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| 內容簡介： |
知识篇从五个维度讲述卫星导航系统的基本概念，包括导航技
术的发展简史、全球卫星导航的标杆——美国的 GPS、全球卫星导
航系统 (GNSS）、北斗系统的前世今生、北斗卫星导航工程。技术篇
从五个维度讲述卫星导航系统的工作原理和性能，包括卫星导航系
统工作原理、导航接收机工作原理、卫星导航系统性能指标、卫星
导航系统对抗措施、卫星导航增强系统。应用篇从六个维度讲述北
斗卫星导航系统的应用模式，包括北斗系统服务类型、定位服务、
导航服务、授时服务、短报文通信与数据传输服务、北斗系统应用
公众关注热点。发展篇给出卫星导航系统的四个发展方向，包括组
合导航、低轨导航与低轨导航增强系统、综合 PNT 与微 PNT、卫星
导航系统与通信系统融合。各篇内容相对独立，相信可以让更多的
用户、科研和管理人员系统地理解卫星导航系统内涵，推进北斗卫
星导航及其增强系统的规模化、产业化和国际化应用。
|
| 關於作者： |
|
刘天雄，博士，中国空间技术研究院研究员。
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| 目錄：
|
第一篇 知 识 篇
导航技术的发展简史
1. 什么是定位？什么是导航？什么是授时？ / 6
2. 古代的人们靠什么导航？ / 11
3. 导航技术的发展历史是怎样的？ / 15
4. 陆基无线电导航系统主要有哪些？ / 17
5. 卫星导航系统的发展历史是怎样的？ / 19
6. 卫星导航系统有哪些局限性？ / 32
全球卫星导航的标杆—— 美国的 GPS
1. 世界第一个全球卫星导航系统是哪个？ / 38
2. 为什么说 Bradford Parkinson 是卫星导航系统之父？ / 43
3. 美国为什么要启动 GPS 现代化计划？ / 48
全球卫星导航系统（GNSS）
1. 什么是全球卫星导航系统？ / 55
2. 全球卫星导航系统的工作原理是什么？ / 60
3. 北斗系统和 GPS 播发的导航信号一样吗？ / 67
4. 什么是 GNSS 兼容互操作技术？ / 71
5. 什么是卫星导航系统的增强系统？ / 79
目 录
第一章第二章第三章
II
导航中国
——北斗导航知识问答
北斗系统的前世今生
1. 北斗系统的“三步走”战略是什么？ / 84
2. 北斗系统共发射了多少颗卫星？ / 93
3. 如果一颗北斗卫星失效，会影响系统运行吗？ / 96
4. 既然有 GPS，且对全球民用服务免费使用，为什么我国还要
建设自己的北斗系统？ / 101
5. 北斗一号卫星导航系统的特点是什么？ / 105
6. 北斗二号卫星导航系统的特点是什么？ / 111
7. 北斗三号卫星导航系统的特点是什么？ / 114
8. 同 GPS 相比，北斗系统有哪些优势？ / 124
北斗卫星导航工程
1. 北斗系统由哪些部分组成？ / 127
2. 导航卫星由哪些部分组成？ / 133
3. 导航卫星轨道设计需要考虑哪些因素？ / 137
4. 北斗系统为什么要选择混合轨道星座设计？ / 142
5. 北斗系统是军用系统还是民用系统？ / 145
6. 卫星导航系统民用和军用有什么区别？ / 148
7. 什么是北斗系统的时间和空间基准？ / 150
第二篇 技 术 篇
卫星导航系统工作原理
1. 卫星导航系统无线电导航业务（RNSS）的工作原理是什么？ / 157
2. 北斗系统无源定位与有源定位的区别是什么？ / 164
3. 卫星导航系统为什么要规定坐标框架和时间基准？ / 165
4. 北斗卫星播发的导航信号中含有哪些信息？ / 170
第四章第五章第六章
目 录
III
导航接收机工作原理
1. 北斗接收机由哪些部件组成？ / 176
2. 接收机是怎么计算出用户位置的？ / 183
3. 用户接收机的典型实现方案是什么？ / 188
4. 支持北斗系统的手机有哪些？ / 194
5. 如何区分北斗接收机硬件产品性能优劣？ / 197
6. 为什么北斗接收机有时工作会不稳定？ / 198
7. 北斗系统如何实现短报文通信服务？ / 203
8. 接收北斗信号的典型芯片有哪些？ / 206
9. 全球卫星导航系统兼容互操作是什么意思？ / 214
卫星导航系统性能指标
1. 卫星导航系统关键性能指标有哪些？ / 221
