睢宁县双沟中学 物理选修教材
第十六课：北斗卫星导航系统
学习目标：1、了解什么是卫星导航系统。
2、通过阅读课文知道北斗导航系统的系统标志及其寓意。
3、通过阅读课文知道北斗的功能和作用。
学习重难点：目标1、2、3 教学工具：多媒体
教学过程
教学引入：
你知道导弹为什么能打的非常准确吗？ 新课教学：
一、请同学们分组阅读和讨论，了解一下北斗系统的知识？
二、学生分组展示讨论成果 三、师生共同点评 四、教师讲解与板书：
1、系统介绍
北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）
Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,缩写为BDS,与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称全球四大卫星导航系统。
2、北斗卫星系统标志的设计寓意：
该标志设计寓意是：圆形构型象征“圆满”，与太极阴阳鱼共同蕴含了我国传统文化；深蓝色太空和浅蓝色地球代表航天事业；北斗七星是自远古时起人们用来辨识方位的依据，司南是我国古代发明的也是世界上最早的 导航装置，两者结合既彰显了我国古代科学技术成就，又象征着卫星导航系统星地一体，同时还蕴含着我国自主卫星导航系统的名字“北斗”；网络化地球和中英文文字代表了北斗系统开放兼容、服务全球的愿景
北斗卫星导航系统示意图
- 21 -
睢宁县双沟中学 物理选修教材
3、发展历程
卫星导航系统是重要的空间信息基础设施，中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。
4、建设原则
北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则： （1）开放性
北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。 （2）自主性
中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。 （3）兼容性
在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。 （4）渐进性
中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。
5、建设计划
“北斗”卫星导航试验系统（也称“双星定位导航系统”）为我国“九五”列项，其工程代号取名为“北斗一号”，其方案于1983年提出。我国结合国情，科学、合理地提出并制订自主研制实施“北斗”卫星导航系统建设的“三步走”规划：
第一步是试验阶段，即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务，为“北斗”卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，研制一些地面应用基础设施设备等；
第二步是到2012年，计划发射10多颗卫北斗导航卫星行走轨迹 星，建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统（即“北斗二号[6]”区域系统）；
第三步是到2020年，建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。
- 22 -
睢宁县双沟中学 物理选修教材
6、建设目标
中国作为发展中国家，拥有广阔的领土和海域，高度重视卫星导航系统的建设，努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。 2000年以来，中国已成功发射了4颗“北斗导航试验卫星”，建成北斗导航试验系统（第一代系统）。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥着重要作用。
中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，北斗卫星定位系统 提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属
于第二代系统）。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10纳秒，测速精度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。
中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。我国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射十六颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
7、四大功能
短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。
可以达到一次传送达120个汉字的信息。在远洋航行中有重要的应用价值。 精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。
定位精度：水平精度100米（1σ），设立标校站之后为20米（类似差分状态）。工作频率：2491.75MHz。
系统容纳的最大用户数：540000户/小时。
8、北斗进展——三步进展
中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其称，按照“质量、安全、应用、效益”的总要求，北斗卫星导航系统
按照“三步走”的发展战略稳步推进。具体如下：
第一步：2000年建成了北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。
北斗导航卫星 第二步：建设北斗卫星导航系统，2012年左右
形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。
第三步：2020年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。
- 23 -
睢宁县双沟中学 物理选修教材
9、实际应用 军用功能
