挑战GPS 盘点北斗导航系统的30年历程
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2014-8-22 15:01:20 类型：原创 来源：电脑报 报纸编辑： 作者：
【电脑报在线】卫星导航系统已逐渐成为最重要的空间基础设施，手机导航、车载导航的应用已经随处可见。中国作为最大的发展中国家，拥有广阔的领土和海域，出于民间应用和国防安全的需要，高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力发展自己的卫星导航定位系统。
@詹锟（北京航空航天大学）
卫星导航系统已逐渐成为最重要的空间基础设施，手机导航、车载导航的应用已经随处可见。中国作为最大的发展中国家，拥有广阔的领土和海域，出于民间应用和国防安全的需要，高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力发展自己的卫星导航定位系统。从1983年
我国的北斗卫星导航计划于正式提出，距今已经有30多年的历史。按照最初规划的“三步走”的战略，经过几代科学家们的努力，北斗计划已实现过半。褒贬之中回顾这30年的发展历程，不但有助于厘清北斗系统的发展脉络，也让国人体会到其中的艰辛。
上世纪80年代到2000年
试验阶段，覆盖我国周边
我国早在上世纪60年代就开始了关于卫星导航与定位的研究，随后由于受到文化大革命的影响，研究一度中断直到70年代末才恢复。从那时起，中国科学家们开始积极探索适合我国国情的卫星导航定位系统的技术途径和方案。1983年，一个名为“双星快速定位系统”的卫星导航与定位方案在全国科学大会上被提出。随后，我国著名航天专家陈芳允院士正式提出，在国内利用两颗地球静止轨道通信卫星，实现区域快速导航定位的设想。到了1989年，在陈芳允院士的带领下，我国首次利用通信卫星展开了双星定位演示验证试验，证明了北斗卫星导航试验系统技术体制的正确性和可行性。此后，1994年中国正式启动了该项目的系统建设和发展，并更名为北斗卫星定位导航系统。
双星定位示意图
该阶段以2000年成功发射的两颗“北斗一号”为结束，两颗卫星成功构成了北斗导航系统，形成了区域的有源服务能力。“北斗一号”是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。并且由于采用卫星接收测定机制，用户终端机工作时需要发送无线电信号给北斗卫星，是一种有源定位系统，能实现一定的互动性。随着2003年和2007年又成功发射了两颗“北斗一号”备份卫星，标志着完整的第一代北斗卫星导航定位系统已经完成，今后将转入长期的在轨管理阶段。
虽然第一代北斗系统缺陷很明显，但它是我国独立自主建立的首个卫星导航系统，打破了美、俄在此领域的垄断地位。而此阶段也是北斗计划最艰难的时期，在缺少人力、物力的
情况下，以及当时国外对我国的技术封锁，中国科学家们仅能用少量卫星在地球同步静止轨道来完成试验任务。在国外专家看来，这几乎是不可能完成的任务。通过该阶段研究，为我国北斗卫星导航系统建设积累大量技术经验，培养了一批优秀人才并研发了一些地面应用的基础设施。
性能点评
在第一阶段，北斗与美国GPS 还有很大差距。首先覆盖范围不过是初步具备了我国周边地区的定位能力。其次是定位精度低，定位精度最高20米，且无法定位高速移动的目标。
2001年到2012年
第二阶段，覆盖亚太区域系统
随着我国综合国力的提升，以及卫星导航定位系统全面渗透普通人的生活，还有科索沃战争和第二次海湾战争中美国GPS 制导高精度打击武器的应用，构建一个类似GPS 的全球卫星导航定位系统迫在眉睫。为了缩短与美国GPS 的差距，2006年《中国航天白皮书》正式宣布具有军事用途的第二代北斗卫星导航系统即将部署，从2007年开始我国正式组网第二代北斗卫星导航定位系统。从2007年发射第一颗“北斗二号”卫星到2012年完成第十二颗“北斗二号”，卫星的发射时间间隔越来越短，“北斗二号”正在加速完成组网。
到了2012年，“北斗二号”定位导航系统已经具备覆盖亚太地区的无源定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。第二代北斗卫星导航定位系统采用无源定位技术，共需要发射35颗卫星，足足要比GPS 多出11颗。按照规划，“北斗”卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星（GEO ）和30颗非静止轨道卫星组成，30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道卫星（MEO ）和3颗倾斜轨道同步卫星（IGSO) 组成，共有三种运行轨道。
