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解答五

要這個問題首先需要先科普下GNSS定位原理：

簡單的來說，就是拿電磁波當尺子用，測量到衛星之間的距離，然后以衛星為球心距離為半徑作球，多個球交匯處即唯一確定一個點。

由幾何知識我們知道，要唯一確定一個點的三維坐標需要有三組到已知點的距離。衛星本身可由地面測控站測定軌道，其位置是可以很容易由其廣播的電文推算的，可視為已知點�，F在來看距離，基本公式就是距離=時間差 * 波速，其中波速在真空中就是光速。但問題在于，計算精確的時間差需要終端和衛星的時鐘同步，這在只發不收信號的GPS系統中是很難做到的（參考計算機網絡對時原理，需要server回應）。為此，需要再額外引入一組方程，以聯合解算出時間差。

至此我們知道無源系統定點需要同時接收3+1顆衛星的信號。

由此得到衛星星座設計的基本原則：

在地球上任意位置、任意時間都要能同時看見4顆以上衛星。

在地球上任意位置、任意時間都要能同時看見4顆以上衛星。

在地球上任意位置、任意時間都要能同時看見4顆以上衛星。

軌道高，信號差、飛得慢、誤差大，但是單星覆蓋廣、壽命長、所需衛星少。

軌道低，信號好、飛得快、誤差小，但是單星覆蓋小、壽命短、所需衛星多。

就看你在4星可見的設計總原則的基礎上如何去平衡了。最終的目的是要信號好、誤差小、壽命長、成本低（感覺像是悖論是不是？）

32還是24星都是權衡的結果，GNSS是個集成系統，每個國家各工業發展的不均衡性造成輸入的參數不一樣，星座設計必然就會不同。

 

解答六

北斗系統和GPS定位方式和原理上一脈相承。GPS由美國設計于70年代而成形于90年代，而北斗系統（正式的北斗系統為北斗二代）啟動于2004年，實際上是對GPS的一個模仿。

那么可以說，北斗和GPS基本相同，功能上都是為用戶提供位置/時間信息：用戶持有一臺導航儀，通過接收GPS/北斗衛星信號，分析出用戶的位置。順便說下北斗二代是無源定位，即知識導航儀接收衛星信號而不向衛星發射信號，所以沒有短信功能。

在具體實現這個功能時，兩個系統在很多方面都是不一樣的，比如其他幾位提到的信號頻點，衛星星座，坐標系等等。然而既然這兩個系統都是以為用戶提供位置為目的，那么核心的差別應該是兩個系統在定位精度上的差別。那么其它的不同，有些是基本上無關緊要的（比如采用不同的時間/空間坐標系，本質上只是一種約定俗成），還有一些主要反映在對定位精度的影響上。

定位精度當然是需求越高越好。那么新發展出來的北斗在與GPS相比時的區別主要在于 1）GPS里一些由于各種原因我們模仿不了的東西，導致定位精度下降。 2） 北斗設計上的一些創新和改進。

要往下說道具體的實質內容之前，得首先大概說一下定位的原理及定位誤差的來源。如果你都了解的話可以跳過下面這段內容。

定位的基本原理是通過衛星位置和用戶到衛星的距離來推算用戶的位置。

 

看上面(b)圖。如果已知衛星1的位置和用戶到衛星1的距離，就可以知道用戶一定在藍色的球上的某一點。當然由此信息不能確定是在哪一點上，因此還需要知道衛星2的位置和用戶到衛星2的距離，由此知道用戶一定同時也在紫色的球上的某一點，連同衛星1的信息，就知道用戶在兩個球相交的圓上面的某一點。然而此時仍不能確定用戶具體是在圓上的哪一點，因此需要知道第三課衛星（圖c）的信息。由此，三顆衛星可以確定出用戶的唯一的位置。 ==衛星位置。衛星位置引入第一個誤差，即對衛星位置的測量不可能是完全精準的，衛星位置的偏差會導致最終定位精度的偏差。

==用戶到衛星的距離。這個距離當然不能用尺子量，那么給出這個距離的辦法是從衛星發射電磁波，以光速傳遞到接收機，然后通過 d = C * (t2 - t1)來求這個距離，其中t1是衛星發射電磁波的時間，t2是用戶接收電磁波的時間。這兩個時間要求非常的精確，因為光速C = 3后面八個零，意味著如果時間t1或t2偏差了0.00000001（8個零）秒的話，這個距離d就會偏差3米。

- t1是由衛星上的原子鐘來測量的，因此引入第二個誤差，即衛星原子鐘精度導致的誤差。

- t2是由用戶接收機上的鐘來測量的，這個鐘的誤差更大（因為原子鐘造價高，不能放接收機上），因此索性就認為t2是個未知數，通過在多引入一個方程（即引入第四顆衛星）來解這個未知數。

第三個誤差，由衛星的分布造成的誤差。需要一些推導，不詳細說了，結論就是：上面講了四顆衛星可以定位，那么定位精度和這四顆星在空中的分布有關系，如果四顆星相互距離較遠（比如一顆在天頂，另外三顆在地平線，并且分別在12點，4點和8點鐘方向），那么定位精度更高一些，如果四顆星都聚在一起（比如都在天頂附近），定位精度會降低一些。

下面就上面第一二三個誤差來說北斗GPS的差別。

- 衛星位置引入的誤差。要用衛星給地面的用戶測量位置，首先要有地面上的監測站來測量衛星的位置。檢測站的位置是已知的，那么通過上面類似的原理，可以測量衛星的位置。可以想象，如果北斗的監測站全部都在中國境內，那么當一顆導航衛星運行到南美上空時，沒有監測站可以直接觀測到這顆衛星，因此就不能測量它的精確位置（只能通過牛頓定律什么的推出一個粗略的位置），會導致定位精度下降。GPS系統依托美國遍布全球的海外領土和軍事基地，各種監測站隨便建，不存在這個問題。

