北斗卫星导航系统

名稱含義

「北斗衛星導航系統」是這個系統的官方名稱，它是以北斗七星命名的。「北斗」的字面意思為「位於北方的斗」，這是中國古代天文學家給大熊座最明亮的七顆星的命名。歷史上，人們利用這七顆星來找到北極星以確定方向。因此，「北斗」這個名稱隱含了這個衛星導航系統的目的。

早期研究

20世紀70年代，中國開始研究衛星導航系統的技術和方案，但之後這項名為「燈塔」的研究計劃被取消。 
1983年，中國航太專家陳芳允提出使用兩顆靜止軌道通訊衛星，配合地面高度座標實現區域性的導航。1989年，中國使用通訊衛星先進行試驗，驗證了其可行性，之後的北斗衛星導航試驗系統即基於此方案。

試驗系統上線

1991年海灣戰爭中，美軍利用GPS導引炸彈的戰果令解放軍印象深刻，中國加速投入自建衛星導航的規劃，三年後的1994年，中國正式開始北斗衛星導航試驗系統（北斗一號）的研製，並在2000年發射了兩顆靜止軌道衛星，區域性的導航功能得以實現。2003年又發射了一顆備份衛星，完成了北斗衛星導航試驗系統的組建。

加入歐盟伽利略計劃

2003年9月，中國打算加入歐盟的伽利略定位系統計劃，並在接下來的幾年中投入了2.3億歐元的資金。由此，人們相信中國的北斗系統只會用於自己的武裝力量。中國與歐盟在2004年10月9日正式簽署伽利略計劃技術合作協定。2008年1月，香港南華早報在「中國不當『伽利略計劃小夥伴』」的報導中指出：中國不滿其在伽利略計劃中的被排斥，之前的投資沒有得到任何回報，將推出北斗二代與伽利略定位系統競爭。

東協各國加入合作

中國科學技術部部長萬鋼在2013年1月19日中國科技工作會議上透露，2013年將積極實施「中國東協科技夥伴計劃」，啟動「中國-東協聯合實驗室」、「中國-東協技術轉移中心」建設，在東協各國合作建設北斗系統地面站網。

全球組網

2015年9月30日，第20顆北斗導航衛星準確飛入地球傾斜同步軌道。這顆北斗衛星會和兩個多月前發射的北斗雙星實現"空間對話"，測試導航訊號，並進行中軌道和高軌道間的星間鏈路試驗，這種異軌道面間的試驗是北斗系列的首次。

北斗一號

北斗衛星導航試驗系統又稱為北斗一號，是中國的第一代衛星導航系統，即有源區域衛星定位系統，1994年正式立項，2000年發射2顆衛星後即能夠工作，2003年又發射了一顆備份衛星，試驗系統完成組建，該系統服務範圍為東經70°－140°，北緯5°－55°。在衛星的壽命到期後（設計值8年），系統已停止工作。

性能

北斗衛星導航試驗系統於2000年能夠使用後，其定位精度100公尺，使用地面參照站校準後為20公尺，與當時的全球衛星定位系統民用碼相當。系統用戶能實現自身的定位，也能向外界報告自身位置和發送訊息，授時精度20奈秒，定位響應時間為1秒。
由於是採用少量衛星實現的有源定位，該系統成本較低，但是系統在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數、隱蔽性等方面均受到限制。另外該系統無測速功能，不能用於精確制導武器。因而與可能的衝突中，使用正式系統乃是必要的，不能當作備用。

北斗二號

服務於亞太的北斗衛星導航系統也被稱為北斗二號，是中國的第二代衛星導航系統，英文簡稱BDS，曾用名COMPASS，「北斗衛星導航系統」一詞一般用來特指第二代系統。此衛星導航系統的發展目標是對全球提供無源定位，與全球定位系統相似。在計劃中，整個系統將由16顆衛星組成，其中6顆是靜止軌道衛星，以與使用靜止軌道衛星的北斗衛星導航試驗系統兼容。其總設計師為孫家棟。
北斗從其試驗系統開始就有其軍事目的，其正式系統也是一個軍民兩用的系統。項目的主要參與者為中國人民解放軍總參謀部、總裝備部、國家國防科技工業局、中國科學院、中國航太科技集團公司、中國電子科技集團公司、國防科技大學。截至2012年，中國為試驗系統和覆蓋亞太的正式系統共花費了數百億人民幣，為了實現覆蓋全球的目標，還將投入四五百億以上。

亞太服務

北斗衛星導航系統的建設於2004年啟動，2011年開始對中國和周邊提供測試服務，2012年12月27日起正式提供衛星導航服務，服務範圍涵蓋亞太大部分地區，南緯55度到北緯55度、東經55度到東經180度為一般服務範圍。該導航系統提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速、授時服務，定位精度為25公尺，測速精度0.2公尺/秒，授時精度50奈秒，在服務區的較邊緣地區精度稍差。授權服務則是向授權用戶提供更安全與更高精度的定位、測速、授時、通訊服務以及系統完好性資訊，這類用戶為中國軍隊和政府等。由於該正式系統繼承了試驗系統的一些功能，能在亞太地區提供無源定位技術所不能完成的服務，如短封包通訊。