随着性能的部分提升，北斗卫星导航系统已经开始逐步应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域。比如在2008年北京奥运会和正在举办的南京青奥会，北斗卫星导航系统为城市的智能交通调度提供了定位信息，保证了奥运班车顺畅通行。当汶川大地震发生后，灾区的手机通信基站被破坏，电缆、光缆被截断，有线、无线通信全部中断。在这种情况下，利用北斗卫星导航定位系统成功为灾区一线和指挥部建立了实时通道。
性能点评
第二阶段的北斗导航已经覆盖亚太地区，它的服务又分为开放服务和授权服务两种。开放服务在服务区免费提供定位，测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务则多是用于军事，将向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。此次北斗系统的升级，除了还不能达到全球覆盖，从性能方面讲已经于美国GPS 不相上下，甚至在互动性上优于GPS 。
北斗导航的互动性优于GPS
图片上的文字替换：海洋公路 北斗地面控制中心站 陆地 集团用户管理中心 北斗运营服务中心 航空 北斗卫星
利用北斗组建的公安警务系统
2013年到2020年
第三阶段，组成全球卫星系统
从2013年开始，我国将加速组建第二代北斗系统，并且预计到2020年时，将35颗卫星全部发射升空，实现北斗卫星导航系统的全球覆盖能力。届时，北斗卫星导航系统将是一个由30余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的大型航天系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。
“北斗二号”拆解图
民用领域，同时兼容GPS 和北斗两大导航系统的终端也成功开发
随着技术的发展，美国GPS 二代无缝升级也已经开始，而且三代已进入研发后期。美国将会把第一代GPS 系统原有的28颗卫星（包括4颗备用卫星）挨个地替换掉，组成新的第二代GPS 卫星网络。这些新卫星将使GPS 的性能发生质的飞跃：升级后的GPS 商用信号容量会翻3倍；精度会大幅提高；系统的速度会更快。
性能点评
35颗卫星全部发射升空之后，北斗导航将覆盖全球的范围。性能上，近日中国航天科工信息技术研究院宣布第四代北斗卫星系统的芯片已经研发成功，定位精度高达到2.5米，并且具有低功耗、抗电磁干扰强的特点。
延伸阅读：北斗与GPS
说起全球卫星定位导航系统，中国老百姓最熟悉的并不是我国的北斗系统，而是美国GPS 。“北斗与GPS 有什么不同?”“GPS使用已经很广泛，为什么还要用北斗导航系统?”很多普通用户都可能会有这样的疑问。业内人士都表示，GPS 已占据我国卫星导航应用绝大部分市场，普及使用率非常高，北斗从价格和使用率上目前不及GPS ，但是从国家安全的战略意义上看，提倡大家使用我国自主产品北斗卫星导航系统，逐渐摆脱对美国GPS 的依赖性。
有数据说，GPS 仅在我国就已垄断了95%以上的导航终端。GPS 在中国的广泛普及，加大了国家、企业和个人信息安全的外部威胁。诸如，中国的电信系统、金融系统、电力系统以及互联网领域，之前普遍用的是GPS 授时， GPS 的授时系统一旦出现问题，造成的
损失难以估算。有媒体称，我国的CDMA 网络，就曾经因为美国GPS 未授时出现过瘫痪事件。
在军事领域，依赖GPS 将对国防安全造成极大损害。GPS 目前在全球被广泛应用，绝大多数国家对其都有依赖性，这也就意味着，目前任何配备GPS 卫星导航系统国家的军队，战时都有可能被美国“做手脚”而变成“瞎子”。一些与现代化军事装备有关的信息处理，如果过度依赖GPS 系统，一旦GPS 系统无法使用或美国停止导航信号的播发，乃至在信号中加入干扰，这会让使用国在军事上陷入极大的被动。
美国GPS 与中国北斗对比表
本文出自2014-08-25出版的《电脑报》2014年第33期 A. 新闻周刊
(网站编辑：shixi01
