1.1 北斗系統(tǒng)介紹
“BD一號”系統(tǒng)是我國自行研制和建立的一種區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)，又稱：“雙星定位”系統(tǒng)或“BD一號”系統(tǒng)。主要是利用兩顆地球同步衛(wèi)星來測量地球表面和空中的各種用戶的位置，并同時(shí)兼有雙向報(bào)文通信和定時(shí)授時(shí)的功能。該系統(tǒng)集測量技術(shù)、定位技術(shù)、數(shù)字通信和擴(kuò)頻技術(shù)為一體，是一種全天候的覆蓋我國及周邊國家和地區(qū)的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航、定位、通信系統(tǒng)。隨著2003年5月25日“BD一號”系統(tǒng)的第3顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，將進(jìn)一步完善“BD一號”系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。
“BD一號”系統(tǒng)主要由一個(gè)地面中心站、兩顆地球同步衛(wèi)星(目前3顆)、若干個(gè)專用測軌站和標(biāo)校站，以及成千上萬個(gè)各類用戶機(jī)等部分組成。用戶機(jī)是“BD一號”衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)的應(yīng)用終端，可以應(yīng)用于各種不同的載體之中。按應(yīng)用的載體不同，用戶機(jī)可以分為：手持(單兵攜帶)型、車載型、艦載型、機(jī)載型和彈載型等;按用途不同又分為指揮型、定位型、授時(shí)型、信息接收型和組合功能型等。與GPS、GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)相比，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的“BD一號”系統(tǒng)在國防軍事領(lǐng)域的部隊(duì)作戰(zhàn)、訓(xùn)練、科研、武器裝備等方面，在公安、武警和民用交通運(yùn)輸、地質(zhì)、科考、探險(xiǎn)、地形測繪等領(lǐng)域中將具有更加廣泛和深入的應(yīng)用前景，該系統(tǒng)的建立和應(yīng)用不僅會(huì)對我國國防現(xiàn)代化建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出重大的貢獻(xiàn)，而且對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也會(huì)帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
1.2 工作原理概述
“BD一號”系統(tǒng)的工作原理是“三球交會(huì)測量原理”，即: 以位置已知的兩顆地球同步衛(wèi)星為兩個(gè)球心，以它們分別到用戶的距離(要完成的測量量)為半徑可以作兩個(gè)球面;以地球的球心為中心，以地球的半徑加上用戶的高程為半徑作出第三個(gè)球面，三個(gè)球面的交會(huì)點(diǎn)排除其鏡象點(diǎn)即為用戶的位置。
“BD一號”系統(tǒng)的定位工作過程是: 首先由地面中心站向兩顆地球同步衛(wèi)星發(fā)送確定格式的詢問信號，兩顆地球同步衛(wèi)星將詢問信號廣播轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)區(qū)域內(nèi)的各種用戶機(jī)。當(dāng)用戶機(jī)接收到一顆地球同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號以后，自動(dòng)搜索、捕獲和穩(wěn)定跟蹤
該衛(wèi)星信號。經(jīng)過一定的信息處理和時(shí)延后，再按確定的格式同時(shí)向兩顆地球同步衛(wèi)星播發(fā)自己的應(yīng)答信號。兩顆地球同步衛(wèi)星將其應(yīng)答信號轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心站。地面中心站接收到該應(yīng)答信號以后，測量整個(gè)應(yīng)答信號的往返總時(shí)延，并根據(jù)地面中心站至兩顆同步衛(wèi)星的距離、用戶機(jī)的高度等數(shù)據(jù)信息，解算出該用戶機(jī)(即載體)在地球表面或空中的當(dāng)前位置。再由地面中心站經(jīng)過地球同步衛(wèi)星把該位置信息傳送給用戶機(jī)，在用戶機(jī)的顯示器上顯示其當(dāng)前地理坐標(biāo)位置，完成了用戶機(jī)的單收雙發(fā)定位工作模式。如果用戶機(jī)同時(shí)接收到兩顆地球同步衛(wèi)星的信號，并測量出兩個(gè)詢問信號的時(shí)差后，將該時(shí)差通過一顆地球同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給地面中心站，地面中心站的計(jì)算機(jī)根據(jù)該時(shí)差值就可以解算出用戶機(jī)(即載體)在地球表面或空中的當(dāng)前位置，并發(fā)送給用戶機(jī)，完成了雙收單發(fā)的定位工作模式。
地面中心站發(fā)送廣播詢問信號的同時(shí)也可以傳送通信電文。用戶機(jī)可以通過自己的應(yīng)答信號向地面中心站傳送需要發(fā)送的通信信息，因而該系統(tǒng)具備雙向通信功能。地面中心站所發(fā)送的廣播詢問信號中還可以發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號，用戶機(jī)應(yīng)用這些信號可以進(jìn)行校時(shí)，所以該系統(tǒng)還具有授時(shí)的功能。
