，码分多址有更高的频谱利用率，在由L波段的频谱资源非常有限的情况下，选择码分多址是更妥当的方式。此外，码分多址的抗干扰性能，以及与其他卫星导航系统的兼容性能更佳。
北斗卫星导航系统的官方宣布，在L波段和S波段发送导航信号，在L波段的B1、B2、B3频点上发送服务信号，包括开放的信号和需要授权的信号。
国际电信联盟分配了E1（1590MHz）、E2（1561MHz）、E6（1269MHz）和E5B（1207MHz）四个波段给北斗卫星导航系统，这与伽利略定位系统使用或计划使用的波段存在重合。然而，根据国际电信联盟的频段先占先得政策，若北斗系统先行使用，即拥有使用相应频段的优先权。2007年，中国发射了北斗-M1，之后在相应波段上被检测到信号：1561.098MHz±2.046MHz， 1589.742MHz， 1207.14MHz±12MHz， 1268.52MHz±12MHz，以上波段与伽利略定位系统计划使用的波段重合，与全球卫星定位系统的L波段也有小部分重合。
北斗-M1是一个实验性的卫星，用于发射信号的测试和验证，并能以先占的原则确定对相应频率的使用权。北斗-M1卫星在E2、E5B、E6频段进行信号传输，传输的信号分成2类，分别被称作“I”和“Q”。“I”的信号具有较短的编码，可能会被用来作开放服务（民用）， 而“Q”部分的编码更长，且有更强的抗干扰性，可能会被用作需要授权的服务（军用）。在北斗-M1发射后，法国、美国等工程师即展开了对信号的研究，研究者包括在中国引起热议的高杏欣，她和团队分析出了北斗-M1卫星的民用码信道编码方式并予以公开，但其研究内容与军用码的安全问题无关，事实上全球卫星定位系统和伽利略定位系统的民用码也早已被破解。