北斗卫星导航定位系统的系统构成有:两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”:以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心,各以测定的卫星至用户终端的距离为半径,形成2个球面,用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图,提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。用户利用一代“北斗”定位的办法是这样的,首先是用户向地面中心站发出请求,地面中心站再发出信号,分别经两颗卫星反射传至用户,地面中心站通过计算两种途径所需时间即可完成定位。一代“北斗”与GPS系统不同,对所有用户位置的计算不是在卫星上进行,而是在地面中心站完成的。因此,地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息,并负责整个系统的监控管理。
由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号,由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置,所以被称为“有源定位”。
北斗二代
继美国的GPS系统升级,俄罗斯的GLONASS系统扩建,以及欧盟的“伽利略计划”之后,中国也将继续升级自己的全球卫星导航定位系统——“北斗第二代导航卫星网”。
“北斗一号导航系统”是区域卫星导航系统,北斗二代卫星可实现全球的定位与导航。“北斗第二代导航卫星网”将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供两种服务方式:开放服务和授权服务。其中5颗静止轨道卫星,即高度为36000公里的地球同步卫星;5颗静止轨道卫星在赤道上空的分布为:58.75º E, 80ºE, 110.5º E, 140º E and 160º E,提供RNSS和RDSS信号链路。30颗非静止轨道卫星由27颗中轨(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成,提供RNSS信号链路„ 27颗MEO卫星分布在倾角为55度的三个轨道平面上,每个面上有9颗卫星,轨道高度为21500公里。
每颗COMPASS卫星都发射4个频率的载波信号用于导航:1561.098 MHz (B1), 1589.742 MHz (B1-2),1207.14 MHz (B2), 1268.52 MHz (B3)每个载波信号均有正交调制的普通测距码(I支路)和精密测距码(Q支路)。卫星以不同地址码区分(CDMA)。
开放服务是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。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是:第二代用户机可免发上行信号,不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息,而是直接接收卫星单程测距信号自己定位,系统的用户容量不受限制,并可提高用户位置隐蔽性。其代价是:测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证,所有用户机使用稳定度较低的石英钟,其时钟误差作为未知数和用户的三维未知位置参数一起由4个以上的卫星测距方程来求解。这就要求用户在每一时刻至少可见4颗以上几何位置合适的卫星进行测距,从而使得星座所需卫星数量大大增多,系统投资将显著增加。
二代“北斗”可称“中国的GPS”
我国发展二代‘北斗’不会采取一步到位的方式,也不会停掉一代,另外发展二代。我们会在一代的基础上不断补充卫星数,增加其功能,提高其整体水平。发展二代“北斗”的工作比一代要复杂得多,卫星技术、地面站的完善、用户终端的开发、关于原子钟的各项基础研究和应用研究……这是一项长期的系统工程。
“北斗”一号第三颗卫星的准确入轨和成功定点,为发展我国二代“北斗”的关键技术提供了准备。“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器,能够参照其他星,把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功,表明这种技术是有效而可靠的。这样,当我们不断发射新的卫星构建二代“北斗”体系时,众多卫星就会找准自己的位置,构成符合标准的网络。此外,“北斗”一号的4颗星寿命都是8年,专家正不断研究,预计下一次发射的卫星寿命就能达到10年左右了;而目前GPS卫星的寿命都是12年左右,GLONASS卫星的寿命则是3到5年。
我国计划从2009年开始每年发射6颗北斗定位卫星,初步形成4颗静止卫星,12颗中轨星,9颗高轨星的北斗2代导航卫星,在中国取代GPS系统。