2. 卫星导航系统的误差有哪些？ / 230
3. 卫星导航系统的安全性如何？存在哪些薄弱环节？ / 233
卫星导航系统对抗措施
1. 美国 GPS 为什么制定选择可用性（SA）措施，为什么又主
动放弃了，还会重启吗？ / 243
2. 美国 GPS 反电子欺骗（AS）技术主要包括哪些内容？ / 247
3. 美国为什么要提出导航战？ / 250
4. 卫星导航系统的授时战是什么意思？ / 259
5. 卫星导航系统综合 PNT 体系是什么概念？ / 262
卫星导航增强系统
1. 为什么要建设卫星导航星基增强系统？ / 267
2. 卫星导航系统的增强系统有哪些种类？ / 272
3. 什么是卫星导航系统的差分改正系统？ / 275
4. 卫星导航系统连续运行参考站的工作原理是什么？ / 279
5. 北斗系统的星基增强系统（BDSBAS）性能如何？ / 288
第七章第八章第九章第十章
IV
导航中国
——北斗导航知识问答
6. 什么是卫星导航系统的地基增强系统（GBAS）？ / 294
7. 什么是卫星导航系统的机载增强系统（ABAS）？ / 300
8. 什么是低轨卫星导航系统？ / 302
9. 什么是卫星导航系统的低轨增强系统？ / 312
第三篇 应 用 篇
北斗系统服务类型
1. 北斗系统提供哪些服务？ / 319
2. 北斗系统定位导航和授时服务是否收费？ / 328
定位服务
1. 如何利用北斗系统进行大地测量和地籍测量？ / 330
2. 北斗系统如何助力珠峰高度测量？ / 333
3. 北斗系统如何实现地质灾害预测？ / 339
4. 2020 年武汉新冠疫情阻击战中，北斗系统发挥了什么作用？ / 342
5. 北斗系统在路桥施工中有什么作用？ / 344
6. 北斗系统如何为老人儿童提供安全保障服务？ / 347
7. 北斗系统如何促进精准农业发展？ / 349
8. 卫星导航技术在野化放归大熊猫时是如何发挥作用的？ / 353
9. 智慧城市中北斗系统如何发挥作用？ / 356
10. 北斗系统在物流运输管理中如何发挥作用？ / 358
导航服务
1. 什么是动态交通导航？ / 359
2. 北斗系统如何在车辆导航中应用？ / 361
3. 北斗系统如何支持农机导航？ / 364
4. 北斗系统如何监控铁路运营？ / 368
5. 如何利用北斗系统确认船舶方向、位置、航速和时间？ / 372
6. 如何利用北斗系统实现民航飞机导航服务？ / 375
第十一章
第
十二章
第
十三章
目 录
V
7. 空间中的卫星如何利用北斗系统确定轨道位置？ / 377
8. 北斗系统如何为无人机提供服务？ / 379
授时服务
1. 北斗系统如何为通信系统提供时间同步服务？ / 381
2. 北斗系统如何为电力系统提供时间同步服务？ / 385
3. 北斗系统如何为金融网络提供时间同步服务？ / 392
4. 授时战的内涵是什么？ / 397
短报文通信与数据传输服务
1. 北斗系统的短报文通信服务是什么？ / 399
2. 发生紧急事件时，如何利用北斗系统传递信息？ / 401
北斗系统应用公众关注热点
1. 在日常生活中，北斗系统与我们有什么关系？ / 404
2. 北斗系统可以应用于军事对抗吗？ / 407
3. 北斗系统“第一”知多少？ / 408
4. 北斗系统在全世界任何地点都能提供服务吗？ / 411
5. 怎样知道自己的手机是否支持北斗系统导航？ / 413
第四篇 发 展 篇
组合导航
1. 什么是组合导航系统？ / 421
2. 北斗系统与惯导系统如何组合？ / 424
3. 北斗系统与视觉导航系统如何组合？ / 428
第
十四章
第
十五章
第
十
六
章
第
十
七
章
VI
导航中国
——北斗导航知识问答
低轨导航与低轨导航增强系统
1. 低轨导航系统的工作原理是什么？ / 430
2. 目前国内外有多少低轨导航系统？ / 432
3. 低轨导航增强系统的工作原理是什么？ / 435
4. 目前国内外有多少低轨导航增强系统？ / 439
综合 PNT 与微 PNT
1. 什么是综合 PNT 体系？ / 441
2. 什么是微 PNT 系统？ / 447
3. 什么是弹性导航系统？ / 451
卫星导航系统与通信系统融合
1. 铱星对 GPS 增强的原理是什么？ / 454
2. 铱星 STL 信号如何提供独立定位和授时服务？ / 457
