从古人跋山涉水的旅行|北斗系统我为你骄傲( 二 ) 从古人跋山涉水的旅行

由于用户机的时钟不准确，信号接收时刻减去发射时刻的结果不一定等于信号传播时间。那么我们能不能像行人靠城市座钟对表那样，为用户机授时呢？答案是否定的。因为卫星与用户机之间的距离太远了，间隔达到几万千米。这个距离使信号的传播时间高达几十毫秒，直接对表的时钟误差太大。扣除信号传播时间的间接对表方法也行不通，卫星相对地球一直处于运动当中，即便用户机相对地球静止，可信号的传播时间变化范围最大能达到20多毫秒，误差仍然不可接受。北斗导航系统的办法是把授时和定位统一起来，同时实现。用户机至少观测4颗北斗卫星，通过定位解算过程得出自身的位置信息和时钟偏差。
定位和授时的结果具体表现为用户机位于XX纬度、XX经度和XX高度，本地时间比北斗导航系统时间“快”（超前）或“慢”（滞后）了XX纳秒。实测结果显示， “北斗二号”系统的无源定位精度优于10米，无源授时精度优于50纳秒。北斗差分系统利用一个或多个位置已知且配备北斗接收机的基准站，即可改善用户定位精度，使北斗导航系统的定位精度提高到1米甚至几毫米。
那么，无源定位的测速原理又是什么呢？
用户机在完成定位之后，可以进一步完成精确测速。测速采用的基本原理是多普勒效应，它能反映信号的频率和速度之间的关系。例如，当火车从远处高速行驶过来时，我们听到汽笛的音调变高，而当它高速远离我们时，汽笛的音调变低。利用多普勒效应，交警能通过测量脉冲信号从汽车上反射回来的频率确定汽车是否超速。

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用户机可通过计算卫星的速度、测量卫星导航信号的频率，利用多普勒效应确定自身的运动速度。测速的副产品是用户机的时钟漂移，也就是与系统时间相比，本地时间每天“变快”或“变慢”的时间。经测试，北斗二号系统的测速精度优于0.2米/秒。
有源定位体制是指用户机需要发射信号才能完成定位的系统工作机制。有源定位体制下的定位和授时是北斗卫星导航系统独特的功能，其优点是所需卫星数量少（只需要2到3颗地球静止轨道卫星，而无源定位体制需要6～24颗卫星）、运行成本低、建设速度快、满足低端定位需求、授时精度高等。
有源定位的过程是：1、地面站持续发射出站信号，出站信号经不少于两颗地球静止轨道卫星转发，向地面用户机广播。 2、用户机接收出站信号，将某一路出站信号的接收时刻作为生成信号的起始时刻，向多颗地球静止轨道卫星同时发射入站信号，卫星分别将入站信号转发至地面控制中心站。 3、地面站接收经两颗卫星转发的入站信号，入站信号的接收时刻减去出站信号的发射时刻，就是信号往返的传播时间。这个时间的一半正是信号单程的传播时间，乘以光速就是信号单程的传播距离。信号单程传播距离扣除卫星到中心站的距离，就是卫星到用户机的距离。一般用户机位于地球表面，这样由两颗卫星构成两个球面，由地球形成第三个球面，地面站可利用三球定位原理计算用户位置。如果用户机在入站电文载入自身准确的高度信息，则地面站可以得到更准确的第三球面。 4、地面站将用户位置信息加密后录入出站信号中，通过地球静止轨道卫星向用户广播。 5、用户接收出站信号，获知自身位置信息。 “北斗二号”导航系统的有源定位精度为50～100米。
北斗导航系统的位置报告功能是指在有源定位过程中，定位需求由地面站发出，用户机应答。在出站信号和入站信号中承载短报文信息，实现了以地面站为枢纽的、用户和地面站之间、用户和用户之间的短報文通信功能。