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汇报人 ：拓凯文
斗
引
航
北斗卫星导航系统概述
发展历史
壹
系统构成
贰
核心技术
肆
系统功能
叁
目
CONTENTS
录
伍
市场应用
北斗卫星导航系统概述
壹
发展历史
从上世纪80年代提出设想，到1994年北斗一号建设正式启动，几代北斗人经过30多年的实践探索，走过了北斗系统建设“三步走”的发展历程
项目源起
中国发展航天事业的宗旨是：探索外太空，扩展对地球和宇宙的认识
01
02
03
“十一五”战略规划
国家安全需求
国内产业升级
院士提案
陈芳允院士提出“双星定位”建设方案：把地心视为虚拟卫星，再发射两颗静止轨道通信卫星
海湾战争
美国为首多国部队通过卫星准确定位，与弹道导弹的结合，全面击溃伊拉克军队
银河号事件
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
资金投入
宏观设计
启动研制
政策背景支持
技术背景支持
北斗卫星建设初衷源于多方面的国家需求
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
Source：https://www.ndrc.gov.cn/
导火索
自主创新
国际标准兼容
强调自主知识产权
国内外技术合作
导航定位技术
卫星技术
通信技术
星座设计
时频技术
自主信号生成设备
技术基础
借鉴俄罗斯格洛纳斯等系统
自主设计卫星发射和轨道实验
创新的星座设计
项目源起
政策背景支持
技术背景支持
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
Source：http://www.beidou.gov.cn/
北斗卫星建设拥有厚实的技术基础
从追随到创新、从局部服务到全球覆盖
设计方案：CHINASAT
1991
1983-1994
早期研究：1994年正式开始北斗一号系统的研制
1994-2007
北斗一号系统：4颗北斗导航试验卫星
2004-2012
北斗二号系统：包含10颗卫星，在中国投入服务
2009-2020
-至今
北斗三号系统：提供全球定位服务
历史沿革
20年磨一剑，从蹒跚起步到服务全球
Source：https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7979721
1990年
1995年
2000年
2001年
2002年
2003年
2004年
正式启动
北斗一号系统
北斗一号系统
2007年
中国正式启动北斗一号系统的研制
首次发射
第一颗北斗导航试验卫星发射
再获成功
第二颗北斗导航试验卫星发射
欧盟计划
再获成功
第三颗北斗导航试验卫星发射
协议签署
中国与欧盟正式签署伽利略计划技术合作协议
系统完善
成功发射导航卫星，传来卫星首个信号时
“三步走”计划
Source：https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7979721
中国计划加入欧盟的伽利略定位系统计划
2004年
2005年
2006年
2007年
2010年
2011年
2012年
加速启动
北斗二号系统
北斗二号系统
中国加速投入资金启动了北斗卫星导航系统的建设
首次发射
成功发射一颗中地球轨道卫星
接续成功
多颗北斗导航卫星成功发射
投入使用
接续成功
北斗二代包含了10颗卫星，开始在中国投入服务
成功建成
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
“三步走”计划
Source：https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7979721
开始对中国和周边地区提供测试服务
2009年
2015年
2018年
2019年
2020年
正式启动
北斗三号系统
北斗三号系统
北斗三号系统的建设自2009年启动
多次成功
第20颗北斗导航卫星准确飞入地球倾斜同步轨道
基本建成
北斗三号基本系统建成并开始提供全球服务
完成部署
“三步走”计划
Source：https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7979721
中国完成北斗全球卫星导航系统星座部署
北斗三号系统组网示意模型
2035年建成以北斗为核心的综合定位、导航、授时体系
功能逐渐多元
几代北斗人经过30多年的实践探索，走过了北斗系统建设“三步走”的发展历程
功能差异
性能差异
发展概况
具有卫星系统基本功能
有源定位
定位、单双向授时、短报文通信
全天时全天候提供导航授时服务