3. 北斗系统如何与通信系统融合？ / 460
4. 一代卫星导航系统的特点是什么？ / 469
5. 北斗全球组网之后，接下来的规划是什么？ / 474
国外全球导航系统最新进展
1. 美国 GPS 提升战时抗干扰能力的计划是什么？ / 476
2. 俄罗斯 GLONASS 现代化进展如何？ / 481
3. 欧洲为什么要建设 Galileo 卫星导航系统，其进展如何？ / 484
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| 內容試閱：
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夜空深邃，斗转星移。北斗七星自古就作为一个时空基准用来
定方向、辨四季、定时辰。《晋书·天文志》说北斗七星在太微北，
枢为天，璇为地，玑为人，权为时，衡为音，开阳为律，瑶光为星。
我们的祖先利用北斗七星来确定北极星的方位，再通过观测北极星
辨别方向，汉乐府有诗云：“玉衡指孟冬，众星何历历。”所以我
国卫星导航系统以“北斗”命名。昔有指南针，今有北斗卫星导航
系统（以下简称北斗系统），这是中华民族创新智慧的跨时空接力。
北斗系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建
设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、
高精度的定位、导航和授时以及短报文通信服务的国家重要时空基
础设施。北斗系统的功能说起来很复杂，但对我们普通人来说，其
实就是指引我们到达想去的地方。唐代诗人杜甫在《秋兴八首》一
诗中给出了最生动的描绘：“夔府孤城落日斜，每依北斗望京华。”
唐代诗人杜牧在《清明》一诗中给出了最形象的画面：“借问酒家
何处有，牧童遥指杏花村。”北斗系统就是那个可爱的充满活力的
牧童。
北斗系统是党中央决策实施的国家重大科技工程，是我国迄今
为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能最高、与百姓生活关联最
紧密的巨型复杂航天系统。作为我国自主创新的结晶，北斗系统的
前 言
发展浓缩着我国科技创新的非凡之路。
从 1994 年北斗一号工程立项开始，到 2020 年 6 月 23 日北斗
三号最后一颗全球组网卫星完成部署，26 年，44 次发射，中国先后
将 4 颗北斗一号卫星，20 颗北斗二号卫星，35 颗北斗三号卫星送入
太空，完成了全球组网。在北斗系统研制建设过程中，形成了符合
国情的“三步走”发展战略。面对缺乏频率资源、没有自己的原子
钟和芯片等难关，广大科技人员集智攻关，首获占“频”之胜、攻
克无“钟”之困、消除缺“芯”之忧、破解布“站”之难，走出一
条自主创新的发展道路。
2000 年，我国建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012 年，
建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020 年，建成北斗三号
系统，向全球提供服务。北斗系统具有以下特点：一是空间段采用
三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比，高轨卫
星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区其性能优势更为明显；
二是提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式
提高服务精度；三是创新融合了导航与通信功能，具备定位导航授时、
星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多
种服务能力。
2020 年 7 月 31 日，习近平总书记出席北斗三号全球卫星导航
系统建成暨开通仪式，宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。
此后，北斗系统提升质量、拓展应用、面向全球、深化合作，不断
推动系统健康、稳定、快速发展。经全球连续监测评估系统实时测
试表明，北斗三号全球卫星导航系统连续稳定运行，服务性能稳中
有升。北斗系统性能指标先进，全球范围实测定位精度水平方向优
