浅谈北斗卫星导航系统的发展意义

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  [摘 要]北斗卫星导航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、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。随着北斗系统建设和服务能力的发展,相关产品已广泛应用于交通运输、气象预报等领域,逐步渗透到社会生产和人们生活的方方面面,为全球经济和社会发展注入新的活力。中国始终秉持和践行“中国的北斗,世界的北斗”的发展理念,服务“一带一路”建设发展,积极推进北斗系统国际合作。2017年1月,“北斗二号卫星工程”荣获2016年度国家科学技术进步奖特等奖。这个工程实现了国际卫星导航领域多个首创,自主创新成果丰富。北斗系统是国家重大战略基础设施,是推动经济社会发展新的增长点,这已是当前全社会的共识。但更重要的是北斗系统是国防和军队信息化建设与保障的重要支撑,是维护国家空间战略、经济战略、安全战略的重要保障。因此在北斗国际化已成为大势所趋的情况下,北斗系统的战略意义越来越大,影响愈加深远。
  [关键词]北斗卫星导航;发展意义
  中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)40-0132-02
  引言
  2000年10月31日在西昌卫星发射中心成功将首颗试验卫星送上太空。同年年底再次发射1颗卫星,2003年发射了第三颗卫星。2003年12月15日,北斗一号系统正式向国内用户提供服务。虽然当时的北斗应用技术还远不像GPS系统那样成熟完善,但却给以往单独依赖于GPS的用户提供了一种新的选择。北斗一号奠定了中国卫星导航发展的基石,使我国的卫星导航走上了创新发展的道路。目前正在运行的北斗二号系统于2004年8月经国务院批准立项,立项前也是经历了许多磨难,在发展步骤、星座设计、技术路线、研制周期等方面有很多的不同意见。经过多方协调,不懈努力,于2007年2月发射首颗试验星,同年北斗系统被联合国外空委确认为全球卫星导航系统四大核心供应商之一。2012年12月,北斗二号系统正式开通服务,系统由14颗卫星、32个地面站和各类应用终端组成,同时具备定位定向、实时导航、精密测速、精确授時、位置报告和短报文通信服务等6大功能,服务范围覆盖整个亚太地区。
  1.北斗卫星导航系统的特点
  1.1 首次采用GEO/IGSO/MEO三种轨道卫星构建混合导航星座,以最少的卫星数量和经费投入,实现服务区内与GPS相当的导航能力。既可满足覆盖全球的要求,又对我国及周边实现了针对性的性能增强,解决了我国重点区域覆盖范围大、指标要求高的难题。
  1.2 首次采用RDSS(卫星无线电测定业务)和RNSS(卫星无线电导航)两种技术体制。其中,无线电导航业务(RNSS)为无源定位。卫星通过不同频点向用户广播基本导航信息、差分完好性信息、卫星工况信息、测距信息、轨控及参数等。用户接收至少四颗卫星信号,由其自身独立解算出位置和时间。无线电测定业务(RDSS)为有源定位。主控站经卫星转发向用户广播信息,需要定位的用户产生应答信号,经卫星转发传回主控站,由主控站解算该用户位置和时间信息,再经卫星向指定用户发播计算结果。有源和无源这两种技术体制,对实现导航定位、精确授时、远程指挥、数据传输等具有独特优势。北斗除具备美国GPS、俄罗斯GLONASS等国外系统的基本功能外,还具有独特的位置报告和短报文通信服务功能,可同时获取“何时、何地、何人、何事”等基本信息要素,在指挥控制、隐蔽定位、生命救援等领域具有广泛应用前景。
  1.3 首次融合基本服务和增强服务。北斗采用两种服务数据统一搭载同一信号格式向用户发播,用户终端无须增加经济成本和技术复杂性,就可按需选择服务模式。
  1.4 首次采用Bl/B2/B3三个频点,共六路信号提供服务,具有多种组合服务样式。用户可根据使用场景、使用模式、使用需求,选择单独或组合服务样式,使用方式更加灵活。其他卫星导航系统采用基本导航与增强导航系统分离建设、分开运行的模式,应用终端需要接收两个系统的信号才能实现增强服务。北斗系统采用一体化设计,通过一个系统实现基本导航与增强导航两种服务,可降低使用成本和技术门槛。