1.3 衛(wèi)星授時(shí)
對于一個(gè)進(jìn)入信息社會(huì)的現(xiàn)代化大國，導(dǎo)航定位和授時(shí)系統(tǒng)是最重要、而且也是最關(guān)鍵的國家基礎(chǔ)設(shè)施之一。現(xiàn)代武器實(shí)(試)驗(yàn)、戰(zhàn)爭需要它保障，智能化交通運(yùn)輸系統(tǒng)的建立和數(shù)字化地球的實(shí)現(xiàn)需要它支持。現(xiàn)代通信網(wǎng)和電力網(wǎng)建設(shè)也越來越增強(qiáng)了對精度時(shí)間和頻率的依賴。從建立一個(gè)現(xiàn)代化國家的大系統(tǒng)工程總體考慮，導(dǎo)航定位和授時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該說是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。它對整體社會(huì)的支撐幾乎是全方位的，星基導(dǎo)航和授時(shí)是未發(fā)展的必然趨勢。美國投入巨資建成了全球定位系統(tǒng)(GPS)，俄羅斯也使自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)投入了運(yùn)行。歐盟一些國家也正在聯(lián)合開展伽利略(Galileo)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制。為了提高民用定位定時(shí)的性能和可靠性、安全性，利用這些衛(wèi)星系統(tǒng)建立廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(Waas)在美國、日本、歐洲和俄羅斯也在計(jì)劃或研制之中。
這些系統(tǒng)導(dǎo)航定位的基本概念都是以精度時(shí)間測量為基礎(chǔ)的。正如有人所指出的那樣，我們?nèi)祟惿钤谟喔钏木S的世界(x、y、z、t)其中一維就是時(shí)間，而另外三維的精度確定，就今天而言，沒有精確的定時(shí)也是難以實(shí)現(xiàn)的。
單從授時(shí)出發(fā)，不難理解系統(tǒng)發(fā)播時(shí)間的精確控制是不可缺少的。而對于導(dǎo)航定位，系統(tǒng)內(nèi)部鐘(星載鐘和地面監(jiān)測和控制臺(tái)站的鐘)的同步就極為關(guān)鍵。沒有原子鐘的支持，沒有鐘同步和保持技術(shù)的支持，實(shí)現(xiàn)星基導(dǎo)航和定位是不可能的。在完成精確時(shí)間的傳遞過程，需要對傳播時(shí)延作精確修正，而這又需要知道用戶的精確地理位置。從以上分析可以看出，無論在系統(tǒng)概念、技術(shù)、裝備或管理上，與其他通訊和衛(wèi)星系統(tǒng)相比，導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)與高精度衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)有很好的兼容性和互補(bǔ)性，二者是相輔相成的。從資源共享和合理利用出發(fā)，先進(jìn)的衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)該成為一個(gè)導(dǎo)航授時(shí)一體化的高精度星基四維(x、y、z、t)信息源，就像目前已投入工作的GPS、Glonass 和正在研制中的Galileo以及各種Waas系統(tǒng)中，無不把其授時(shí)功能提到僅次于導(dǎo)航定位的重要地位。以便滿足個(gè)行各業(yè)對精度時(shí)間和頻率日益增長的需求。
面對國際上風(fēng)云變幻的局勢，作為一個(gè)獨(dú)立自主的大國，建立我們自己的星基的導(dǎo)航定位和授時(shí)系統(tǒng)無論對于保障國民經(jīng)濟(jì)的日常運(yùn)作或國家安全都至關(guān)重要，正如中國科學(xué)院院長路甬祥指出的那樣，我們應(yīng)該有“中國的GPS”。為了發(fā)展我國自主的導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)，我國從80年代即開始研究研制定位技術(shù)，隨著2003年5月25日“BD 一號”系統(tǒng)的第3顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，標(biāo)志著我國獨(dú)立自主的衛(wèi)星定位技術(shù)以及逐步完善。
“北斗”無源授時(shí)型接收機(jī)僅接收“北斗”衛(wèi)星信號，在注入用戶當(dāng)前的地理位置后便可以實(shí)現(xiàn)精確的授時(shí)和守時(shí)。該產(chǎn)品已經(jīng)過信息產(chǎn)業(yè)部通信計(jì)量中心的鑒定測試，鑒定測試時(shí)應(yīng)用銫鐘作為時(shí)間基準(zhǔn)，鑒定測試結(jié)果表明“其北斗無源授時(shí)型接收機(jī)在天線位置精度為10m的條件下，經(jīng)過23個(gè)小時(shí)的連續(xù)測試，輸出的秒脈沖定時(shí)偏差小于22.54ns。同時(shí)，該無源授時(shí)型接收機(jī)已應(yīng)用于幾個(gè)單位的產(chǎn)品中，另外，無源授時(shí)型接收機(jī)也可以廣泛的應(yīng)用于如：通信、電力、交通運(yùn)輸、港口管理、水力監(jiān)控、海洋作業(yè)，海上緝私和搶險(xiǎn)救災(zāi)等民用部門和行業(yè)中。