有源定位
无源定位
北斗卫星关键元器件国产化率达到100%
有源定位
无源定位
性能逐代提升
自主化、国际化
北斗一号
北斗二号
北斗三号
北斗一号
北斗二号
北斗三号
功能性能扩展
技术自主化国际化
三代系统对比
定位、测速、授时、
短报文通信
定位导航授时、全球短报文通信、国际搜救
贰
系统构成
北斗卫星的系统构成可以分为三个主要部分：空间段、地面段和用户段
由30颗卫星组成
北斗卫星的系统构成可以分为三个主要部分：空间段、地面段和用户段
北斗卫星导航系统的空间段、地面段、用户段通过相互配合、协调工作
确保为用户提供准确、可靠的定位、导航和授时服务
空间段负责向全球范围广播导航信号，地面段监控和管理卫星并校正数据，用户段接收信号并进行定位计算
主要构成
Source：http://www.beidou.gov.cn/
空间段
地面段
用户段
30颗卫星组成
主控站 / 注入站 / 监测站
用户的终端
空间段
地面段
用户段
目标
Target
生命周期
life cycle
交付
Deliver
工具
Tool
提供精准服务
卫星健康管理
针对用户服务
卫星发射
轨道运行
卫星监控
数据更新与维护
用户设备使用
信号接收
确保全球范围内的连续、稳定信号提供
支持多领域应用
通过地面控制系统，定期上传校正信息
维持系统高精度运行
提供具备兼容性和高精度的终端设备
支持多模接收
GEO
InnoAd
KOL数据库
主控站、注入站和监测站的结合
终端应用
北斗卫星导航系统基层设施
三部分联系
IGSO
MEO
多模卫星接收设备
技术支撑，地面保障
用户导向，功能保障
Source：http://www.beidou.gov.cn/
空间段是北斗系统中最为核心的部分，主要包括在轨运行的导航卫星群
北斗系统使用了三种不同类型的轨道卫星来提供全球范围的导航服务
01/
GEO——地球静止轨道卫星
地球静止轨道卫星位于地球赤道上方约36,000公里的轨道上，其轨道周期与地球自转同步
空间段
02/
IGSO——倾斜地球同步轨道卫星
IGSO卫星的轨道为地球同步轨道，但与赤道面呈一定的倾角（通常为55°左右），它们在天空中呈现一个“8”字形的轨迹，覆盖更多的高纬度地区
03/
MEO——中圆地球轨道卫星
中圆地球轨道卫星的轨道高度约为20,000公里，轨道周期约12小时
MEO卫星的轨道类似于美国GPS和欧洲Galileo系统所采用的轨道
Source：http://www.beidou.gov.cn/
叁
系统功能
北斗卫星导航系统以其卓越的定位、导航、授时、短报文通信和高精度服务，构建了全球用户信赖的智能导航网络
定位服务
短报文通信
导航服务
授时服务
广域差分增强
全球搜救
星基增强
区域增强
北斗卫星导航系统
主要功能
Source：http://www.beidou.gov.cn/
基本功能
短报文通信
北斗卫星导航系统基本功能包括定位、导航与授时
空间
精准定位
主要功能
星基增强
精准导航
精准授时
时间
全球范围实测定位精度水平方向优于2.5米
垂直方向优于5.0米
授时精度优于20纳秒
实现高精度空间时间信息传递
Source：https://www.ndrc.gov.cn/
基本功能
短报文通信
区别于其他全球卫星导航系统（如GPS、GLONASS、Galileo），不仅提供定位、导航和授时（PNT）服务，还具备通信能力
双向通信
主要功能
星基增强
基于中国北斗卫星导航系统 (BDS) 的卫星通信能力实现双向通信
信息容量
覆盖范围
部署条件
核心优势
在北斗三号阶段，这一容量大幅增加，单次最多可传输1200个汉字，极大提升了实用性
最初在中国及周边亚太地区提供，随着北斗三号的全球组网完成，这一功能逐渐扩展至全球范围
无需地面基站，因此在没有移动通信网络覆盖的地方，用户仍可以通过手持设备进行通信
独立于地面网络：北斗短报文通信完全依赖卫星进行信息传输，不依赖地面基站或通信网络，因此在移动网络不可用的地方依然可以正常通信
高可靠性：相比于地面通信网络容易受天气、灾害、信号遮挡等影响，北斗的短报文功能依托高空卫星，受干扰的可能性较小，具有较高的可靠性
抗干扰能力强：北斗卫星通信信号具有较好的抗干扰能力
Source：https://www.ndrc.gov.cn/
基本功能
短报文通信
北斗卫星导航系统的重要扩展功能，旨在增强信号的精度、完整性和可用性
主要功能
星基增强
通过地球静止轨道 (GEO) 卫星搭载卫星导航增强信号转发器修正信息
星基增强
地基增强
地基增强系统依赖于地面基站网络来提高卫星导航信号的精度
通过实时误差校正，定位精度可以从几米提高到亚米级，在特定场景下甚至可以达到厘米级
GBAS的增强服务通常集中在特定区域或城市，适合需要精确定位的小范围应用
