淺談北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用

【摘要】本文簡要地介紹了我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。文中對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)、發(fā)展階段、定位原理、功能及應(yīng)用進(jìn)行了描述，對(duì)“北斗一號(hào)”和“北斗二號(hào)”兩個(gè)發(fā)展階段從體制上進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展、功能和應(yīng)用進(jìn)行了分析和展望。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星導(dǎo)航；北斗；GPS；GLONASS；北斗一號(hào)；北斗二號(hào)

【中圖分類號(hào)】TN967.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672—5158（2012）08—0099-02

1.引言

將運(yùn)載體從起始點(diǎn)引導(dǎo)到目的地的技術(shù)或方法稱為導(dǎo)航。導(dǎo)航由導(dǎo)航系統(tǒng)完成，導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量并解算出運(yùn)載體的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置，提供給駕駛員或自動(dòng)駕駛儀實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載體的正確操縱或控制。導(dǎo)航系統(tǒng)分為無線電導(dǎo)航系統(tǒng)和自主式導(dǎo)航系統(tǒng)兩類（以無線電導(dǎo)航系統(tǒng)為主），無線電導(dǎo)航系統(tǒng)分為陸基導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

眾所周知，近些年來衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展比較快。目前已經(jīng)在軌運(yùn)行、投入使用并成功應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要有美國的全球定位系統(tǒng)GPS，俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS，中國自主研制生產(chǎn)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)之后世界上第三個(gè)成熟的投入應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是建成獨(dú)立自主、技術(shù)先進(jìn)、開發(fā)兼容、穩(wěn)定可靠覆蓋全球的導(dǎo)航系統(tǒng)。以北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我國開始逐步實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，首先滿足中國以及周邊地區(qū)的導(dǎo)航定位需求，并進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)和測(cè)試，逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，遵循開放性、自主性、兼容性和漸進(jìn)性的建設(shè)準(zhǔn)則，正在積極穩(wěn)妥地向前推進(jìn)。

2.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用

中國的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用近年來發(fā)展迅速，但是絕大多數(shù)應(yīng)用是建立在美國的GPS之上的。“北斗一號(hào)”是我國自主建立的衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，成功地解決了我國自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的有無問題，可全天候、全天時(shí)地提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息。作為中國這樣的大國，必須要合理有效地利用我國自主建立的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)我們的軍事、民事應(yīng)用。

目前，中國已成功發(fā)射四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星和十三顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)以RDSS模式為起步點(diǎn)，雖然在連續(xù)、自主導(dǎo)航方面存在弱點(diǎn)，但它孕育著一個(gè)先進(jìn)的因子——導(dǎo)航與通信的集成。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)內(nèi)，用戶可選擇定位模式、導(dǎo)航信息交換模式和位置報(bào)告模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的識(shí)別與跟蹤監(jiān)視。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將在系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。中國正在大力打造我國自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——“北斗二號(hào)”，“北斗二號(hào)”無論是導(dǎo)航方式，還是覆蓋范圍上都和GPS系統(tǒng)非常相似，而且有著GPS和GLONASS系統(tǒng)無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，具有安全、可靠、穩(wěn)定，保密等特點(diǎn)。

2.1 北斗雙星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)

北斗雙星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)是中國自行開發(fā)研制的、利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位、簡短數(shù)字報(bào)文通信和授時(shí)服務(wù)的、一種全天候、全天時(shí)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息的區(qū)域性衛(wèi)星定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩顆地球靜止衛(wèi)星、一顆在軌備份衛(wèi)星、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機(jī)等部分組成。“北斗一號(hào)”目前系統(tǒng)狀態(tài)良好、運(yùn)行穩(wěn)定、功能完善，可提供定位、授時(shí)、通信和GPS差分和授時(shí)等綜合服務(wù)，在定位性能等方面還有所創(chuàng)新。“北斗一號(hào)”的研制成功標(biāo)志著我國打破了美國、俄羅斯在此領(lǐng)域的壟斷地位，解決了中國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題，是一個(gè)成功的、實(shí)用的、投資很少的初步起步系統(tǒng)。

