劉家興

從古人跋山涉水的旅行，到商隊穿越荒漠或密林;從鄭和下西洋的壯舉，到新大陸的發現;從飛機跨越大洲飛行，到隨時隨地獲取位置信息等，導航都發揮了至關重要的作用。

20世紀末，美國開始運行著名的全球定位系統（GPS），俄羅斯建成了格洛納斯系統（GLONASS），它們都實現了實時的定位、測速、授時服務，定位精度可達幾米到十幾米。之后，我國的北斗衛星導航系統（BDS）也開始登上歷史舞臺，成為全球導航衛星系統（GNSS）俱樂部的閃亮之星。

北斗衛星導航系統是我國自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。

北斗導航衛星獨具特色，分為有源服務和無源服務兩種技術體制。

所謂無源定位體制，是指用戶機不需要發射信號，只需要接收信號就能完成定位的系統工作機制。

我們先來看一個關于定位的故事：海盜把寶藏埋在一座無人島的地下。多年后他再次登上小島，根據方位、沙灘、巖石等地貌特征找到了三棵樹。然后在其中兩棵樹之間畫一條直線，從第三棵樹出發畫一條該直線的垂線。最終，他在兩條線的交點處挖出了寶藏。在這個故事里，海盜和他的寶藏相當于用戶機，三棵樹相當于導航衛星，小島相當于地面站。

北斗導航系統的這個定位原理稱為“三球定位法”。用戶機測得自身到第一顆衛星的距離，于是明確了它位于以第一顆衛星為球心、以該距離為半徑的球面上。靠同樣方法，用戶機又獲知自身位于以第二顆衛星為球心的另一球面上，并進一步知道自身位于這兩個球面的相交圓上。用戶機還獲知自身位于以第三顆衛星為球心的第三個球面上，并進一步知道自身位于第三個球面和相交圓的兩個交點上。其中一個交點位于外太空，一個交點位于地球附近，后一個交點的位置就是用戶機的位置，至此用戶機就完成了定位。

授時與我們的學習、工作和生活密不可分。比如，人們需要通過對表使手表的讀數更加準確，這就是一種授時。舉個例子，街上的人們調整機械手表的時針、分針和秒針，使它們分別與城市座鐘的時針、分針和秒針保持一致。城市座鐘雖然比個人手表精準，但長時間工作后指針也會出現一些誤差，需要靠鐘表匠根據其它鐘表的時間或天文時間進行修正。在這個場景里，機械手表就相當于用戶機（用戶段），城市座鐘相當于衛星（空間段），鐘表匠和工具相當于地面站（地面段）。

怎么測得北斗衛星到用戶機的距離呢？辦法是衛星向用戶機發出導航信號，用戶機測得信號傳播的時間，再乘以光速，就得到了二者的距離。用戶接收衛星發來的導航信號，同時從自帶的時鐘上讀出信號接收的時刻，將其減去發射時刻就是信號傳播的時間了。

如何得到衛星導航信號的發射時刻呢？衛星導航信號承載了一些信息和符號，它們的作用類似于城市座鐘的時針、分針、秒針，可以讓用戶機獲知信號的發射時刻。城市座鐘的指針精度是1秒，而衛星導航信號的發射時刻精度要高得多，不大于1納秒（1秒的十億分之一）。就拿海盜的例子來說，海盜必須知道三顆樹的位置才能找到寶藏，同樣，用戶機必須知道衛星在信號發射時刻的位置才能定出自身位置。地面站能夠測量并計算出北斗衛星的位置坐標，然后轉換成星歷參數發送給衛星。星歷參數隨衛星導航信號發送給用戶機，用戶機就能計算出衛星位置。地面站還能夠克服衛星時鐘與北斗導航系統時鐘之間的差異，生成衛星時鐘修正參數發送給衛星，就像鐘表匠修正城市座鐘那樣。用戶機從導航信號中獲取并利用這些修正參數，得到更為精確的衛星信號發射時刻。

由于用戶機的時鐘不準確，信號接收時刻減去發射時刻的結果不一定等于信號傳播時間。那么我們能不能像行人靠城市座鐘對表那樣，為用戶機授時呢？答案是否定的。因為衛星與用戶機之間的距離太遠了，間隔達到幾萬千米。這個距離使信號的傳播時間高達幾十毫秒，直接對表的時鐘誤差太大。扣除信號傳播時間的間接對表方法也行不通，衛星相對地球一直處于運動當中，即便用戶機相對地球靜止，可信號的傳播時間變化范圍最大能達到20多毫秒，誤差仍然不可接受。北斗導航系統的辦法是把授時和定位統一起來，同時實現。用戶機至少觀測4顆北斗衛星，通過定位解算過程得出自身的位置信息和時鐘偏差。

