淺談“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用途廣泛

王琪

摘 要：“北斗”衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱北斗系統(tǒng)，它是傳輸信息的基本設(shè)施之一，是體現(xiàn)現(xiàn)代化信息的重要工具。北斗系統(tǒng)是我國自主研制開發(fā)，從2004年4月正式開始運(yùn)營至今，在國家各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)定位 用途 發(fā)展

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0016-02

1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的分類

世界上現(xiàn)有的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS全球定位系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、歐洲GALILEO全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS。

2 “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我國獨(dú)立建設(shè)，自主研發(fā)出北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是繼俄羅斯的GLONASS、美國的GPS之后的第三個(gè)相對成熟的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般在頻率達(dá)到2491.75 MHz的時(shí)候進(jìn)行工作，可以為用戶提供高精度、全天候的即時(shí)定位服務(wù)，它的精確度和GPS相當(dāng)。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)是由地面段、空間段和用戶段三個(gè)部分組成。

系統(tǒng)空間段是由30顆非靜止軌道衛(wèi)星和5顆GEO衛(wèi)星組成。地球靜止的軌道衛(wèi)星分別在東經(jīng)160°、140°、110.5°、80°和58.75°。非靜止的軌道衛(wèi)星是由3顆IGSO衛(wèi)星和27顆MEO衛(wèi)星組成。

地面段由不同監(jiān)測站、注入站和主控站組成。監(jiān)測站負(fù)責(zé)接受衛(wèi)星信號，并且及時(shí)發(fā)送給主控站，對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、監(jiān)測，為軌道衛(wèi)星提供觀測資料。注入站的任務(wù)是由主控站統(tǒng)一調(diào)度，完成導(dǎo)航信息的注入，衛(wèi)星導(dǎo)航電文和有效負(fù)荷的管理控制。主控站是的任務(wù)是收集監(jiān)測站所觀測到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成導(dǎo)航電文，完成任務(wù)所需的調(diào)度與規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制運(yùn)行管理等。

用戶段是由不同的北斗衛(wèi)星終端組成。北斗用戶機(jī)兼具GALILEO、GLONASS、GPS的功能。

2.2 性能指標(biāo)和服務(wù)類型

北斗系統(tǒng)提供授權(quán)和開放服務(wù)，開放服務(wù)就是面向全球，授時(shí)精度20 ns、定位精度10 m、測速精度0.2 m/s；授權(quán)服務(wù)是包括全球范圍內(nèi)的高性能導(dǎo)航定位服務(wù)，為我國及周邊用戶提供廣泛的區(qū)域差分服務(wù)，定位精度達(dá)到1 m，短報(bào)文的通信能力達(dá)到每次120個(gè)字。

3 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作過程

（1）首先由中心控制系統(tǒng)向兩顆衛(wèi)星同時(shí)發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的戶廣播。

（2）用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)回中心控制系統(tǒng)。

（3）中心控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號，然后根據(jù)用戶的申請服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

（4）對定位申請，中心控制系統(tǒng)測出兩個(gè)時(shí)間延遲：即從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號經(jīng)某一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)用戶，用戶發(fā)出定位響應(yīng)信號，經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制統(tǒng)的延遲；和從中心控制發(fā)出詢問信號，經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達(dá)用戶，用戶發(fā)出響應(yīng)信號，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲。

（5）由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是已知的，因此由上面兩個(gè)延遲量可以算用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于一個(gè)以第一顆衛(wèi)星為球心的一個(gè)球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點(diǎn)的橢球面之間的交線上。

（6）另外中心控制系統(tǒng)從存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶處于某一與地球基準(zhǔn)橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統(tǒng)可最終計(jì)算出用所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這個(gè)坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶。

4 北斗系統(tǒng)的應(yīng)用

北斗系統(tǒng)的試驗(yàn)投入應(yīng)用，確立了中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際領(lǐng)域的地位，結(jié)束了我國長期依賴外國系統(tǒng)的歷史。長期以來，我國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用缺乏國家政策的有力支持，被國外技術(shù)壟斷，通信網(wǎng)絡(luò)、交通運(yùn)輸、金融系統(tǒng)、電力調(diào)度等基礎(chǔ)重要設(shè)施過分依賴GPS，造成巨大風(fēng)險(xiǎn)和諸多嚴(yán)重后果。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建成，打破了國外技術(shù)壟斷與封鎖，中國繼美國、俄羅斯之后成為第三個(gè)擁有導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)自主的國家。