2.1.1 定位原理

“北斗一號(hào)”的設(shè)計(jì)初衷是主動(dòng)式雙向測(cè)距的詢問-應(yīng)答式進(jìn)行二維導(dǎo)航，用戶向衛(wèi)星發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)，由地面中心控制系統(tǒng)解算出三維定位數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)定位的基本原理是空間球面交會(huì)測(cè)量原理，地面中心站通過兩顆北斗衛(wèi)星向北斗用戶廣播詢問信號(hào)，根據(jù)北斗用戶響應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)，測(cè)量并計(jì)算出北斗用戶到兩顆北斗衛(wèi)星的距離；然后根據(jù)地面中心站的數(shù)字地圖，由中心站算出北斗用戶到地心的距離，根據(jù)衛(wèi)星1、衛(wèi)星2和地面中心站的已知地心坐標(biāo)以及已知北斗用戶目標(biāo)在赤道平面北側(cè)，地面中心站計(jì)算出用戶的三維位置，用戶的高程則由數(shù)字地面高程求出。用戶的三維位置由地面中心站計(jì)算出后經(jīng)衛(wèi)星廣播信號(hào)發(fā)給用戶。

2.1.2 功能及應(yīng)用

我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)是全天候、全天時(shí)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，可覆蓋我國全境及東南亞大部分國家，主要為公路交通、鐵路運(yùn)輸、海上作業(yè)等領(lǐng)域提供導(dǎo)航定位服務(wù)。

“北斗一號(hào)”是有源定位系統(tǒng)，同時(shí)，還具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數(shù)字簡訊通信能力。一般用戶1次可傳輸36個(gè)漢字，經(jīng)核準(zhǔn)的用戶可利用連續(xù)傳送方式最多可傳送120個(gè)漢字。這種簡訊通信服務(wù)，GPS無法提供。“北斗一號(hào)”具有單向和雙向2種授時(shí)功能，根據(jù)不同的精度要求，定時(shí)傳送最新授時(shí)信息給客戶端，供用戶完成與“北斗一號(hào)”間時(shí)間差的修正，其精密授時(shí)精度可達(dá)10納秒。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立的中國GPS廣域差分系統(tǒng)，可使受SA干擾的GPS民用碼接收機(jī)的定位精度由百米量級(jí)修正至數(shù)米級(jí)，定位精度約在12米左右。

“北斗一號(hào)”具有將通信與導(dǎo)航結(jié)合在一起的能力，采用兩顆位于80°E和140°E地球靜止軌道衛(wèi)星雙向測(cè)距加數(shù)字化高程地圖定位，可雙向數(shù)據(jù)報(bào)文通信，系統(tǒng)自含差分定位功能以提高導(dǎo)航定位精度。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)比GPS、GLONASS系統(tǒng)多了一個(gè)數(shù)據(jù)通信的功能，所以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的用途要寬廣很多。因運(yùn)作方式不同，北斗系統(tǒng)還有一些GPS沒有的軍事功能，其中最重要的就是部隊(duì)的指揮管制。

“北斗一號(hào)”具有衛(wèi)星數(shù)量少、投資小、用戶設(shè)備簡單價(jià)廉、能實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域的導(dǎo)航定位和通訊等用途，可滿足當(dāng)前我國陸、海、空運(yùn)輸導(dǎo)航定位的基本需求。隨著北斗一代導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位的市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也為我國即將建立的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

“北斗二號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2011年12月27日宣布試運(yùn)行，預(yù)計(jì)2020年左右將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。屆時(shí)，將形成全球無源服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，并兼具短報(bào)文通信能力。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃及組網(wǎng)部署，目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力。