- 原子鐘誤差。貌似我們的原子鐘技術落后一些，導致這個誤差北斗略大一些。不懂行，不敢亂說。

- 衛星的幾何分布。衛星網越密集，用戶可用的衛星數目就越多，因此能達到更好的衛星幾何分布，從而達到更高的定位精度。這點上北斗在一定程度上是有優勢的。

GPS設計有24顆衛星，分布大概如下圖所示，這種星座設計的目標是保證全球任何地點，任意時刻，有至少四顆可見衛星。當然這四顆衛星的分布不一定很好。

 

北斗的衛星星座構成稍微復雜點。首先有27顆星是類似于GPS的24顆星的，軌道稍有差別，目的是提供全球覆蓋；此外還有8顆地球同步衛星，其中5顆同步靜止在赤道上空，3顆斜同步衛星（斜同步即衛星維持在同一經度上空但并不一直固定在赤道上空）。它們并不是均勻分布在全球，而是都在中國及附近的區域。 這8顆衛星對于導航定位來說我看來大概有以下幾個好處：

1. 增加中國及附近區域的衛星數目，使衛星網密度大。

2. 便于監測，由國境內的監測站即可測量他們的位置，因此衛星位置精度更高。

3. 便于搜索衛星。在導航接收機初始定位的時候，并不知道天上哪顆衛星是可見的，因此需要漫天搜星，以致延長初次定位所需時間。而北斗由于有同步衛星，則可以先搜索他們，實現更快的定位。另外，從2012年公布的導航電文來看，同步衛星播發的數據碼率更快，因此可以進一步減少初次定位時間。

解答一

GLONASS（俄羅斯的全球定位系統）、GPS（美國）、 COMPASS（即北斗，中國）的一部分和Galileo（歐洲）的衛星都運行在地球中軌道(MEO)，高度分別為19,100km、20,200km、21,500km

、23222km。別家需要全球覆蓋的的衛星數目分別為24、24和27。先簡單講講GPS。GPS需要24顆衛星只是最基本的數目。這個數目可以保證全球每個地方任何時刻至少能看見4顆衛星，通過4個方程可以解出空間三維坐標和時間四個變量。這24顆衛星分布在6個軌道面，每個軌道面有4顆衛星。 GPS系統的接收機都是采用無源定位方式（就是接收機不需要發送信號）。

 

好，下面開始講為什么北斗要35顆：北斗的工作原理和和GPS一樣，而軌道高度比GPS略高比Galileo略低，理論上24顆也能提供GPS一樣的無源定位服務了——實際上北斗和伽利略一樣用了27顆地球中軌道衛星，一個原因是因為他們的軌道高一些，需要略多數目保證衛星離接收機不太遠，另一個主要原因是這些衛星的軌道同GPS不同，只有3個軌道面，每個軌道面9顆，軌道面之間為相隔120°均勻分布。這種分布方式是北斗需要比GPS多3個衛星的原因。慢著——沒完呢，北斗不是35顆嗎，還有8顆哪里去了？

 

這要涉及到衛星系統這樣的龐大系統工程的周期問題，上述27顆衛星的發射是漫長的過程，即使是初步覆蓋中國全境也需要20顆左右才能做到，從發射第一顆到最后一顆中間有可能會有10——20年的時間，而且先發射的使用壽命只有8年——27顆沒有準備齊呢，老的衛星開始往下掉了，顯然這種做法浪費太大了，在前十幾年系統根本不能正常使用！如何讓系統盡快工作呢？于是北斗發明了一個巧妙的想法——首先發射3顆傾斜同步軌道衛星，這些傾斜同步軌道衛星高度和地球同步衛星類似，繞地球一周也是24小時，但是軌道并不正好在赤道上，而是和地球赤道面有個夾角。這種衛星在地球固定一個位置看到的軌跡是這樣的類似于日行線的形狀，同經線平行的一個8字形（需要一點兒想象力才能理解）。這3顆衛星雖然不是完全同地面靜止，但是大部分時候中國境內仍然能看到，所以對系統立即可用幫助很大——可是還差5顆呢？

 

這就要回到北斗系統本身來講，北斗除了像GPS一樣用無源接收機工作之外，還有兩個獨到的功能，就是用有源接收機（接收機主動發信號給衛星）和收發短報文（衛星短信）功能。最后還有5顆地球同步軌道衛星就是主要針對這兩個功能都要求發上去的。當然，這5顆星也支持無源定位方式。下圖就是地球同步軌道衛星的照片，可以看到衛星真的不動，周圍的星星會在天空劃出軌跡。

 

下圖就是北斗目前的狀態，以及未來最終的樣子。再強調一遍：為了能盡早發揮作用，北斗系統實際上是（不太嚴格地）按照上述3（地球同步軌道）、2（地球傾斜軌道）、1（中軌道）的順序發射部署的，甚至傾斜同步軌道衛星發了4顆。未來理論上來講，只要27顆中地球軌道衛星就能完成全球定位功能的覆蓋了，但是3和2兩部分衛星主要覆蓋中國及周邊國家，對于提高國內的定位精度和提供特殊服務（比如衛星短信）有重要作用。

 

補充：事實上目前GPS正在運行的也不是24顆，而是有32顆衛星；而GLONASS實際上有29顆。多出來的星除了做備份，還可以增加系統精度，比如GPS可以保證絕大部分地方通常能看到至少9顆衛星，能明顯提高定位精度。Galileo目前因為歐洲各國扯皮，進展緩慢，只放上去4顆（功能不全）的衛星，未來什么時候發揮作用還是猴年馬月的事情。相比之下中國放上去四五顆衛星立即就能提供定位服務和特殊服務，加速技術向市場轉化速度，這個思路還是非常值得稱贊的。所以，中國人還是有創造力的！