  2.北斗卫星导航系统的应用现状
  2.1 系统应用不充分,与世界上第三个投入实际应用的卫星导航系统的地位不相称。该导航定位系统在许多民用领域中的用途还未被认知。可以说,中国研制成功的第一个拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统,目前在民用领域资源利用并不充分,几近闲置。
  2.2 用户终端设备价格偏高,在市场上无法与GPS系统形成竞争。多数用户难以接受。
  2.3 用户终端设备研制开发滞后,跟不上应用需求。究其原因,一是用户终端设备研制起步较晚,没有做到与系统建设同步研发;二是用户终端研制难度大,没有集中力量对其重点进行攻关,各研制单位各自为战,形不成合力;三是国内器件、部件生产基础差,而进口芯片价格昂贵。北斗系统民用终端设备生产厂商各自为战的研制生产方式,在当前用户量不大、生产批量上不去的情况下,成本下不来;而成本下不来,市场用户就上不去,形成一个恶性循环。用户终端设备生产方式存在的高成本是影响北斗系统推广应用的问题之一。
  3.发展北斗卫星导航系统的意义
  北斗卫星导航系统不仅在军事上产生重要的意义,而且在民生中的发展也起到了不容忽视的地位,像交通运输、林渔业、电信、测绘、气象等方面都产生了巨大的经济价值。
  3.1 北斗卫星在车辆导航和移动电话上的应用
  3.1.1 车辆导航
  我国人口众多,汽车拥有量也不断提升,仅北京市的汽车保有量已达几百万辆,基于全球卫星定位系统的车辆导航也是组成智能交通系统(ITS)的重要部分,它是世界上公认的从根本上解决交通问题的最有效途径。   3.1.2 移动电话
  将卫星导航定位技术与移动电话相结合,可以提供基于位置的服务(LBS)。中国手机用户已达13亿,几乎人手一部手机,而且根据统计,中国人平均18个月就要更换一次手机,你可以想象一下,这是多大的一个市场?在这个巨大的市场上,可以说蕴藏着无限的商机。
  3.2 北斗卫星导航系统军事上的应用
  建立独立的卫星导航系统,是避免在战争中依赖于人,是保证国家安全的根本命脉。当今被全国广泛依赖和使用的定位导航系统为美国的GPS,如果国家与美国产生冲突,美国可以控制GPS对该国进行信号屏蔽,紧急情况甚至关闭服务,使其战争武器就成了摆设而无法发挥效能,这对国家的军事战争具有极大的不利影响。所以发展自己的导航定位系统是具有重大的战略意义。
  3.3 北斗卫星导航系统在交通运输行业的应用
  交通运输部为了适应社会经济的快速发展,正在开展重点运输过程车辆监控管理、服务示范系统工程,可以重点解决“两客一危”车辆的监管和服务。在几个示范城市,交通部已经通知80%的危险品运输车辆、旅游车、大客车都要安装北斗卫星导航系统的车载终端。基于北斗系统的车载终端,可以实时定位和监控车辆位置,通过无线移动传输技术和车辆进行信息交换实现互动,进行车辆远程监控与调度指挥,便于部门或公司的管理与控制。这些应用不但可以提高车辆行业的管理水平,也能使运输信息化建设快速发展,为我国的经济发展做出重要贡献。
  3.4 北斗卫星导航系统在测繪中的应用
  北斗卫星导航系统提供两种服务方式,即开放服务和授权服务。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10m,授时精度为50ns,测速精度0.2m/s。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。
  目前已经有基于北斗卫星的伪卫星定位系统及其测量方法,系统通过伪卫星主站与北斗卫星高精确时间同步,从而修正伪卫星从站的钟差,用户机不仅可以在中国北斗系统中实现主动定位,而且可以接收伪卫星信号构成多星定位。
  北斗卫星导航系统将广泛用于中小比例尺测绘,静、动态测量数据采集,非高精度工程放样,水文地质测绘,矿山变形观测,灾后全天候测绘等几乎涵盖所有范畴的测绘工程。
  3.5 北斗技术在公安系统中的应用展望
  3.5.1 室内外无缝定位技术
  室内外无缝定位技术能够解决卫星定位的盲区,实现室内与室外无缝定位,满足警务人员在室内、地下场所等执勤时的定位需求。