定位和授時的結果具體表現為用戶機位于XX緯度、XX經度和XX高度，本地時間比北斗導航系統時間“快”（超前）或“慢”（滯后）了XX納秒。實測結果顯示，“北斗二號”系統的無源定位精度優于10米，無源授時精度優于50納秒。北斗差分系統利用一個或多個位置已知且配備北斗接收機的基準站，即可改善用戶定位精度，使北斗導航系統的定位精度提高到1米甚至幾毫米。

那么，無源定位的測速原理又是什么呢？

用戶機在完成定位之后，可以進一步完成精確測速。測速采用的基本原理是多普勒效應，它能反映信號的頻率和速度之間的關系。例如，當火車從遠處高速行駛過來時，我們聽到汽笛的音調變高，而當它高速遠離我們時，汽笛的音調變低。利用多普勒效應，交警能通過測量脈沖信號從汽車上反射回來的頻率確定汽車是否超速。

用戶機可通過計算衛星的速度、測量衛星導航信號的頻率，利用多普勒效應確定自身的運動速度。測速的副產品是用戶機的時鐘漂移，也就是與系統時間相比，本地時間每天“變快”或“變慢”的時間。經測試，北斗二號系統的測速精度優于0.2米/秒。

有源定位體制是指用戶機需要發射信號才能完成定位的系統工作機制。有源定位體制下的定位和授時是北斗衛星導航系統獨特的功能，其優點是所需衛星數量少（只需要2到3顆地球靜止軌道衛星，而無源定位體制需要6～24顆衛星）、運行成本低、建設速度快、滿足低端定位需求、授時精度高等。

有源定位的過程是：1、地面站持續發射出站信號，出站信號經不少于兩顆地球靜止軌道衛星轉發，向地面用戶機廣播。2、用戶機接收出站信號，將某一路出站信號的接收時刻作為生成信號的起始時刻，向多顆地球靜止軌道衛星同時發射入站信號，衛星分別將入站信號轉發至地面控制中心站。3、地面站接收經兩顆衛星轉發的入站信號，入站信號的接收時刻減去出站信號的發射時刻，就是信號往返的傳播時間。這個時間的一半正是信號單程的傳播時間，乘以光速就是信號單程的傳播距離。信號單程傳播距離扣除衛星到中心站的距離，就是衛星到用戶機的距離。一般用戶機位于地球表面，這樣由兩顆衛星構成兩個球面，由地球形成第三個球面，地面站可利用三球定位原理計算用戶位置。如果用戶機在入站電文載入自身準確的高度信息，則地面站可以得到更準確的第三球面。4、地面站將用戶位置信息加密后錄入出站信號中，通過地球靜止軌道衛星向用戶廣播。5、用戶接收出站信號，獲知自身位置信息。“北斗二號”導航系統的有源定位精度為50～100米。

北斗導航系統的位置報告功能是指在有源定位過程中，定位需求由地面站發出，用戶機應答。在出站信號和入站信號中承載短報文信息，實現了以地面站為樞紐的、用戶和地面站之間、用戶和用戶之間的短報文通信功能。

那么，有源定位體制的授時原理又是什么呢？

有源定位體制下有單向授時和雙向授時兩種授時方法。單向授時的原理是：地面站發射出站信號，一顆地球靜止軌道衛星將出站信號轉發給用戶機;用戶機測得出站信號的傳播時間，扣除地面站到衛星的距離、衛星到用戶機的距離、衛星轉發時延等，就得到了用戶機時間與北斗導航系統時間的差值，即用戶機“快”或“慢”的時間。“北斗二號”導航系統的有源單向授時精度優于100納秒。

雙向授時的原理是：首先，用戶機通過入站信號發出授時申請;其次，地面站通過一顆地球靜止軌道衛星向用戶機發射出站信號，用戶機測得出站信號的傳播時間，將出站信號的接收時刻作為生成信號的起始時刻，通過同一顆衛星向地面站發射入站信號，地面站測得入站信號的傳播時間;最后，地面站將出站信號傳播時間減去入站信號傳播時間，再除以2，就得到了用戶機時間與北斗系統時間的差值。“北斗二號”導航系統的有源雙向授時精度優于20納秒。

北斗導航系統為我們的學習、工作和生活帶來極大便利和無限可能，其功能擴展和應用潛力有待我們進一步的挖掘！