不過話說回來，在北斗系統現在每套近萬元的情況下，利用壟斷的力量強制貨運車輛安裝這種流氓做法我個人表示鄙視。要學到的東西：技術需要盡早拿到市場上檢驗，不要像歐洲人那樣追求完美，最好初期就能開始盈利，若有可能可以借助行政力量，但是未來還是要靠市場運作。

再上點兒花絮：谷歌地圖上可以看到所有的衛星

 

這些衛星的名字：

 

解答二

許其鳳教授的一次演講的文字記錄 許其鳳教授，中國工程院院士，北斗衛星導航系統總工程師。

原文如下：

感謝大會給我這樣一個機會，來宣傳一下北斗。

為什么說這樣話呢？這兩年我接觸一些業務圈以外的人士，包括用戶。好像他們對整個北斗系統的了解不是特別多，或者說不是特別系統，存在了很多問題，所以我覺得宣傳是一方面，建設也很重要，讓客戶以及更多的人了解北斗，這樣才可以使用。

我主要向大家宣傳衛星導航系統，也就是北斗系統。因為在座很多都是產業界的人士，我盡量聯系一下產業方面的情況和思路。

我是學校工作的，通俗講叫做“書呆子”這個跟產業不大沾邊，有講的不到位的希望大家理解，同時也請批評。

產業的發展是成敗的標志，我指的是衛星導航系統。衛星導航系統成功在于廣泛的應用，并且取得效益。這個效益不僅僅是芯片制造商的效益，也不僅僅是整機的提供商的效益，還有應用在鐵路上，對鐵路性能的提高產生什么樣的效益，對大壩監測上以及水力發電有什么效益，我理解這個是有廣義的。

另外就是相關產業的發展是廣泛應用的標志，作為衛星導航系統，應用的方面很多。但是相關產業的發展，標志著廣泛應用的程度如何。比如說卡片相機用的很多，這個說明數字攝影取得很大的應用�，F在很多人提出這樣的問題，當然可能不是會議的，會議的時候不提，現在 GPS已經占領了市場，北斗產業究竟怎么發展？說的更直接了當一點，不說我的身價性命，就是這點家當投進去保險嗎？這樣的問題我不能回答。我提供北斗的情況，請大家自己做結論。

關于GPS占領市場，北斗到底有沒有出路的問題，使我想到彩電的問題。80年代是日本的彩電占領我們國家的市場，那個時候只要看彩電不是東芝就是夏普 的，到了90年代國產彩電占領了市場，短短的10年，我們靠什么奪回的市場？一個是相對優越的性能，我說的相對優越，不是整個系統的性能完全超過日本，是說在我們中國顯示的更優越。

日本彩電因為日本發射臺離的都比較近，接受機靈敏度不需要很高，信號強度夠了。但是在80、90年代的時候，我們國家還不是數字電視，信號并不是很強， 距離也比較遠，因此就出現一個信號。日本的彩電有雪花，我們國產的彩電沒有。優越不優越？優越，老百姓就認這個，其實這個就是局部的優越，就是靈敏度提高 了。

所以相對優越的性能是可以做到的，還有一個就是相對低廉的價格。彩電是做到了，我想我們的衛星導航產業應該也可以做到。另外是方便快捷的服務，因為我們的生產商、銷售商就在本地，因此你只要出了問題，你打電話就會有人來維修�？恐�這三條，十年的時間我們把日本的彩電市場趕走，我們把彩電市場奪回來了。

衛星導航系統的性能，是性能相對優越的基礎，我們說性能要優越包括兩個方面，一個是我的接收機、我的用戶系統，我的整個系統性能好，還有一方面就是產業界有自主權的，就是心里有數的，但是沒有數的就是整體的性能如何。

關于北斗衛星導航系統怎么樣，有人說不錯，又是我們國產的、自主知識產權、雙贏等等一大堆，如果有人對我這么說我是不信的，你光給出這樣的結論和標題我信不過，就是得拿出具體的東西，我自己會判斷，就是究竟有沒有優勢，我試圖在這方面做點嘗試，因此我的報告沒有結論，我只介紹情況。

在座的專業可能差距比較大，我簡單把衛星導航系統說一遍，衛星導航系統是由一定數量分布的衛星，包括衛星的高度、衛星的傾角、衛星的軌道組成的空間部分，這個叫做衛星星座，比如GPS是由24顆組成的，叫做中軌衛星MEO。還有一部分是地面監測站不斷觀測所有的衛星，對所有衛星計算軌道，計算鐘差。

通過注入站將軌道、鐘差參數注入到衛星，用戶接收機利用衛星發播的測距信號測距，依靠衛星的位置，用測量的距離解算自身的位置。如果簡單點就是這三點。

避短揚長的北斗星座設計，一般都是揚長避短，為什么是避短揚長呢？這個是故意的，合適不合適大家來判斷。首先說發展的瓶頸，我這里側重講不利條件，這個也是和大家習慣不是很一致，首先強調我們有多少有利條件，然后再想有什么不利條件。作為我的觀點來講，不利條件更重要。

因為你漏掉一個有利的條件，后果很可能是沒能錦上添花的。如果你漏掉一個不利的條件，后果可能是顛覆性的。作為發展衛星導航，因為我們是后發展的，在我們前面有GPS，我們完全可以發展GPS發展我們國家自己的系統，我們也學習，但是不能完全照搬。全面照搬是最簡單的問題，也是最省事的問題。但是我們學習GPS還是遇到一些問題，這個是很難在全球布設監測站，我們說高精度定軌需要衛星全弧段的監測。比如我就測一小段，這個圓畫不準的。

