我國(guó)北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理是怎樣的？

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點(diǎn)位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運(yùn)行在3個(gè)軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。至2012年底北斗亞太區(qū)域?qū)Ш秸介_(kāi)通時(shí)，已為正式系統(tǒng)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)，分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(均在傾角55°的軌道面上)，4顆中地球軌道衛(wèi)星(均在傾角55°的軌道面上)。

35顆衛(wèi)星在離地面2萬(wàn)多千米的高空上，以固定的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。

由于衛(wèi)星的位置精確可知，在接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y,Z)。考慮到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。

事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

衛(wèi)星定位實(shí)施的是“到達(dá)時(shí)間差”(時(shí)延)的概念：利用每一顆衛(wèi)星的精確位置和連續(xù)發(fā)送的星上原子鐘生成的導(dǎo)航信息獲得從衛(wèi)星至接收機(jī)的到達(dá)時(shí)間差。

衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送帶有時(shí)間和位置信息的無(wú)線電信號(hào)，供接收機(jī)接收。由于傳輸?shù)木嚯x因素，接收機(jī)接收到信號(hào)的時(shí)刻要比衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)的時(shí)刻延遲，通常稱之為時(shí)延，因此，也可以通過(guò)時(shí)延來(lái)確定距離。衛(wèi)星和接收機(jī)同時(shí)產(chǎn)生同樣的偽隨機(jī)碼，一旦兩個(gè)碼實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，接收機(jī)便能測(cè)定時(shí)延;將時(shí)延乘上光速，便能得到距離。

每顆衛(wèi)星上的計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航信息發(fā)生器非常精確地了解其軌道位置和系統(tǒng)時(shí)間，而全球監(jiān)測(cè)站網(wǎng)保持連續(xù)跟蹤。

跟蹤衛(wèi)星的軌道位置和系統(tǒng)時(shí)間。位于地面的主控站與其運(yùn)控段一起，至少每天一次對(duì)每顆衛(wèi)星注入校正數(shù)據(jù)。注入數(shù)據(jù)包括：星座中每顆衛(wèi)星的軌道位置測(cè)定和星上時(shí)鐘的校正。這些校正數(shù)據(jù)是在復(fù)雜模型的基礎(chǔ)上算出的，可在幾個(gè)星期內(nèi)保持有效。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間是由每顆衛(wèi)星上原子鐘的銫和銣原子頻標(biāo)保持的。這些星鐘一般來(lái)講精確到世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)的幾納秒以內(nèi)，UTC是由美國(guó)海軍觀象臺(tái)的“主鐘”保持的，每臺(tái)主鐘的穩(wěn)定性為若干個(gè)10^-13秒。衛(wèi)星早期采用兩部銫頻標(biāo)和兩部銣頻標(biāo)，后來(lái)逐步改變?yōu)楦嗟夭捎勉滎l標(biāo)。通常，在任一指定時(shí)間內(nèi)，每顆衛(wèi)星上只有一臺(tái)頻標(biāo)在工作。

衛(wèi)星導(dǎo)航原理：衛(wèi)星至用戶間的距離測(cè)量是基于衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射時(shí)間與到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間之差，稱為偽距。為了計(jì)算用戶的三維位置和接收機(jī)時(shí)鐘偏差，偽距測(cè)量要求至少接收來(lái)自4顆衛(wèi)星的信號(hào)。

由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，使得民用的定位精度只有數(shù)十米量級(jí)。為提高定位精度，普遍采用差分定位技術(shù)(如DGPS、DGNSS)，建立地面基準(zhǔn)站 (差分臺(tái))進(jìn)行衛(wèi)星觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分定位技術(shù)，定位精度可提高到米級(jí)。

（來(lái)源：中華網(wǎng)）