4.1 北斗系統(tǒng)應(yīng)用在汶川地震

目前，北斗導(dǎo)航已成功應(yīng)用于水利水電、海洋漁業(yè)、交通運(yùn)輸、氣象測報(bào)、國土測繪、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等領(lǐng)域，牽引促進(jìn)了電子、通信、機(jī)械制造、地理信息等相關(guān)產(chǎn)業(yè)和信息服務(wù)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

短報(bào)文的通信功能可以在第一時(shí)間實(shí)施指揮調(diào)度。汶川地震發(fā)生的時(shí)候，所有災(zāi)區(qū)的手機(jī)通信功能都已經(jīng)遭到破壞，所有光纜電纜被截?cái)啵康耐ㄐ旁O(shè)備都被中斷。就在這樣的情況下，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為指揮部和一線災(zāi)區(qū)建立起實(shí)時(shí)通道，在醫(yī)療、搜救等過程中發(fā)揮重要作用。在本次救援行動(dòng)中，由于北斗系統(tǒng)自身的覆蓋范圍廣、定位報(bào)告快等許多優(yōu)勢都充分發(fā)揮了作用，成為一線救援人員和救援指揮部最有力的助手。

4.2 國防應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)自開始運(yùn)營以來，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、反恐維穩(wěn)、部隊(duì)的軍事訓(xùn)練等各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用，而且具有顯著的成效。邊防部隊(duì)在積極拓展北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急實(shí)時(shí)監(jiān)控和邊防執(zhí)勤的動(dòng)態(tài)管理，為邊防執(zhí)勤開拓了新的局面。北斗系統(tǒng)的巨大潛能和特殊優(yōu)勢，不僅完成了各項(xiàng)軍事任務(wù)，還在推動(dòng)解放信息化建設(shè)。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的軍事功能與GPS類似，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、水面艦艇和潛艇的定位導(dǎo)航；彈道導(dǎo)彈激動(dòng)發(fā)射車、自行火炮與多管火箭發(fā)射車等武器載具發(fā)射位置的快速定位，以縮短反應(yīng)時(shí)間；人與搜救，水上排雷定位等。這項(xiàng)功能在軍事上，意味著可主動(dòng)進(jìn)行各級部隊(duì)的定位，也就是說大陸各級部隊(duì)一旦配備該導(dǎo)航定位系統(tǒng)，除可供自身定位導(dǎo)航外，高層指揮部也可隨時(shí)通過該系統(tǒng)掌握部隊(duì)位置，并傳遞相關(guān)命令，有助于任務(wù)的執(zhí)行。

4.3 農(nóng)田監(jiān)測

中國很多地區(qū)，特別是西北地區(qū)那里一直存在落后的耕作技術(shù)、干旱缺水的現(xiàn)象。農(nóng)業(yè)是新疆主要的生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，最寶貴的就是水資源，落實(shí)精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉等農(nóng)業(yè)技術(shù)，對采集數(shù)據(jù)北斗系統(tǒng)定位技術(shù)有很大的需求。2004年，北斗定位系統(tǒng)被新疆生產(chǎn)兵團(tuán)用于農(nóng)田墑情采集數(shù)據(jù)，綜合利用遠(yuǎn)程技術(shù)采集數(shù)據(jù)、定位系統(tǒng)通信技術(shù)、衛(wèi)星遙控技術(shù)和地理信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地理位置和溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，綜合分析旱情，為地理位置和土地墑情提供了先進(jìn)全面的解決方法，并結(jié)合滴灌系統(tǒng)，對土地進(jìn)行灌溉指導(dǎo)。圖1就是北斗定位系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)田墑情數(shù)據(jù)采集。

4.4 自動(dòng)測報(bào)氣象

為了解決無人區(qū)和高寒地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測和傳輸，相關(guān)部門結(jié)合數(shù)字報(bào)文應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，研制出氣象測報(bào)型北斗系統(tǒng)終端設(shè)備，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的系統(tǒng)解決方案，解決了國家氣象中心和各大氣象局可視化的氣象站地圖顯示功能，同時(shí)此設(shè)備還被應(yīng)用于人工影響天氣的作業(yè)領(lǐng)域，取得顯著成效。隨著北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的運(yùn)行建設(shè)，導(dǎo)航衛(wèi)星將更廣泛的被應(yīng)用。

5 結(jié)語

定位與導(dǎo)航技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、微電子學(xué)、光學(xué)、力學(xué)及數(shù)學(xué)等多學(xué)科的高新技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)飛行器特別是行提起飛行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，也是武器精確制導(dǎo)的核心技術(shù)，這是對于提高航空器、航天器以及武器裝備的機(jī)動(dòng)性、反應(yīng)速度和遠(yuǎn)程精確打擊能力具有重要意義。

目前，我國正在實(shí)施的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，2012年，系統(tǒng)首先覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力；2020年，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

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