有一個實際的數據，衛星位置的誤差，左邊是有監測數據的，右邊是沒有監測數據，完全靠外推的，我觀測一小段推一段，這個位置誤差會很大，一旦沒有監測數據，誤差會急劇增加。

對于繞地球的GPS衛星是中軌道衛星，東西旋轉。對于這樣監測站要全球分布，這一點美國可以做，我們做起來有困難。我們很難做到全球分布。

第二個問題就是星載原子鐘相對滯后，依靠衛星的位置，通過測距來解算定位，測距怎么測？就是依靠信號傳播的距離，距離=傳播時間×光速，如果數字錯一點，那個誤差就大多了。所以對于星上的鐘，所有的信號都是根據鐘來發播的，那就要求很穩定的度星載原子鐘，那就是10的13次方，大約就是百萬年差一秒。

我們國家星載原子鐘發展相對滯后，我們也都從美國、歐洲進口很高精度的原子鐘，他們知道我們要搞衛星導航系統，結果就禁運了，一臺也不賣給我們。像這樣的兩個問題，我說可以算是兩個瓶頸問題，這樣的問題很難在短時間解決。全球布站，我們很難短時間內發展，這個確實有一定困難。

我們是想試圖從星座設計來尋求繞過瓶頸的辦法，當然試圖的途徑很多，都曾經進行過探視，但是這條路我們走通了。

提到星座設計我們首先有三種衛星軌道，這是全球的圖。一種是中軌衛星軌道MEO，高度是兩萬千米，像GPS，計劃鐘伽利略都是這樣的高度，繞著全球轉。

還有一種軌道是同步衛星軌道，這個是3萬6千千米，就是要在赤道面上，同時要維持這個高度。同步衛星就是跟著地球一起轉的高度，只有在這個高度才能跟地球自轉一致起來，從地球上來看就是不動的。

還有傾斜軌道的同步衛星IGSO，這個高度同GEO一樣，只不過不在赤道上，GEO是在赤道上，傾斜的角度我們采用是55度，在地面上觀察軌道是像“八 字型的”的軌道，從地面上觀察來講是有不同的特點。MEO是從東到西繞著全球轉，GEO衛星是始終不動的，在我們國家上空發一個GEO，我們隨時隨地都可 以看到的。IGSO衛星是南北轉，而且有一定的弧度范圍。

我們說如果選擇MEO或者IGSO軌道，如果可能繞過前面講的兩個瓶頸。因為這兩個衛星不是東西跑，是南北跑，這個總跑不出我們國家，會離開我們國家的 境內，但是不遠，我們可以看得見，就是可以監測的到。這樣我們就增加了跟蹤弧段，IGSO和GEO我可以跟蹤，如果和GPS一樣的MEO，我們觀測的弧段 那只占全弧段的40%，那個精度就差了。

在國內設站的情況下，可以實現對GEO和IGSO的全弧度監測，這樣就解決了我們沒有辦法在全球布站的問題，這樣降低了星載原子鐘的要求，要想取得準確 的時間，我可以表好，比如說是歐米茄，我也可以天天和中央人民廣播電視臺對表，一個是表好，一個是勤對，如果不能勤對，那就是表好。但是如果GEO和 IGSO我隨時可以看得見，我隨時都可以對表，因此在國內設站的條件下，可以實現勤對表。這樣降低了對星載原子鐘的技術要求，給我們國家發展高精度原子鐘 爭取了時間，不是不發展，我們還是要發展。但是想立刻拿出來，這個拿不出來。這個不像包餃子，這個需要一個國家，有時候需要十年，甚至更長。國外比我們時 間還要長，我們必須要一個發展的時間。

我們既然避開了兩個發展的瓶頸，我們還要充分發揮GEO和IGSO的利用率高的特點，我們不是搞全球系統，而是一個區域系統，我們一會可以看到這個區域系統究竟有多大。

對于區域系統來講，我們說這兩種衛星的利用率是可以達到80%以上的，對于MEO我們國家的區域系統來講40%，差了一倍。利用率高就意味著我們可以用比較少的衛星來達到同樣的效能，這個是劃算的，投入性能比也比較好。

在具體設計當中，經過了很多的探測，五個GEO和五個IGSO也就是十個衛星取得了滿意的效果，對于覆蓋區域大體上也接近地球的三分之一。

作為北斗二號，第一期就是區域系統，第二期就是全球系統。第一期星座就是5GEO+5IGSO。在赤道上分布了五個紅點，就是地球同步衛星，同時在藍色的地方是IGSO衛星，紅色是不動，藍色是沿著軌道運動。

如果說按照測距誤差是兩米的話，我們可以達到，甚至更高一點，我們估計一下這個系統究竟怎么樣？我們給了一個圖，這里分成幾種顏色，綠色、藍色、紅色， 綠色里面是由數字組成的。如果是6，這個就表示24小時之內最大的標準差是6米。藍色的6，這個就不是6米了，是定位精度16米，紅色6是26米。我們最 關心的是橙色的，為什么最關心這個呢？這里有很多的藍色的符號，都是美軍在我們國家周邊的軍事基地，美軍軍事基地放在這里我們不關心行嗎？不關心我們很可 能會得到和伊拉克、利比亞、科索沃一樣的結局。所以把最關心的放在這里，我們基本上6米到7米的樣子，我們精度GPS也是一樣。

剛才我們還講了，采用這種衛星是利用率非常高，充分利用了利用率高的特點，其實這不是最早的方案，最早的方案是采用地球同步衛星和美國GPS一樣大MEO衛星，這個方案已經上報給***，而且得到了首肯。

4GEO+12MEO效果是一樣，我們最關心就是北半球，也就是說用16顆衛星還趕不上10顆衛星的性能好，就是我們重新發揮了IGSO和GEO利用率高的特點。總結起來就是前面的避短揚長，避開我們的瓶頸，揚長高利用率。