挑战GPS 盘点北斗导航系统的30年历程
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2014-8-22 15:01:20 类型：原创 来源：电脑报 报纸编辑： 作者：
【电脑报在线】卫星导航系统已逐渐成为最重要的空间基础设施，手机导航、车载导航的应用已经随处可见。中国作为最大的发展中国家，拥有广阔的领土和海域，出于民间应用和国防安全的需要，高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力发展自己的卫星导航定位系统。
@詹锟（北京航空航天大学）
卫星导航系统已逐渐成为最重要的空间基础设施，手机导航、车载导航的应用已经随处可见。中国作为最大的发展中国家，拥有广阔的领土和海域，出于民间应用和国防安全的需要，高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力发展自己的卫星导航定位系统。从1983年
我国的北斗卫星导航计划于正式提出，距今已经有30多年的历史。按照最初规划的“三步走”的战略，经过几代科学家们的努力，北斗计划已实现过半。褒贬之中回顾这30年的发展历程，不但有助于厘清北斗系统的发展脉络，也让国人体会到其中的艰辛。
上世纪80年代到2000年
试验阶段，覆盖我国周边
我国早在上世纪60年代就开始了关于卫星导航与定位的研究，随后由于受到文化大革命的影响，研究一度中断直到70年代末才恢复。从那时起，中国科学家们开始积极探索适合我国国情的卫星导航定位系统的技术途径和方案。1983年，一个名为“双星快速定位系统”的卫星导航与定位方案在全国科学大会上被提出。随后，我国著名航天专家陈芳允院士正式提出，在国内利用两颗地球静止轨道通信卫星，实现区域快速导航定位的设想。到了1989年，在陈芳允院士的带领下，我国首次利用通信卫星展开了双星定位演示验证试验，证明了北斗卫星导航试验系统技术体制的正确性和可行性。此后，1994年中国正式启动了该项目的系统建设和发展，并更名为北斗卫星定位导航系统。
双星定位示意图
该阶段以2000年成功发射的两颗“北斗一号”为结束，两颗卫星成功构成了北斗导航系统，形成了区域的有源服务能力。“北斗一号”是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。并且由于采用卫星接收测定机制，用户终端机工作时需要发送无线电信号给北斗卫星，是一种有源定位系统，能实现一定的互动性。随着2003年和2007年又成功发射了两颗“北斗一号”备份卫星，标志着完整的第一代北斗卫星导航定位系统已经完成，今后将转入长期的在轨管理阶段。
虽然第一代北斗系统缺陷很明显，但它是我国独立自主建立的首个卫星导航系统，打破了美、俄在此领域的垄断地位。而此阶段也是北斗计划最艰难的时期，在缺少人力、物力的
情况下，以及当时国外对我国的技术封锁，中国科学家们仅能用少量卫星在地球同步静止轨道来完成试验任务。在国外专家看来，这几乎是不可能完成的任务。通过该阶段研究，为我国北斗卫星导航系统建设积累大量技术经验，培养了一批优秀人才并研发了一些地面应用的基础设施。
性能点评
在第一阶段，北斗与美国GPS 还有很大差距。首先覆盖范围不过是初步具备了我国周边地区的定位能力。其次是定位精度低，定位精度最高20米，且无法定位高速移动的目标。
2001年到2012年
第二阶段，覆盖亚太区域系统
随着我国综合国力的提升，以及卫星导航定位系统全面渗透普通人的生活，还有科索沃战争和第二次海湾战争中美国GPS 制导高精度打击武器的应用，构建一个类似GPS 的全球卫星导航定位系统迫在眉睫。为了缩短与美国GPS 的差距，2006年《中国航天白皮书》正式宣布具有军事用途的第二代北斗卫星导航系统即将部署，从2007年开始我国正式组网第二代北斗卫星导航定位系统。从2007年发射第一颗“北斗二号”卫星到2012年完成第十二颗“北斗二号”，卫星的发射时间间隔越来越短，“北斗二号”正在加速完成组网。
到了2012年，“北斗二号”定位导航系统已经具备覆盖亚太地区的无源定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。第二代北斗卫星导航定位系统采用无源定位技术，共需要发射35颗卫星，足足要比GPS 多出11颗。按照规划，“北斗”卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星（GEO ）和30颗非静止轨道卫星组成，30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道卫星（MEO ）和3颗倾斜轨道同步卫星（IGSO) 组成，共有三种运行轨道。
