北斗衛星導航試驗系統

北斗衛星導航試驗系統也被稱作北斗一號，是北斗衛星導航系統較早投入使用的第一代試驗用系統，使用的是有源定位，由三顆定位衛星（兩顆工作衛星、一顆備份衛星）地面控制中心為主的地面部分以及使用者終端三部分組成。北斗一號衛星導航定位系統可向使用者提供全天候的即時定位服務。校準精度為20米，未校準精度100米。

該試驗系統於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°。

北斗一號起初僅限軍事用途，2003年起，正式對民用領域開放。在最後一顆衛星的壽命到期後（2012年12月），系統已停止工作。

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## 歷史

1970年代，受到美國子午儀衛星定位系統啟發，中國曾預研691工程「燈塔一號」導航衛星。1980年代，中國航天界再次提出建設中國的衛星導航系統，但中國的經濟情況無力承擔如美國全球定位系統和蘇聯格洛納斯系統那樣龐大的衛星星座導航系統。

1983年，在美國訪問期間目睹「雙星定位」技術後，沈榮駿向陳芳允提議，使用「雙星定位」建設方案探索中國導航衛星建設：把地心視為一顆虛擬衛星，使用兩顆地球靜止軌道通信衛星，軌道間隔為60º，配合地面高度座標實現對區域內地面目標的快速定位。該方案能滿足完全覆蓋中國領土及近海的導航需求，且衛星數量少，建設、維護成本低。1986年，總參測繪局提出的雙星快速定位通信系統獲得立項。1989年9月25日，兩顆東方紅二號甲通信衛星進行首次「雙星定位通信」演示，驗證了其可行性。

1993年，雙星定位試驗系統被列入國家「九五」計劃。1994年2月，工程立項，被命名為北斗衛星導航試驗系統，後來也稱為北斗一號系統。工程雖然立項，但卻沒有獲得經費。至1995年，總參測繪局一邊進行系統預研，一邊仍在籌措經費。國務院考慮無法提供研製經費，仍建議該系統僅進行預研工作，不予立項。最終，另外兩個衛星計劃的備份星指標被分給衛星導航試驗系統使用，不再單獨劃撥經費，由此才解決經費問題。

1995年，北斗一號的研製團隊首先決定放棄之前雙星定位試驗系統中使用的東方紅二號甲衛星平台，轉而使用東方紅三號。儘管前者的技術成熟，但它是自旋穩定平台，需要使用額外的消旋平台，無法滿足導航衛星的需求、超出運載火箭的運力範圍；後者雖然是一個未驗證的全新平台，且1994年11月30日發射的首顆衛星由於推進劑洩露而未能投入正常使用，但它使用先進的三軸穩定太空飛行器姿態確定與控制，能提高一倍使用率，延長三分之一壽命，還可縮短研製周期。

東方紅三號平台的研製與德國MBB公司合作，其中北斗一號每顆衛星太陽能帆板報價為220萬美元（4顆衛星需880萬美元），且德方不同意中方在中國國內組裝相關設備的請求。最終中方自行研製了北斗一號的太陽能帆板，花費僅為110萬美元/星，節省了一半經費。

2000年10月31日和12月21日，北斗一號A、B兩星發射，系統正式啟用。2003年備份衛星C星發射，系統全面建成。2007年，備份衛星D星發射，但未能正確入軌、正常工作。2012年，衛星壽命全部到期，系統停止工作，由北斗二號系統接替。

## 系統組成

系統分為三個部分，分別為空間段、地面段、使用者段：

- 空間段：由3顆地球靜止軌道衛星組成，兩顆工作衛星定位於東經80°和140°赤道上空，另有一顆位於東經110.5°的備份衛星，可在某工作衛星失效時予以接替。
- 地面段：由中心控制系統和標校系統組成。中心控制系統主要用於衛星軌道的確定、電離層校正、使用者位置確定、使用者短報文資訊交換等。標校系統可提供距離觀測量和校正參數。
- 使用者段：使用者的終端。