  目前基于WiFi的室内定位技术是应用的研究热点。由于WiFi信号的多径传播对环境具有依赖性,呈现出非常强的特殊性,对于每个位置而言,该位置上信道的多径结构是唯一的,这样的多径特征可以认为是该位置的“指纹”。移动用户扫描周围无线信号的强度,将其与预先存储在数据库中的指纹数据进行匹配,找到最相似的结果进行定位。
  3.5.2 高精度卫星定位技术应用
  目前,北斗导航系统在民用领域的定位精度在10m左右,已不能满足公安业务的需求,差分定位技术可以使定位精度达到1m左右甚至亚米级。对警员的定位更加精确,执行任务更加精准。
  伪距差分是目前用途最广的一种高精度定位技术。采用伪距差分定位时,首先需合理布置差分基准站,利用差分基准站的精密坐标解算出其到可见卫星的距离,与观测伪距比较得到修正数,并将这一修正数实时发送给用户接收机。用户接收机利用接收到的伪距修正数,对各个卫星的伪距观测量进行修正,再利用修正过的伪距进行定位计算,解算出自身的精确位置。
  3.6 北斗卫星导航系统在气象大自然灾害中的应用
  中国气象局为了提高了国家气象监测水平,提高预警能力,降低自然灾害,也积极组织开展研发基于北斗导航系统的应用,实现气象数据的实时采集分析,并把精确的数据提供给气象部门使用。
  北斗导航系统在自然灾害中起到了抢险救灾生命线的重要作用。例如在重大地震灾难中,可能所有的通讯系统都将被破坏,只有卫星导航系统不受影响,尽大可能缩短时间对灾害的位置上报到指挥部,对营救时间,减少损失的强险救灾起到至关重要作用。
  发现和预测地震的重要手段之一是地球板块运动监测的检测。在未来发展中,北斗导航系统可能会参加地球板块的运动检测,这在地震灾害预测中是一个重要的发展突破。
  3.7 北斗卫星导航系统在农业.林业.渔业中的应用
  在社会经济的快速发展中,北斗终端在农业.林业.渔业中的作用也显得尤为重要。
  北斗终端可以装在农业机械上,实现对农田的定位耕作,体现了现代高新技术在农业中的应用,便于人们对田地的统一开发和管理。
  在林业中,森林资源的保护和开发利用也对经济的发展起到积极的作用,因此管理者及时掌握森林资源的动态变化而做出相应的正确决策就显得更为重要。北斗导航系统也是林业工作者在林丛中考察工作时,利用它进行定位,辨别方向的新型工具。而且北斗导航系统可以测定森林的分布区域,进行样地精确勘测,面积求算和制图。这样既能减少大量人力物力,更有效的提高森林业的管理水平。而且在森林火灾预警,火灾定位,救援中,北斗定位导航系统也起到无法替代的重要作用。
  在渔业方面,北斗导航系统不仅可以帮渔民寻找鱼群,还能在海况不好的情况,及时对渔船进行通告要求撤回,保证他们的海上安全作业。中国渔政还建立了“海洋渔业综合信息服务系统”管理平台,它是基于北斗定位系统开发,实现对出海渔船的实时监控、定位导航、合理调度和应急救援等。
  4.未来北斗卫星导航系统的发展略目标
  4.1 北斗全球系统是中国持续发展的战略选择。纵观目前全球导航系统应用现状,众所周知全球系统是国土安全和经济安全的关键基础设施,是实现长期持续发展的战略选择。从国防安全出发,是获得“不战而屈人之兵”的战略武器。信息化条件下,更是强调精确化的作战。不言而喻,赢得持续的和平发展机会是北斗全球系统最大的经济和社会效益。
  4.2 国际兼容是区域导航系统的活力源泉由于于以GPS为代表的全球卫星导航系统对用户有很强的吸引力,与GPS兼容性强,又不完全依赖GPS的卫星导航系统才有生存的空间。北斗全球系统构架下的区域系统可同时兼容GPS,GALILEO和GLONASS,可以获得国内外稳定用户,具有持续发展活力。
  结语
  北斗卫星导航系统作为我国首个大型星座组网系统,是迄今为止我国规模最大、技术最复杂、系统集成最难、建设任务最重的航天工程。目前,北斗二号系统正在向亚太用户提供连续稳定可靠的定位、导航、授时服务,北斗全球系统正在建设中。北斗全球系统建设也将继续本着突出重点、充分验证、遵循规律、增量发展的原则,直面新的艰辛与挑战,书写新的荣耀与辉煌。
  参考文献
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