按照国际民航标准，开展北斗星基增强系统设计、试验与建设
目前，已完成系统实施方案论证，固化了系统在下一代双频多星座SBAS标准中的技术状态，进一步巩固了BDSBAS作为星基增强服务供应商的地位
Source：https://www.ndrc.gov.cn/
发展情况
肆
核心技术
北斗卫星导航系统作为全球四大卫星导航系统之一，采用了多项先进的核心技术，确保其能够提供高精度、可靠的导航服务
相比于频分多址，码分多址有较高的频谱利用率，在L波段频谱资源有限的情况下，选择码分多址更为妥当
与全球定位系统和伽利略定位系统一致
01/
导航信号发送
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
码分多址技术
Source：https://www.ndrc.gov.cn/
B1频点
B2频点
B3频点
1559.052MHz－1591.788MHz
1166.220MHz－1217.370MHz
1250.618MHz－1286.423MHz
2007年，在北斗-M1卫星发射后，被检测到于图示红色的波段上发出信号，与伽利略定位系统使用或计划使用的波段相重合
基于北斗RDSS体制, 将用户接收机的观测数据向中心站进行回传, 并在中心站实现精密位置的解算和报告, 提升了服务覆盖范围和定位精度
02/
精密定位报告系统
利用北斗RDSS链路将用户的RNSS伪距、载波相位观测数据回传至地面运控系统，充分利用中心站各种观测信息和各类精密参数，在中心站采用RDSS和RNSS观测数据实现广义RDSS定位服务
精密定位技术
Source：http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2022.20220024
在区域伪距差分定位和精密单点定位模式下，中心站会根据用户的概略位置提供相应的综合改正数
03/
数值分析
分别采用伪距差分定位(SPP)、精密单点定位(PPP)和双差相对定位3种模式进行定位验证
区域差分SPP、分区综合正PPP两种定位模式都采用了多个监测站综合给出的改正数，通常距离其最近的监测站在计算综合改正数中所占的权重最大
精密定位技术
Source：http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2022.20220024
基于北斗RDSS体制, 将用户接收机的观测数据向中心站进行回传, 并在中心站实现精密位置的解算和报告, 提升了服务覆盖范围和定位精度
3种定位模式下的用户定位误差RMS空间分布
北斗三号采用的TD-AIBOC调制技术可以提高导航信号的传输效率和抗干扰性能，有效提高了北斗导航系统的性能和可靠性
04/
时分复用
时分AltBOC（TD-AltBOC），是我国具有自主知识产权的一种调制技术，为了降低发射机的实现复杂度，其每一边带的数据、导频分量采用时分复用技术形成一路二值信号，之后使用2分量ABOC技术，进行合并发射
TD-AltBOC 技术
Source：http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2022.20220024
在TD-ALTBOC中，每个时间间隔被分成多个子时隙，其中每个子时隙都可以采用不同的信号状态
因此一个时间间隔内可以传输多个比特，从而提高了信道利用率
与AltBOC调制方式相比，由于TD-AltBOC调制方式采用了逐码片时分复用方式，在任一时刻仅需传输2个信号分量，从而无需引入乘积项即可实现，复用效率达到100％
伍
市场应用
随着北斗系统的全球覆盖和高精度服务能力的提升，其应用场景从传统的交通运输和定位扩展到更高精度的专业领域
智能交通
智慧城市
紧急救援
智慧农业
应用场景从传统的交通运输和定位扩展到更高精度的专业领域
随着北斗系统的全球覆盖和技术的不断进步，其应用领域将会进一步拓展
涵盖多个行业领域
智能化
多维数据赋能智慧决策
智慧农业
智慧交通
智慧城市
提高自动化水平，提升生产效率
精细化
精准信息赋能功能链路
精密测绘
时间同步
国防安全
未来方向
赋能更多领域
多个应用场景
提供精准数据支持，提供安全保障
Source：http://www.beidou.gov.cn/
应急通信
导航服务
数据监控
主要应用角色
智能交通
Source：http://www.beidou.gov.cn/
自动导航
科学管理
精确定位
主要应用角色
智慧农业
Source：http://www.beidou.gov.cn/
精确定位
实时监测
避免误差
主要应用角色
工程建设
Source：http://www.beidou.gov.cn/
谢 谢
THANKS
汇报人 ：拓凯文