揭秘!中國人一定要知道的北斗衛星系統
簡介
6月23日9時43分，北斗系統的第五十五顆導航衛星，暨北斗三號最後一顆全球組網衛星成功發射。國人一片歡騰，為祖國的高科技而驕傲。
那麼北斗系統到底是什麼？北斗一號，二號三號有什麼區別？它的主要作用和它是怎麼工作的呢？
本文將會帶大家一一揭秘。
北斗系統簡介
北斗系統是中國為了國家安全和發展需要自研的全球衛星導航系統，可以為全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航和授時服務。
目前能提供全球服務的衛星導航系統主要有美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗衛星導航系統和歐洲Galileo。
在北斗系統出現之前，中國的衛星導航系統基本上是被GPS所壟斷，但是從國家戰略發展的角度，一直受制於美國的技術肯定是不可取的，所以國家開啟了北斗系統計劃。
北斗系統是通過三步走來建立的，也就是大家經常聽說的北斗一號，北斗二號和北斗三號。
北斗一號
北斗一號主要為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通訊服務。
北斗一號是在1994年啟動的，並與2000年發射2顆地球靜止軌道衛星，建成系統並投入使用，採用有源定位體制。在2003年，發射第3顆地球靜止軌道衛星，進一步增強系統性能。
北斗二號
北斗二號在兼容北斗一號系統技術體制基礎上，增加無源定位體制，為亞太地區用戶提供定位、測速、授時和短報文通訊服務。
北斗二號是在2004年啟動建設的，在2014年完成了14顆衛星（5顆地球靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星和4顆中圓地球軌道衛星）發射組網。
北斗三號
北斗三號主要為全球用戶提供定位導航授時、全球短報文通訊和國際搜救服務，同時可為中國及周邊地區用戶提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通訊等服務。
北斗三號是在2009啟動的，在2020年完成30顆衛星發射組網，全面建成北斗三號系統。
具體來說2018年12月，完成包括18顆MEO衛星的基本系統建設和1 顆GEO衛星發射，並開通全球服務；
2019年12月，完成6顆MEO衛星和3顆IGSO衛星發射，完成核心星座部署，系統服務能力進一步提升；
2020年再發射2顆GEO衛星，將完成全系統建設，實現滿星座運行服務。
目前，北斗系統服務由北斗二號系統和北斗三號系統共同提供，2020年後將平穩過渡為北斗三號系統為主提供。
名詞解釋：
MEO 中圓地球軌道（Medium Earth Orbit）.MEO衛星軌道高度約21500km，軌道傾角為55度，繞地球旋轉運行，通過多顆衛星組網可實現全球覆蓋，北斗MEO星座回歸特性為7天13圈。
GEO 地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit）。GEO衛星相對地球靜止，軌道高度35786km，軌道傾角為0度，單星覆蓋區域較大，3顆衛星可覆蓋亞太大部分地區。
IGSO 傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit）。IGSO衛星軌道高度與GEO衛星相同，軌道傾角為55度，星下點軌跡為「8」字。
北斗系統的三個組成部分
北斗系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成。
空間段：北斗三號系統空間段由3顆GEO衛星、3顆IGSO和24顆MEO衛星等組成。
地面段：北斗三號系統地面段包括主控站、時間同步/注入站和監測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施。
用戶段：北斗系統用戶段包括北斗及兼容其他衛星導航系統的晶片、模組、天線等基礎產品，以及終端設備、應用系統與應用服務等。
北斗系統的三頻服務
北斗系統分為B1，B2，B3三個頻段訊號。
北斗二號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B2I和B3I三個公開服務訊號。其中，B1頻段的中心頻率為1561.098MHz，B2為1207.14MHz，B3為1268.52MHz。
北斗三號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五個公開服務訊號。其中B1頻段的中心頻率為1575.42MHz，B2為1176.45MHz，B3為1268.52MHz。
北斗系統提供的服務
北斗系統提供的服務主要從全球範圍和中國範圍來區分。
對於全球範圍可以提供定位導航授時，全球短報文通訊，國際搜救這三大服務。
對於中國及其周邊的地區可以提供星基增強，地基增強，單點定位和區域短報文通訊等服務。
名詞解釋：
星基增強服務。按照國際民航組織標準，服務中國及周邊地區用戶，支援單頻及雙頻多星座兩種增強服務模式，滿足國際民航組織相關性能要求。
地基增強服務。利用移動通訊網路或互聯網路，向北斗基準站網覆蓋區內的用戶提供米級、分米級、厘米級、毫米級高精度定位服務。
授時服務
北斗系統提供的這些服務中大部分都是非常容易理解的。可能有朋友會疑問，授時是什麼？