### 衛星

北斗一號導航定位衛星的發射時間分別為：

序號｜衛星｜發射日期｜發射地點｜火箭｜軌道｜使用狀況｜狀態

1｜北斗-1A｜2000年10月31日｜西昌衛星發射中心｜長征三號甲｜原地球靜止軌道140°E，現已有改變｜已停止工作｜ 1A

2｜北斗-1B｜2000年12月21日｜西昌衛星發射中心｜長征三號甲｜原地球靜止軌道80°E，現已有改變｜已停止工作｜ 1B

3｜北斗-1C｜2003年5月25日｜西昌衛星發射中心｜長征三號甲｜原地球靜止軌道110.5°E，現已有改變｜備份星，停止工作｜ 1C

4｜北斗-1D｜2007年2月3日｜西昌衛星發射中心｜長征三號甲｜設計為地球靜止軌道，但未正確進入軌道｜失控，未曾工作｜ 1D

## 工作原理

北斗一號衛星導航系統的工作過程是：首先由中心控制系統向衛星I和衛星II同時發送詢問信號，經衛星轉發器向服務區內的使用者廣播。使用者響應其中一顆衛星的詢問信號，並同時向兩顆衛星發送響應信號，經衛星轉發回中心控制系統。中心控制系統接收並解調使用者發來的信號，然後根據使用者的申請服務內容進行相應的數據處理。對定位申請，中心控制系統測出兩個時間延遲：即從中心控制系統發出詢問信號，經某一顆衛星轉發到達使用者，使用者發出定位響應信號，經同一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲；和從中心控制發出詢問信號，經上述同一衛星到達使用者，使用者發出響應信號，經另一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲。由於中心控制系統和兩顆衛星的位置均是已知的，因此由上面兩個延遲量可以算出使用者到第一顆衛星的距離，以及使用者到兩顆衛星距離之和，從而知道使用者處於一個以第一顆衛星為球心的一個球面，和以兩顆衛星為焦點的橢球面之間的交線上。另外中心控制系統從存儲在電腦內的數位化地形圖查尋到使用者高程值，又可知道使用者處於某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統可最終計算出使用者所在點的三維坐標，這個坐標經加密由出站信號發送給使用者。

## 性能

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、使用者容量、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。

短報文通信：一次可傳送120個漢字的訊息。

授時：精度20納秒。

定位精度：水平精度100米（1σ），設立標校站之後為20米（類似差分狀態）。

工作頻率：2491.75兆赫。

系統容量：每小時540000戶。

## 與GPS系統比較

- 覆蓋範圍：北斗導航系統是覆蓋中國本土的區域導航系統。覆蓋範圍東經約70°-140°，北緯5°-55°。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統，能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到6-9顆衛星（實際上最多能觀測到11顆）。
- 衛星數量和軌道特性：北斗導航系統是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛星，衛星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。GPS導航衛星軌道為準同步軌道，繞地球一周11小時58分。
- 定位原理：北斗導航系統是主動式雙向測距二維導航。地面中心控制系統解算，供使用者三維定位數據。GPS是被動式偽碼單向測距三維導航。由使用者設備獨立解算自己三維定位數據。「北斗一號」的這種工作原理帶來兩個方面的問題，一是使用者定位的同時失去了無線電隱蔽性，這在軍事上相當不利，另一方面由於設備必須包含發射機，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處於不利的地位。
- 定位精度：北斗導航系統三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前己由16m提高到6m，C/A碼目前已由25-100m提高到12m，授時精度目前約20ns。
- 使用者容量：北斗導航系統由於是主動雙向測距的詢問——應答系統，使用者設備與地球同步衛星之間不僅要接收地面中心控制系統的詢問信號，還要求使用者設備向同步衛星發射應答信號，這樣，系統的使用者容量取決於使用者允許的信道阻塞率、詢問信號速率和使用者的響應頻率。因此，北斗導航系統的使用者設備容量是有限的。GPS 是單向測距系統，使用者設備只要接收導航衛星發出的導航電文即可進行測距定位，因此GPS的使用者設備容量是無限的。
- 生存能力：和所有導航定位衛星系統一樣，「北斗一號」基於中心控制系統和衛星的工作，但是「北斗一號」對中心控制系統的依賴性明顯要大很多，因為定位解算在那裡而不是由使用者設備完成的。為了彌補這種系統易損性，GPS已經在發展星際橫向數據鏈技術，使萬一主控站被毀後GPS衛星可以獨立運行。而「北斗一號」系統從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統受損，系統就不能繼續工作了。
- 實時性:「北斗一號」使用者的定位申請要送回中心控制系統，中心控制系統解算出使用者的三維位置數據之後再發回使用者，其間要經過地球靜止衛星走一個來回，再加上衛星轉發和中心控制系統的處理，時間延遲就更長了。因此，對於高速運動體，其定位誤差將加大。但「北斗一號」衛星導航系統還有一些其他的特點，比如其具備的簡訊通訊功能是GPS系統不能提供的。

## 參見

- 北斗衛星導航系統，也稱北斗二號，為中國後續發展的一種全球衛星定位系統。