北斗三號

北斗衛星導航系統計劃在2020年完成對全球的覆蓋，為全球用戶提供定位、導航、授時服務，中國將發射大量的中地球軌道衛星，同時因為現有系統的衛星壽命也會到期，也將會在2020年前完成替換。中國原計劃在2014年發射一顆試驗星，以驗證全球系統建設中的關鍵技術。但實際到2015年才開始發射新一代衛星。

系統構成

北斗衛星導航系統由空間段、地面段、用戶段組成。

用戶段

用戶段即用戶的終端，即可以是專用於北斗衛星導航系統的訊號接收機，也可以是同時兼容其他衛星導航系統的接收機。接收機需要捕獲並跟蹤衛星的訊號，根據數據按一定的方式進行定位計算，最終得到用戶的經緯度、高度、速度、時間等資訊。

空間定位原理

在空間中若已經確定A、B、C三點的空間位置，且第四點D到上述三點的距離皆已知的情況下，即可以確定D的空間位置，原理如下：因為A點位置和AD間距離已知，可以推算出D點一定位於以A為圓心、AD為半徑的圓球表面，按照此方法又可以得到以B、C為圓心的另兩個圓球，即D點一定在這三個圓球的交匯點上，即三球交匯定位。北斗的試驗系統和正式系統的定位都依靠此原理。

有源與無源定位

當衛星導航系統使用有源時間測距來定位時，用戶終端通過導航衛星向地面控制中心發出一個申請定位的訊號，之後地面控制中心發出測距訊號，根據訊號傳輸的時間得到用戶與兩顆衛星的距離。除了這些資訊外，地面控制中心還有一個資料庫，為地球表面各點至地球球心的距離，當認定用戶也在此不均勻球面的表面時，三球交匯定位的條件已經全部滿足，控制中心可以計算出用戶的位置，並將資訊發送到用戶的終端。北斗的試驗系統完全基於此技術，而之後的北斗衛星導航系統除了使用新的技術外，也保留了這項技術。
當衛星導航系統使用無源時間測距技術時，用戶接收至少4顆導航衛星發出的訊號，根據時間資訊可獲得距離資訊，根據三球交匯的原理，用戶終端自行可以自行計算其空間位置。此即為GPS所使用的技術，北斗衛星導航系統也使用了此技術來實現全球的衛星定位。

精度

參照三球交匯定位的原理，根據3顆衛星到用戶終端的距離資訊，根據三維的距離公式，就依靠列出3個方程得到用戶終端的位置資訊，即理論上使用3顆衛星就可達成無源定位，但由於衛星時鐘和用戶終端使用的時鐘間一般會有誤差，而電磁波以光速傳播，微小的時間誤差將會使得距離資訊出現巨大失真，實際上應當認為時鐘差距不是0而是一個未知數t，如此方程中就有4個未知數，即客戶端的三位坐標（X，Y，Z），以及時鐘差距t，故需要4顆衛星來列出4個關於距離的方程式，最後才能求得答案，即用戶端所在的三維位置，根據此三維位置可以進一步換算為經緯度和海拔高度。
若空中有足夠的衛星，用戶終端可以接收多於4顆衛星的資訊時，可以將衛星每組4顆分為多個組，列出多組方程，後通過一定的算法挑選誤差最小的那組結果，能夠提高精度。
電磁波以30萬公里/秒的光速傳播，在測量衛星距離時，若衛星鐘有一奈秒（十億分之一秒）時間誤差，會產生三十公分距離誤差。儘管衛星採用的是非常精確的原子鐘，也會累積較大誤差，因此地面工作站會監視衛星時鐘，並將結果與地面上更大規模的更精確的原子鐘比較，得到誤差的修正資訊，最終用戶通過接收機可以得到經過修正後的更精確的資訊。當前有代表性的衛星用原子鐘大約有數奈秒的累積誤差，產生大約一米的距離誤差。
為提高定位精度，還可使用差分技術。在地面上建立基準站，將其已知的精確坐標與通過導航系統給出的坐標相比較，可以得出修正數，對外發布，用戶終端依靠此修正數，可以將自己的導航系統計算結果進行再次的修正，從而提高精度。例如，全球定位系統使用差分全球定位系統後，定位精度可達到5公尺左右。