授時簡單點講就是傳遞標準時間。
其實授時這個需求古已有之。我們在中國的很多城市都可以看到有鐘樓這樣的建築。
鐘樓就是為一個城市傳遞時間的工具。大家聽到鐘聲就知道現在是什麼時辰了，就可以去做相應的事情。
我們知道目前國際通用的標準時間叫做協調世界時（Universal Time Coordinated，UTC），它是以原子時的秒長為基礎，與世界時的時刻相結合。當兩者之差逐年積累，達到0.9秒時，就通過正負1閏秒的方式彌補誤差，同時保持時間尺度的均勻。
北斗系統的授時服務就是將中國科學院國家授時中心的中國標準時間，通過衛星服務傳播給各行各業的應用，以保證時間的同步和準確性。
怎麼通過衛星定位
衛星會定時向外部發送訊號，我們的訊號接收器通過接收衛星的訊號來定位。
假設現在有兩個衛星，每個衛星都維護了一個自己的時鐘。假設每個衛星每隔一秒鐘發送一個訊號。同時接收器也維護了一個自己的時鐘，那麼接收器可以通過判斷訊號到達時間來計算出自己和兩個衛星的距離。
注意，上面我們假設接收器擁有自己的準確時鐘。對這個問題的討論我們會在後面詳細解答。
上面我們畫的是一個二維示意圖。如果在三維環境中，相應的衛星個數要加一。
好了，問題來了，知道兩個衛星離我們的距離是否可以精確定位我們的位置呢？
答案是否定的，因為我們並不知道衛星所在的位置。
星曆表和衛星位置
怎麼才能準確定位衛星的位置呢？
早在1617年，約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）大神就在一個理想化的模型中，使用7個元素就可以定位一個衛星軌道。
當然這個理想化的模型有一些約束條件：軌道堅持2D平面，並且始終是橢圓形。 然後，你可以使用以下元素精確描述這個固定軌道：
- 橢圓的長軸和短軸的平均值（實際上：橢圓的面積，A）
- 橢圓的長軸和短軸之比（e）。
- 描述軌道平面方向的三個參數：傾角（i0），
- 上升節點的經度（Ω0），
- 近拱點（ω）
- 在T = 0（平均近點角M0）處，衛星沿橢圓的距離為多遠
- T = 0的時刻（t0e）
雖然開普勒的模型足夠完美，但是還不夠，因為地球本身並不是一個完美的球體，並且引力場也不是完全均勻的。如果直接使用這個模型，那麼衛星位置可能會有千米的誤差。
為了解決這個問題，1970年設計GPS的大神，在開普勒模型的基礎上又添加了6個參數。
下圖是GPS和歐洲的伽利略衛星系統使用的定位參數：
具體的含義我就不細講了，感興趣的朋友可以自行探索。
北斗衛星系統也是沿用了GPS設計的衛星定位參數。
以編號C06@0的北斗衛星為例，我們看一下它對外提供的訊號資訊：
如果我們把當前的衛星位置和之後可預測的衛星位置統計起來，就生成了一張星曆表。
上圖是2020年6月24日北斗衛星的星曆表圖。
未知的時鐘
有了衛星的位置和離衛星的距離，我們就可以計算我們的位置了。但是這裡有一個前提，就是衛星的時鐘是準確的，並且接收者的時鐘也是準確的。
這裡涉及到兩個問題，一個是衛星的時鐘的準確性，一個是接受者時鐘的準確性。
我們先來看接受者時鐘準確性的問題。
如果訊號是以光速來傳播的，那麼一納秒的誤差距離就是30厘米。
對於普通的接收設備來說，維持納秒級的精確時鐘基本上是不可能的，那怎麼才能讓普通的接收設備也能夠精確的定位呢？
答案是再加一顆衛星。
接收設備同時接收到三顆的訊號，同一時刻的訊號肯定要彙集於接受者實際位置那一點，那麼接受者可以通過修正本地的時鐘從而將多個衛星訊號彙集於一點，從而實現本地時鐘的校正和精確位置的定位。一舉兩得。
如果是在三維空間，至少需要4顆衛星。
準確的時鐘
接受者的問題我們解決了，發送者的問題怎麼解決呢？
每個衛星也需要一個精準的時鐘用來發送訊號。
我們知道世界上最精準的時間是在實驗室環境中產生的，但是衛星所處的環境，不可能達到實驗室那種精確度。
我們可以從地面上監控空中的時鐘，並將其和實驗室環境中的精確時間做比對，然後向衛星發送校驗資訊。
主要有三個校正項：
- 時鐘偏離量 af0納秒
- 時鐘偏移率 af1納秒/秒
- 時鐘偏移加速度 af2納秒/秒/秒
一般來說衛星在收到校正資訊之後並不會調整自己的時鐘，而是將校正項和原始時鐘一起發送給接收方，由接收方自行處理。
電離層誤差修正
好了，所有的問題好像都解決了，但是還有一個問題。就是電離層的問題。
訊號在電離層傳輸會受到影響，從而產生延時。
怎麼解決這個訊號延時的問題呢？
因為電離層產生的延遲與訊號頻率成正比。因此我們可以採用多頻率的訊號，從而通過不同頻帶之間到達的時間差來推導所產生的總延遲並消除總延遲。
這樣就可以消除99.9％以上的由大氣引入的誤差，而無需執行進一步的建模。
上面我們介紹北斗系統的時候提到了，北斗系統使用了B1，B2，B3三個頻段訊號，使用三個頻段訊號可以更好的消除電離層的誤差。
據說GPS是2個頻段。
總結
本文通過北斗衛星系統介紹，粗淺的分析了一下衛星定位的原理和精確時鐘。如有錯誤，歡迎指正。
本文參考資料:北斗衛星導航系統 //www.beidou.gov.cn/
本文作者：flydean程式那些事
本文鏈接：//www.flydean.com/beidou-how-to-work/
本文來源：flydean的部落格
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