區域系統有區域系統的優勢，系統級的廣域差分，這個是美國人為了降低民用精度搞的SA，這個就是人為加入軌道誤差和鐘差誤差，就是從30米降低到100 米，美國民用最開始測試是30米，結果達到的是20多米。但是美國軍方認為這個不行，因為民用美國人可以用，那世界其他軍方也可以用，那就是降低到100 米，當時為了解決這個問題，其實也是美國先提出來的，就是差分。最后發現比較好就是廣域差分，廣域差分原理很簡單，就是布測一些參考站，這些站我是精確知 道的，我也是利用GPS定位，利用你不對我來反求出來衛星軌道偏了多少。為了做到這一點，需要建立差分參考站，像我們國家需要20來個。

另外需要計算中心，還要通過注入站向地球同步衛星發射，把數據發射給衛星，地球同步衛星再告訴用戶，這個同步衛星是GPS以外的。參考站觀測衛星，通過注入同步衛星向用戶發播修正參數，精度從100m提高至5m左右。

廣域差分有一個特點，就是區域的，不是全球的，我的用戶在監測站范圍之內用這個東西，另外是用戶級的系統，GPS系統已經建成了，如果要增強，就是進差 分站搞注入中心，再發同步衛星，但是發播的信號是一樣的，所以不是原來的系統級，是一個用戶級的系統。它的功能是可以提高軌道和鐘差的精度。

它只能提供參 考站內的用戶，站外就不靈。你是靠站來監測衛星，求出修正值，我們說MEO衛星是東西轉的，如果轉到東邊，你東邊用戶可以看到這個衛星，但是你監測站測不 到這顆衛星，因此就沒有修正值，用起來就不太好用，用戶跑到美國在我們這毫無辦法。

美國人像歐洲搞的系統都是這樣，要建立廣域差分系統，需要建立參考站、計算中心、注入站、同步衛星，我們計算中心有了、導航系統本身有計算中心，導航系 統本身有注入站，導航系統本身就有五顆地球同步衛星，因此我們就建立一個系統級的廣域差分的系統，就在建北斗系統的時候，就把廣域差分系統融在里面。一般 叫做二級監測站，指的就是這個。

應該說這是我們建成的第一個系統級的廣域差分系統，顯然這個投資要少的多，性能也會好的多。同時不僅僅是對一個系統，只對北斗進行廣域差分服務，因為同 步衛星多，因此在信號編排格式的時候，既可以為北斗發播差分信息，也可以為GPS，同樣也可以為伽利略發播差分信息，就是有可能能夠為三個系統服務的廣域 差分系統。

同時可以為北斗全覆蓋區提供差分服務，就是我們覆蓋區是比我們國土要大的多的區域，按照一般的廣域差分你必須在國土內。不管用戶在最東邊還是在西邊，你 看到的衛星就是十顆IGSO和GEO，這十顆在國內監測站隨時隨地都可以監測，我可以為廣大的區域提供廣域差分服務，這個是以前的廣域差分系統所沒能做到 的，當然只限北斗，對GPS不靈，對伽利略也不靈，也就是監測站的范圍之內，對北斗可以更廣泛一些。

另外在建設階段可以規避一些風險，最主要的技術風險就是軌道開始的時候可能測不準，我們的鐘差也可能測不準，廣域可以進行很好的修正，可以規避一時達不 到設計指標所帶來的影響，達到很好的結果。正像我們前面講的，在GPS做廣域差分的時候，我們可以從100 米提高到5米，我們開始做也不至于差到這個程度，從某種意義上講，這個是很主要的規避風險的的措施。

我們講到北斗的情況，盡管是很簡略的，我們可以把北斗的特點綜合的講的敘述一下。實際上衛星導航系統是很復雜的系統，有很多方方面面的問題。

第一個是繞過發展階段技術瓶頸，充分利用區域的有利條件。

第二個是性能投入比比較高的系統。

第三個是具有系統級廣域差分的系統，覆蓋最大的差分導航系統。

另外能夠規避主要的技術風險，具有位置報告的功能。位置報告北斗1號就具備，北斗2號繼續使用下來。位置報告就是搞GPS，如果一個車出去了，我可以知 道我現在在哪？但是我家里不知道，要想讓我家里知道，那就需要通訊設備。但是作為一個系統本身，就具備這樣的功能，這個是很重要的。

如果說我需要位置報告，需要把我的位置報告給指揮部，比如我漁船出海了，我需要把位置隨時報告給指揮部，如果有臺風指揮部會隨時告訴我，這個就很重要 了。手機系統到海上都不靈了，因為沒有基站，衛星系統可以，可以通過衛星系統。但是衛星設備有多大呢？GPS用戶機手掌這么大，GPS輔助設備大很多，我 說的是衛星通訊設備，而不是手機。如果沒有基站怎么辦？還有就是很重要的備份手段。

比如說汶川地震的時候，很多通訊手段不靈了，所以中央不知道汶川震到什么程度，災情怎么樣，多大范圍都不知道。最早把消息傳出來的是我們搶險部隊帶的北斗接收機，相當于短信發播出來的，這個是最早得到的消息。當然也有遺憾，這種消息報了幾天就沒有了，因為沒電了。當然北斗1號耗電量比較大，這個也是不足 的地方，這個也是具有優勢的地方。