2.2.1 體制差異

“北斗二號(hào)”與“北斗一號(hào)”在體制上的差別主要是第二代用戶機(jī)可免發(fā)上行信號(hào)，不再依靠中心站電子高程圖處理或由用戶提供高程信息，而是直接接收衛(wèi)星單程測(cè)距信號(hào)自己定位，系統(tǒng)的用戶容量不受限制，并可提高用戶位置隱蔽性。其代價(jià)是測(cè)距精度要由星載高穩(wěn)定度的原子鐘來保證，所有用戶機(jī)使用穩(wěn)定度較低的石英鐘，其時(shí)鐘誤差作為未知數(shù)和用戶的三維未知位置參數(shù)一起由四個(gè)以上的衛(wèi)星測(cè)距方程來求解。這就要求用戶在每一時(shí)刻至少可見四顆以上幾何位置合適的衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距，從而使得星座所需衛(wèi)星數(shù)量大大增多，系統(tǒng)投資將顯著增加。建立高精度衛(wèi)星軌道基準(zhǔn)和衛(wèi)星時(shí)間基準(zhǔn)是新衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的核心，需要開展深入的研究工作。為了獲取對(duì)中國未來的導(dǎo)航頻率的國際保護(hù)，需要加快向國際電聯(lián)申請(qǐng)和協(xié)調(diào)。

2.2.2 功能及應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種服務(wù)方式。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10米，授時(shí)精度為10納秒，測(cè)速精度0.2米/秒。授權(quán)服務(wù)將向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。北斗系統(tǒng)比GPS、GLONASS多了一個(gè)數(shù)據(jù)通信的功能，所以它的用途要寬廣很多。因運(yùn)作方式不同，北斗系統(tǒng)還有一些GPS沒有的軍事功能，其中最重要的就是部隊(duì)的指揮管制，可為中國軍隊(duì)的高精尖武器提供精確的衛(wèi)星制導(dǎo)，為戰(zhàn)場(chǎng)的士兵提供準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境資料。

正在實(shí)施建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將主要用于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家安全，為我國的交通運(yùn)輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災(zāi)害預(yù)報(bào)、通信、公安以及其它特殊行業(yè)提供高效的導(dǎo)航定位服務(wù)。而該系統(tǒng)與美國GPS系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)最大的不同，在于它不僅能使用戶知道自己的所在位置，還可以告訴別人自己的位置在什么地方，特別適用于需要導(dǎo)航與移動(dòng)數(shù)據(jù)通信場(chǎng)所，如交通運(yùn)輸、調(diào)度指揮、搜索營救、地理信息實(shí)時(shí)查詢等。

3.總結(jié)

北斗二代系列衛(wèi)星逐漸進(jìn)入組網(wǎng)和試驗(yàn)高峰期，將逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，將使我國在衛(wèi)星應(yīng)用方面擺脫對(duì)國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，可提供快速定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、簡短通信和精密授時(shí)四大功能。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)近年來得到大力發(fā)展和推廣應(yīng)用，能為我國的軍事、經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供重要的使用價(jià)值。

目前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在我國民航、新航行系統(tǒng)、無人機(jī)、精密授時(shí)、導(dǎo)航定位、精確制導(dǎo)等工程領(lǐng)域中均已有實(shí)際應(yīng)用。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用中，可以采用衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星應(yīng)用終端和北斗通信產(chǎn)品等應(yīng)用方式。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的工作原理為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收衛(wèi)星導(dǎo)航天線所接收的北斗衛(wèi)星信號(hào)，在信道中經(jīng)過信號(hào)放大、變頻，經(jīng)過A/D采樣后，采用軟件無線電或其它技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶下變頻、碼相關(guān)、碼跟蹤、載頻跟蹤、擴(kuò)頻信號(hào)的解調(diào)解擴(kuò)，提取衛(wèi)星電文信息并拼接，測(cè)量偽距觀測(cè)量，解算定位位置，輸出定位的位置信息和衛(wèi)星的電文信息，通過最小二乘法或卡爾曼濾波等各種功能所需的方式進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，以完成授時(shí)、定位、測(cè)速、導(dǎo)航等各種功能任務(wù)。

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