“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。 这项功能用在军事上，意味着可主动进行各级部队的定位，也就是说大陆各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统，除了可供自身定位导航外，高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执行有相当大的助益。换言之，大陆可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。 民用功能
个人位置服务
当你进入不熟悉的地方时，你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。 气象应用
北斗导航卫星气象应用的开展，可以促进我国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测，也可以提高空间天气预警业务水平，提升我国气象防灾减灾的能力。
除此之外，北斗导航卫星系统的气象应用对推动北斗导航卫星创新应用和产业拓展也具有重要的影响。 道路交通管理
卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用于道路交通管理。 铁路智能交通
卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。例如，在铁路运输领域，通过安装卫星导航终端设备，可极大缩短列车行驶间隔时间，降低运输成本，有效提高运输效率。未来，北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精度的定位、测速、授时服务，促进铁路交通的现代化，实现传统调度向智能交通管理的转型。 海运和水运
海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一，也是卫星导航最早应用的领域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备，使海上和水路运输更为高效和安全。北斗卫星导航系统将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。同时，北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。 航空运输
当飞机在机场跑道着陆时，最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。利用卫星导航精确定位与测速的优势，可实时确定飞机的瞬时位置，有效减小飞机之间的安全距离，甚至在大雾天气情况下，可以实现自动盲降，极大提高飞行安全和机场运营效率。通过将北斗卫星导航系统与其他系统的有效结合，将为航空运输提供更多的安全保障。 应急救援
卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。在发生地震、洪灾等重大灾害时，救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。北斗卫星导航系统除导航定位外，还具备短报文通信功能，通过卫星导航终端设备
- 24 -
睢宁县双沟中学 物理选修教材
可及时报告所处位置和受灾情况，有效缩短救援搜寻时间，提高抢险救灾时效，大大减少人民生命财产损失。 覆盖全球
“第一代卫星导航系统在我国卫星导航系统建设中是一个起步阶段，可以说是用很少的资金投入，打破了国外卫星导航领域的垄断，填补了我国卫星导航领域的空白。但是由于本身原理上的限制，只能是一个区域卫星导航定位系统，无法发展成像GPS那样的全球卫星系统。所以在第一代导航系统建设的同时，中国也同时开始了第二代卫星导航系统的建设论证。”李长江介绍道：“从1997年底开始起步，经过充分、周密的论证，2004年9月，第二代导航系统——北斗卫星导航系统建设被批准实施。”
“我们的策略是‘解决急需，兼顾长远；先区域，后全球’。”谢军说，因此，第二代系统的建设分为几步走：首先，完成一期工程，建成区域卫星导航系统。在我国重点地区提供基本的导航、定位、授时服务，满足急需。同时为应用开发全球系统建设奠定基础。
“这一阶段，对于我们搞卫星系统的来说，就是要在2012年把区域系统的卫星全部发射上天，其中包括地球静止轨道（GEO）卫星、倾斜同步轨道（IGSO）卫星、中圆轨道（MEO）卫星。到目前为止，我们已经发射了7颗北斗导航卫星。2011年将发射4颗，2012年发射5颗。按照规划，当2011年4月第三颗倾斜同步轨道（IGSO）卫星发射后，北斗系统就已经可以形成区域导航定位能力。当2012年完成所有区域系统卫星发射后，一是我们的区域导航将更加稳固，可靠性稳健性将更强。卫星更多，自然可提供更快更准的服务。二是在全球轨道上部署了我们的导航卫星，占有全球卫星导航频率资源。”
对于这一点，谢军解释说：“首先，卫星上天需要轨道位置，就好比停车要有个停车位；其次，系统运行需要频率资源。而这两样，现在都是资源紧张，争夺激烈。比如说，导航卫星的频率资源大部分被美国的GPS占有，俄罗斯的格罗纳斯也占了一部分，中国和欧盟就只能见缝插针，因此北斗系统和伽利略系统计划使用的频率互有重叠。在这种情况下，谁先使用这个频率谁就占据了这个频率资源。”
其次，在2015年前，完成全球系统建设的在轨飞行技术试验工作，全面解决二期工程的关键技术。之后，2020年前，完成二期工程，建成与国外先进卫星导航系统技术服务相当的全球卫星导航系统。到时，北斗系统的空间段将由30多颗不同轨道类型的卫星组成。据了解，目前二期工程的建设工作已经启动。对于北斗系统具有的特点和优势，李长江分析说，在一期工程完成之后：
第一，北斗导航系统可以提供导航定位服务，其精度可以达到重点地区水平10米，高程10米，其他大部分地区水平20米，高程20米；测速精度优于0.2米/秒。这和美国GPS的水平是差不多的。
第二，授时服务。授时精度可达到单向优于50纳秒，双向优于10纳秒。 第三，短报文通信服务。这一功能能够保证在我国及周边地区具备每次120个汉字的短信息交换能力。“一代系统的用户不少，用得也很好，我们不能建设了二代系统，一代就废了。所以，我们要做到二代兼有一代的功能，也有短报文通信能力。”
第四，具备一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力；系统的导航定位用户容量不再受到限制，并且保证用户设备的体积小、质量轻、功耗低，满足手持、机载、星载、弹载等各种载体需要。
- 25 -