北斗是第一個實現三頻發播的衛星導航系統，美國人GPS現代化要增加一個頻率，為什么發播這個頻率，因為民用用處很大，只有一個頻率，消除不了電頻層。 當然第三頻還有一個作用就是搜索。盡管美國人第一個提出來的，但是很可能我們是第一個實現的。美國人這么早提出來，為什么實現不了呢？這里我猜可有點原 因，因為美國系統已經發上去了，壞一個發一個三頻衛星上去，要全壞了，那得壞30個。那倉庫存了十幾、二十個衛星，那些存的衛星不是第三代的，不是現代化 的，因此從經濟上考慮，現在把庫存放上去，開始達到壽命期的衛星補發還不是現代化的，這樣看來可能還需要一段時間，但是我們現在就是三頻發射。

剛才說了優勢的地方，也有不足的地方。一個是GEO衛星工作期間有斷點，按照規定GEO需要軌道微調，因為天上只有一個赤道，高度是三萬六千公尺，所有 通訊衛星都擠在圓弧上，所以國際電聯有規定，每個衛星有一個規定，你向左、右不能偏出一度，衛星一偏0.1 度，就馬上調整回來。這是按照規定要做的，這個不是我們的事，我們只是遵守。但是有一段時間會影響到定軌精度，我們能夠達到衛星導航的系統，需要兩天到三 天的觀測數據，但是只要進行軌道微調，這個從現在開始就不是原來的軌道，而是新的軌道。對于新的軌道必須觀測兩天到三天的數據，你才能訂出比較準確的有滿 足條件。那這三天你衛星怎么辦？這衛星不能用了，這就是一個問題。

對于這個問題，現在的辦法就是快速定軌，就是精度差這么一點，但是我也能用，而且這個工作還再繼續進行，我們爭取更短的時間，使得工作的斷點盡量縮短。 我們通過系統級廣域差分，新軌道廣域差分不需要很長的時間，很短時間就可以測出來，甚至幾秒鐘就可以測出來，這時候一旦發生軌道微調，我就可以用這套系統 及時發布修正值，這個需要更高的數據更新率，原來就不太適用，這個是可以解決的技術。

第二位置報告或者短信通信含有小功率的發射，這個比北斗1號壓縮更短了，而且資源有限。我們在北斗1號宣傳的時候講，通訊可以進行短報文，用戶真的發展 起來，你會發現不夠用。那時候說是150萬/小時次服務，但是我們時間每小時的數還除3600秒，就是每秒可以服務多少，這樣的容量大家都用，都用就塞滿 了，就服務不了。北斗2號同步衛星5個，另外在報文上可以做點文章。

還有一個問題，因為發射功率，就容易暴露。從軍事來講容易被對方偵查到，或者有被偵查到的可能。再有就是功耗體積都不容易下來，解決辦法就是按需求分 配。并不是所有的用戶都需要報告，并不是所有的用戶都需要短信，你不必都拿這種接受器，也不必都生產這種接受器，而且我也不是每秒都來發報，或者每分鐘都 報告，你汽車跑出去了，三五分鐘報告一次足夠了，有的甚至半小時都沒有動。比如我指揮全球的系統，就沒有必要幾秒鐘報告一次，這個也是按需求分配。另外合 理的控制和利用資源，這個資源是有限的，就是怎么樣合理的控制。

比如普遍的短信不能發了，這個不是笑話，真有這種事。還有局部地區功率增強遜于GPS，我在天津地區的信號可以增強，GPS可以增強30分貝，我們只可以增強15分貝的樣子，我們抗干擾能力不如GPS，這個等待二期工程的改進。

還有就是一些技術細節和銜接的問題，作為一個復雜系統，需要發現和改進的磨合期，請大家耐心一點，不是系統發在天上就達到系統指標，對于復雜的系統不大 容易做到這一點。我們的技術指標是按照美國GPS差不多的指標來定的，但是美國人從發射衛星開始，到達到所謂的技術指標，是發展二三十年，一開始就沒有這 個精度，也沒有這個性能，所以對于各級領導和級別用戶要有耐心。

當然也有性急的同行，去年我就聽到這樣的報告，就是北斗和GPS放在一起比，北斗不如GPS，這個話不是這么說的。我說你做實驗的時候，北斗做實驗的時 候有幾顆，他說有5顆，如果用GPS相比，你用GPS12顆衛星和北斗5顆比，這個怎么對比？這個就是年輕同志太性急，如果對比我建議放在見面，這種實驗做的很有意義，但是不能用來對比，而是證明北斗系統可以工作的，至于精度以后再說。

也就是說北斗系統不會像GPS這么成熟，也就需要一定的磨合期。我認為優勢的地方和不足的地方都如實報告給大家。

我們2020年要搞全球系統，北斗2號的二期工程，我們區域增強的全球系統，全球都可以導航，就是在我所關心的區域的精度最好、性能最好超出其他地區。 因為軍用、民用都是我國在內的較大的區域性，我們增強就是把類似于GPS的系統，比如27顆MEO全球轉的衛星，又把IGSO和GEO加起來了，這樣就是 兩個區域星座的疊加，這個性能要好多了。

比如說GPS衛星27顆我可以全都看到，再疊加這8顆衛星我就可以看到35顆衛星。

星際鏈路示意，我們衛星對衛星進行測距，這樣就構成一個高精度的多面體，我監測站觀測可以看的見的衛星，中心站對諸衛星進行定軌，這就是一種方式。

還有就是對衛星地面的標靶，主衛星對諸衛星定軌，計算各個衛星的軌道再發給各個衛星，這個解決了跟蹤比地面站跟蹤更高，因為天空衛星對衛星的觀測沒有大氣的影響，而且頻率更高，也可以很穩定的工作，這個就意味著分辨率增高了。