于 2.5 m，垂直方向优于 5.0 m，测速精度优于 0.2 m/s，授时精度优
于 20 ns，系统连续性指标提升至 99.998%。北斗三号全球卫星导航
系统正在高可靠、高质量运行，在多个方面取得重要成绩。
仰望星空，北斗璀璨。脚踏实地，行稳致远。
北斗系统历经 26 载，北斗系统工程总师杨长风院士曾将北斗卫
星导航系统比喻为“五千万工程”，即调动千军万马、历经千难万
险、付出千辛万苦、走进千家万户、造福千秋万代。“中国北斗，
服务全球”，这是北斗系统不变的初心，更是时代赋予北斗系统的
历史使命。北斗系统秉承“中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗”
发展理念，践行“自主创新、团结协作、攻坚克难、追求卓越”的
北斗精神，为经济社会发展提供重要时空信息保障，是中国实施改
革开放 40 余年来取得的重要成就之一，是中华人民共和国成立 70
余年来重大科技成就之一，是中国贡献给世界的全球公共服务产品。
中国愿与世界各国共享北斗系统建设发展成果，促进全球卫星导航
事业蓬勃发展，为服务全球、造福人类贡献中国智慧和力量。
展望未来，征途漫漫。
计划到 2035 年，以北斗系统为核心，建设完善更加泛在、更加
融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。
习近平总书记指出：“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航
天强国，是我们不懈追求的航天梦。”今年是中国共产党成立 100
周年，恰逢中国航天事业创建 65 周年。在党中央的亲切关怀和坚强
领导下，中国航天有力支撑了国防能力提升和国民经济建设。北斗
系统的建设实践，走出了在区域快速形成服务能力、逐步扩展为全
球服务的中国特色发展路径，丰富了世界卫星导航事业的发展模式。
斗转星移，北斗前进的脚步没有停止，创新发展的精神也不会停歇。
北斗系统能否发展壮大并赢得国内外市场，取决于用户对北斗
卫星导航系统的认识。为了让更多的用户、科研和管理人员能够快
速、全面地了解卫星导航系统内涵，更好地认识和用好北斗卫星导
航系统，我们组织编写了本书。全书分为知识篇、技术篇、应用篇、
发展篇四个部分，从卫星导航系统是什么、怎么干、干什么到未来
怎么发展，全面系统地讲述了卫星导航系统知识。
知识篇从五个维度讲述卫星导航系统的基本概念，包括导航技
术的发展简史、全球卫星导航的标杆——美国的 GPS、全球卫星导
航系统 (GNSS）、北斗系统的前世今生、北斗卫星导航工程。技术篇
从五个维度讲述卫星导航系统的工作原理和性能，包括卫星导航系
统工作原理、导航接收机工作原理、卫星导航系统性能指标、卫星
导航系统对抗措施、卫星导航增强系统。应用篇从六个维度讲述北
斗卫星导航系统的应用模式，包括北斗系统服务类型、定位服务、
导航服务、授时服务、短报文通信与数据传输服务、北斗系统应用
公众关注热点。发展篇给出卫星导航系统的四个发展方向，包括组
合导航、低轨导航与低轨导航增强系统、综合 PNT 与微 PNT、卫星
导航系统与通信系统融合。各篇内容相对独立，相信可以让更多的
用户、科研和管理人员系统地理解卫星导航系统内涵，推进北斗卫
星导航及其增强系统的规模化、产业化和国际化应用。
在本书成稿过程中，得到了相关专家的指导和帮助。中国空间
技术研究院总体部皇甫松涛高工，遥感部崔勇军高工，通导部董海
青研究员、申杨赫高工编写了知识篇部分内容；中国空间技术研究
院通导部聂欣研究员、总体部徐峰高工、航天工程研究所陈雷高工
编写了技术篇部分内容；中国空间技术研究院通导部常希诺高工、
康成斌研究员、刘庆军高工，总体部徐峰高工，遥感部刘彬高工编
写了应用篇部分内容；中国空间技术研究院通导部张弓高工、张建
军高工，中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司云岗地面站刘
天惠工程师编写了发展篇部分内容。在此，感谢大家对本书所作出
的努力！
卫星导航系统涉及多个学科的专业知识，相关工作随着我国北
斗卫星导航系统的建设而发展，限于作者专业水平，工作之余成稿
时间仓促，难免存在不妥与疏漏之处，敬请读者批评指正。
刘天雄
二○二一年国庆节于北京
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