衛星製造與發射

因為需要一定數量的衛星才能提供品質可靠的導航服務，從衛星的壽命方面考慮，若發射間隔過久，則後續衛星發射時，可能早期的衛星已近退役，所以北斗的衛星需要在短時間發射，中國在3年的時間內共發射了14顆北斗衛星，這是中國首次使用「一次設計，組批生產」的方式對衛星快速批量生產。到2020年時，在2010年前後發射的衛星已經退役，因此在2012到2020年的8年時間裡，中國需要為準備覆蓋全球的北斗衛星導航系統再生產出30多顆衛星。
中國在1981年就成功執行過「一箭多星」，不過此技術一般用於發射一顆大衛星附帶幾顆小衛星，將衛星送入不同的軌道。2012年使用「一箭雙星」發射北斗衛星，是中國首次用一枚火箭發射兩顆相同的大品質衛星，火箭將兩顆衛星送入了同一個軌道面上，其即衛星的運行軌跡相同，其差別在於軌位。

時間系統

北斗衛星導航系統的系統時間叫做北斗時，屬於原子時，溯源到中國的協調世界時，與協調世界時的誤差在100奈秒內，起算時間是協調世界時2006年1月1日0時0分0秒。
北斗試驗系統的衛星原子鐘是由瑞士進口，北斗二號的星載原子鐘逐漸開始使用中國航太科工二院203所提供的國產原子鐘。北斗的衛星系統總設計師楊慧在2012年表示，北斗已經開始全部使用國產原子鐘，其性能與進口產品相當。

應用

北斗衛星導航系統提供定位、導航、授時服務，分為開放服務和授權服務兩種方式。

應用狀況

截至2012年底，中國有約4萬艘漁船安裝了北斗衛星導航系統的終端，終端向手機發送簡訊為3角人民幣，高峰時每月發送70萬條。同時，中國有10萬輛車已安裝北斗的導航設備。
制約北斗導航民用的最大瓶頸是晶片價格，相對於GPS系統，北斗終端設備的晶片成本較高，若能夠廣泛生產和使用則可降低價格。
2014年12月，央視在探討東風-41型彈道飛彈的節目中由評論員表示，北斗衛星的軍用訊號基本已經全球覆蓋(可能是持續式或機動式覆蓋)，並且可讓解放軍的多彈頭洲際飛彈接收訊號，從集束式邁向分導式多彈頭，分裂後的每一個子彈頭都有導向能力可變軌飛向目標。
2015年2月，央視報導電子公車站牌已經接入北斗定位，上海近4千輛公車已經完成配備，站牌使用太陽能供電。
2018年中國國內衛星導航產業產值已超過人民幣3000億元，支持北斗三號新訊號的，28nm工藝射頻基帶一體化SoC晶片，已在物聯網和消費電子領域得到廣泛應用。最新的22nm工藝雙頻定位晶片已具備市場化應用條件，全頻一體化高精度晶片正在研發，北斗晶片性能將再上一個台階。據統計，國產北斗導航型晶片模塊累計銷量已突破8000萬片，高精度板卡和天線銷量已占據國內30%和90%的市場份額，並輸出到100餘個國家和地區。北斗系統現已廣泛應用於交通運輸、公共安全、農林漁業、水文監測、氣象預報、通訊時統、電力調度、救災減災等領域，融入國家核心基礎設施，已產生顯著的經濟效益和社會效益。
交通運輸方面，北斗系統廣泛應用於重點運輸過程監控、公路基礎設施安全監控、港口高精度實時定位調度等領域。截至2019年4月，國內超過620萬輛營運車輛、3萬輛郵政和快遞車輛，36個城市的約8萬輛公交車、3200餘座內河導航設施、2900餘座海上導航設施已應用北斗系統，建成全球最大的營運車輛動態監管系統，有效提升了管理效率和道路運輸安全水平。
農林漁業方面，基於北斗的農機作業監管平台，已實現農機遠程管理與精準作業，服務農機設備超過5萬台，精細農業產量提高5%，農機油耗節約10%。定位與短封包通訊功能更是發揮突出作用，全國7萬餘艘漁船和執法船安裝北斗終端，累計救助1萬餘人。
減災救災方面，目前已建成部、省、市（縣）3級平台，實現6級業務應用，推廣北斗終端超過4.5萬台。受災地區利用北斗短封包功能，及時上報災害位置、突發災害資訊及災區救助資訊等。各級民政部門通過北斗終端進行救災物資的查詢管理和監控，大幅提升全國救災物資管理與調運水平。
國內外主流晶片廠商均推出兼容北斗系統的通導一體化晶片。據統計，2019年第一季度，在中國市場申請進網的手機有116款具有定位功能，其中支持北斗定位的有82款，北斗定位支持率達到70%。支持北斗系統的手錶、手環等智能穿戴設備，以及學生卡、老年卡等特殊關愛產品不斷湧現，得到廣泛應用。此外，北斗系統還廣泛應用到印度尼西亞土地確權、科威特建築施工、烏干達國土測試、緬甸精準農業、馬爾地夫海上打樁、泰國倉儲物流、巴基斯坦機場授時以及俄羅斯電力巡檢等多國不同領域。