這兩種模式究竟采用哪種，現在都在討論當中。這個首先是美國人提出來的，到現在恐怕提出來快30年了，他是叫做衛星自主定軌，就是衛星自己就把軌道定 了。但是到現在為止，從提出來看已經30年了，沒見它有像樣的成果公布。測距很容易實現，但是跟地面建立不起聯系，從坐標系統的定義來講，你只進行測距是 相視性，就是可以轉和跑，但是跟地面沒有聯系，從軌道來講，沒有定向。作為這么遠衛星，兩萬多公里，衛星跟衛星之間的距離超過這個數，定向是非常困難的， 精度是千分之幾秒，這樣理論上可以做到，太空望遠鏡可以做到，但是如果每各衛星都裝太空望遠鏡，這個成本和工藝都帶來相當大的問題。美國人說，我們理論上 是可以做到自主定軌，但是代價比較大。

我們不是為了自主定軌，我們要解決的是不能全球布站的問題，我們把問題簡化了，指標落地了。為什么不提自主定軌呢，現在很多人還在提我們是自主定軌，其實也不完全是，還是靠地面站。

美國的出發點是什么，我一旦地面站遭到對方攻擊，我可以自主定軌，不影響導航。首先中國把衛星打掉了，美國俄羅斯都打，至少這三個國家都具備摧毀衛星的 能力，在這種情況下，如果把你衛星摧毀了，還搞什么自主定軌，所以情況變了，觀點也要變，當然這是我個人的看法。

十年來我們原子鐘取得快速發展，屆時渴望取得突破，預計2020年實現。

最后一個問題是北斗與相關產業，標題列出來了，我發現我沒有能力把問題講下去，因為需要又懂得北斗系統，知道技術很清楚，又對產業很熟悉，又對用戶很熟悉，這個是要掛兩頭的，上掛系統，下掛用戶。

有些想法提供給客戶，與其他系統相比，北斗的區域在于優勢，不是全局的優勢，而是區域的優勢。就像解放戰爭的時候，國軍兵力200萬，共軍30萬，就全 局來講國軍是有優勢，但是在局部來講，共軍聚集大量人群，這樣可以取得局部優勢。我們說北斗的優勢，目前來看就是在這里，我并不是全面比GPS怎么樣，而 是我在關鍵區域和GPS相差不多，甚至還比他強。

北斗比較安全，舉一個例子，我們現在的通訊系統，不管GSM還是CDMA都需要時間同步和頻率校準，都用的GPS，有一些在河南省某地區，兩三天手機全 不靈了，就是因為有一個研究所做了一個時間，把GPS干擾了，所以時間同步都不行了，因此系統就不干活了，事后發現是時間同步問題。如果美國人搞一點小貓 膩的話，那就不是兩三天問題，也不是局部地區的問題。

另外我們具備開發雙系統應用的有利條件，雙系統就是我的模片既可以做GPS又可以做北斗，并不是做雙系統。去年有一個學者說，做雙系統是北斗“傍大款” 這個問題不能這么說，雙系統應用最早是美國人先搞的，那個是GPS和另一個系統雙應用，雙系統一方面是一個系統出問題，一個做補充，兩個系統同時用會有提 高，性能會提高很多。用戶不關心精度是7.8米還是8.7米，還是很關心在北京用很好，但是在天津為什么不行。這種問題就可以大大緩解，我們做過實驗，作 為GPS高度角大于35度的衛星，需要四顆衛星才能定位，所以在城市經常出現這個問題，對于打仗復雜地形也容易出現。這個就不是三顆多，而是變成七顆，這 個問題就可以大大緩解。

主要看性能提高上，實際上GLONASS一開始是在1990年，20年前就已經有了雙系統，所以說“傍大款”我是不同意的，不知道年輕同志對于Ashtech開發雙系統怎么看，我估計那個時候他還太小。

應用雙系統比任何一個單系統更具有優勢，不單純的是補缺。國內有目前唯一的廣域差分，當時國內廣域差分沒有健全，GLONASS根本沒有，我們可以對GPS和伽利略都可以進行差分。對于產業來講，我希望要充分利用系統的優勢，來創造優勢的產業，謝謝大家！

 

解答三

首先，軌道越高，所需衛星總數越少，因為每個衛星覆蓋的面積更大。原答案中"需要略多數目保證衛星離接收機不太遠"是完全錯誤的。北斗和 Galileo 會適當增大衛星發射功率以保證地面接收到信號的信噪比，而不是增加衛星數。

其次，GPS 六個軌面，并不一定比北斗和 Galileo 的三軌面設計更優。事實上，四大 GNSS 系統，只有 GPS 用了六軌面，其他三個系統都采用了三軌面。下面這篇論文詳細說了為什么 Galileo 選擇了三軌面。

Article Abstract

最后，我來簡單回答一下為何北斗衛星導航系統需要 35 顆衛星才能覆蓋全球，而 GPS 只要 24 顆就夠了。關鍵在于如何定義"夠"。

在設計 GPS 的時候，"夠"的定義是保證地球上任何地點任何時間都可以定位——能看到至少 4 顆衛星。按照這個要求，在六軌面和軌道高度 20,200km 的前提下，只要 21 顆衛星就夠了。所以，GPS 選擇了 21 工作衛星 + 3 備份衛星的基礎星座。同時代的 GLONASS 的設計是三軌面 21 工作衛星 + 3 備份衛星，同樣可以保證全球任何時間都能看到至少 4 顆衛星。

在實際運行中（1990 年到現在），GPS 衛星數總是多于 24 顆，很多時候有 32 顆在天上，超過 30 顆可用。這樣，地球上很多地方都能看到 8 顆以上衛星（開闊地、無遮擋）。人們發現多出來的衛星可以提高 Geometric Dilution of Precision (GDOP) 進而提高準確度（accuracy），并且可以通過 RAIM (Receiver autonomous integrity monitoring) 提高完好度（integrity）。RAIM 需要至少 6 顆衛星才能有較好的性能。