随着性能的部分提升，北斗卫星导航系统已经开始逐步应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域。比如在2008年北京奥运会和正在举办的南京青奥会，北斗卫星导航系统为城市的智能交通调度提供了定位信息，保证了奥运班车顺畅通行。当汶川大地震发生后，灾区的手机通信基站被破坏，电缆、光缆被截断，有线、无线通信全部中断。在这种情况下，利用北斗卫星导航定位系统成功为灾区一线和指挥部建立了实时通道。
性能点评
第二阶段的北斗导航已经覆盖亚太地区，它的服务又分为开放服务和授权服务两种。开放服务在服务区免费提供定位，测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务则多是用于军事，将向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。此次北斗系统的升级，除了还不能达到全球覆盖，从性能方面讲已经于美国GPS 不相上下，甚至在互动性上优于GPS 。
北斗导航的互动性优于GPS
图片上的文字替换：海洋公路 北斗地面控制中心站 陆地 集团用户管理中心 北斗运营服务中心 航空 北斗卫星
利用北斗组建的公安警务系统
2013年到2020年
第三阶段，组成全球卫星系统
从2013年开始，我国将加速组建第二代北斗系统，并且预计到2020年时，将35颗卫星全部发射升空，实现北斗卫星导航系统的全球覆盖能力。届时，北斗卫星导航系统将是一个由30余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的大型航天系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。
“北斗二号”拆解图
民用领域，同时兼容GPS 和北斗两大导航系统的终端也成功开发
随着技术的发展，美国GPS 二代无缝升级也已经开始，而且三代已进入研发后期。美国将会把第一代GPS 系统原有的28颗卫星（包括4颗备用卫星）挨个地替换掉，组成新的第二代GPS 卫星网络。这些新卫星将使GPS 的性能发生质的飞跃：升级后的GPS 商用信号容量会翻3倍；精度会大幅提高；系统的速度会更快。
性能点评
35颗卫星全部发射升空之后，北斗导航将覆盖全球的范围。性能上，近日中国航天科工信息技术研究院宣布第四代北斗卫星系统的芯片已经研发成功，定位精度高达到2.5米，并且具有低功耗、抗电磁干扰强的特点。
延伸阅读：北斗与GPS
说起全球卫星定位导航系统，中国老百姓最熟悉的并不是我国的北斗系统，而是美国GPS 。“北斗与GPS 有什么不同?”“GPS使用已经很广泛，为什么还要用北斗导航系统?”很多普通用户都可能会有这样的疑问。业内人士都表示，GPS 已占据我国卫星导航应用绝大部分市场，普及使用率非常高，北斗从价格和使用率上目前不及GPS ，但是从国家安全的战略意义上看，提倡大家使用我国自主产品北斗卫星导航系统，逐渐摆脱对美国GPS 的依赖性。
有数据说，GPS 仅在我国就已垄断了95%以上的导航终端。GPS 在中国的广泛普及，加大了国家、企业和个人信息安全的外部威胁。诸如，中国的电信系统、金融系统、电力系统以及互联网领域，之前普遍用的是GPS 授时， GPS 的授时系统一旦出现问题，造成的
损失难以估算。有媒体称，我国的CDMA 网络，就曾经因为美国GPS 未授时出现过瘫痪事件。
在军事领域，依赖GPS 将对国防安全造成极大损害。GPS 目前在全球被广泛应用，绝大多数国家对其都有依赖性，这也就意味着，目前任何配备GPS 卫星导航系统国家的军队，战时都有可能被美国“做手脚”而变成“瞎子”。一些与现代化军事装备有关的信息处理，如果过度依赖GPS 系统，一旦GPS 系统无法使用或美国停止导航信号的播发，乃至在信号中加入干扰，这会让使用国在军事上陷入极大的被动。
美国GPS 与中国北斗对比表
本文出自2014-08-25出版的《电脑报》2014年第33期 A. 新闻周刊
(网站编辑：shixi01