所以，在設計北斗和 Galileo 時，"夠"就不僅僅是任何地點任何時間都可以定位，而是要提供盡可能高的 RAIM 可用性（availability），所以 Galileo 和北斗 MEO 都使用了 27 工作衛星 + 3 備份衛星的星座設計。北斗額外加了 5 顆 GSO 衛星提高亞太地區的性能。

總結：GPS 24 顆衛星只能保證基本的定位，北斗 30 顆（或 35 顆）保證了更準確、更可靠的定位。

 

解答四

第一代北斗衛星導航定位系統

一代的北斗屬于區域性的有源導航定位系統，特點是投資小、建成快，只需要兩顆地球同步衛星即可進行導航定位。在有源導航定位系統中，用戶終端對兩顆衛星發射信號，通過記錄時間差和兩顆衛星在空間的距離，地面中心站通過距離交會法求得用戶的平面位置（注意是只有平面位置，沒有海拔高程），地面中心站再通過衛星將計算結果告訴用戶。以上就是有源導航定位系統的工作原理，我們不難發現這里面有三個很嚴重的問題：1、地面中心站承擔了很大部分的任務，資源占用高，結果就是用戶數量收到限制，無法推廣開來；2、用戶終端必須發射信號，這在戰時很容易就會暴露位置，也很容易使系統失效（只要向衛星發送錯誤的信號即可）；3、計算速度慢，而且進度不高。

第二代北斗衛星導航定位系統

二代的北斗基本就和GPS一樣了，由于是用偽距絕對定位模型進行定位，所以自然不需要地面中心站進行計算，用戶數量沒有限制，于是便能推廣開來。但二代北斗并沒有拋棄有源導航定位的方法而是作為一種特殊功能保留了下來（一般的接收機不會有這種功能就是了），所以就看到了4*6顆中軌衛星+12/13顆傾斜軌道地球同步衛星+3——5顆地球靜止衛星這樣的空間衛星星座組成。

可能有人會問，為什么一開始要用有源導航定位系統這種精度不高實用意義不強的技術？答案其實是為了占坑，但不是占空間位置的坑，而是占無線電頻率坑。實際上所有全球導航定位系統都是使用L波段進行廣播，而L波段中效果好的就只有有限的幾個頻率，誰先占用了就歸誰。所以先用一代北斗占著坑，然后再慢慢發展。

實際上在這個信息化的時代是有必要發展自己的全球導航定位系統的，畢竟戰時沒有了導航定位相當于兩眼瞎了，沒開打就GG了，所以才會有歐盟的Galileo，俄羅斯的GLONASS，印度的IRNSS。

 

 

解答七

首先北斗衛星現在已經發射的衛星數量并沒有比GPS的數量多，GPS的規劃是24顆衛星全球覆蓋，事實上GPS系統也在不斷的進行更新換代，現在天上可用的GPS衛星數也是超過30顆的，而最近北斗系統成功發射了第27顆衛星，而題目中所說的北斗衛星數目比GPS數量多。

 

北斗衛星數量比GPS數量多，而北斗是區域性導航GPS是全球性導航？更多的可能是指北斗全球系統規劃中是35顆衛星覆蓋全球，GPS系統的規劃是24顆衛星覆蓋全球，而35顆的北斗衛星也是能夠實現全球覆蓋的，只是目前按照北斗系統的進度并沒有實現全球覆蓋的衛星發射。

 

北斗衛星數量比GPS數量多，而北斗是區域性導航GPS是全球性導航？北斗系統的發展規劃是三步走，第一步是2003年左右實現北斗一號，也叫北斗雙星系統的建設，主要解決我國衛星導航系統的有無問題，在這個過程中主要是由3顆衛星構成的，其中有一顆是備份星，如果雙星中有一顆衛星發生故障的話可以與另一顆星依然組成雙星定位系統。

 

北斗衛星數量比GPS數量多，而北斗是區域性導航GPS是全球性導航？第二步是2012年左右實現北斗二號，也叫北斗區域系統的建設，這個系統主要解決我國和周邊地區的導航定位問題。第三步是2020年左右實現北斗全球系統的建設，也叫做北斗三號系統的建設，真正實現全球覆蓋，而北斗全球系統中規劃的衛星數目是35顆，包括5顆GEO衛星、27顆MEO衛星和3顆IGSO衛星。

 

北斗衛星數量比GPS數量多，而北斗是區域性導航GPS是全球性導航？另外，在北斗二號系統建設完成，到北斗三號系統開始組網建設之前，北斗系統發射了5顆試驗星，對北斗三號的新體制等關鍵技術進行試驗。

 

解答八

衛星排布方式不同。

GPS是有6條軌道面，每條軌道有4顆衛星，所以共24顆。

俄羅斯的GOLONASS與美國的GPS排布類似。

歐洲的伽利略系統，是3條軌道面，每條軌道9顆衛星，所以是27顆衛星。

我們的北斗脫胎于歐洲的伽利略系統，所以也是27顆衛星。

我國考慮到北斗網需要一定時間建立（原來認為是20年），在初期組網不完整時，可能無法使用。所以設置了3顆過渡時期的衛星，這樣衛星數不夠時也能先服務我國的區域，一共不到10顆我國國土范圍就能有完整信號。這3顆過渡主要是用在斜向同步軌道上。

另外北斗不同于伽利略系統的是，增加一個地球同步軌道，這條軌道上設立了5顆衛星。北斗之所以要設這5顆衛星，則是因為增加了通訊功能，就是有應答機制。這樣北斗能讓不同目標間，相互通知對方自己的位置。

這個功能很重要，比如物流系統，很多貨柜可能是被自動機械搬運，而操控人員在自己的車輛上巡檢。那么如果系統都安裝北斗芯片，操控人員可以方便知道各貨柜都在哪里，都是怎么個運動軌跡。GPS做不到，只能知道自己車輛的位置。

最后27+3+5=35顆。

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