北斗衛星導航系統應用研究綜述

苗仲華

摘 要：北斗導航系統又稱雙星快速定位通訊系統，基本功能有快速導航和定位、雙向通訊、發播標準時間。它是星基區域雙向主動式無線電導航系統，具有全天候、高精度、連續、實時、快速的導航定位和多功能、多用途、高可靠性的特點。

關鍵詞：北斗衛星導航

作為中國正在實施的自主研發并且獨立運行的全球衛星導航系統，北斗衛星導航系統與美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略系統并稱為全球四大衛星導航系統。北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成，可以在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠性的定位、授時與導航服務，并且同時提供短報文的通信服務。中國以后生產定位服務設備的生產商，都將會提供對GPS和北斗系統的支持，這將會進一步提高定位的精度。目前，北斗衛星導航系統已經開始向中國及周邊地區提供連續的導航地位與授時服務，應用領域也不斷擴大，在交通、水文、氣象、海洋、通信、電力、軍事等諸多領域得到廣泛應用，產生了顯著的社會效益和經濟效益。

一、北斗衛星導航系統的發展

（一）北斗衛星導航系統建設的必要性

北斗導航系統，也稱天基定位、導航、授時（PNT）系統，已成為國家重大的空間和信息化基礎設施，是北斗時空信息服務體系的基石；也成為體現現代化大國地位和國家綜合競爭力的重要標志；還是經濟安全、國防安全、國土安全和公共安全的重大技術支撐和戰略威懾基礎資源；是建設創新型國家與和諧社會、服務人民大眾、提升生活質量的重要工具，將作為新一代信息技術核心動力引領戰略性新興信息產業的發展。

北斗導航系統將為我國四化建設提供自主、穩定、經濟和可靠的導航、定位、授時服務，結束我國長期依賴國外導航系統的局面。引進國外導航用戶終端設備來滿足國內不斷增長的需求，國家不僅要擔負巨大的外匯支出，而且要隨時承受美國不斷變換的主權威懾，因此該系統對四化建設具有重要的政治、經濟和軍事意義。

北斗衛星導航系統促進了我國衛星導航產業鏈的行程，完善了國家的衛星導航應用產業支撐、推廣與保障體系，推動了衛星導航在國民經濟社會各行各業的廣泛應用。所以，北斗衛星導航的快速發展是必然的趨勢。

（二）北斗衛星導航系統發展計劃與概況

衛星導航系統可以說是最重要的空間信息基礎設施，因此我國一直以來都很重視衛星導航系統的建設，并不停地努力探索與發展擁有自主知識產權的衛星導航系統。根據國外發展衛星導航系統的經驗教訓并結合我國的實際情況，我國分三個階段循序漸進地實施自己的衛星導航系統建設目標。

總之，我國北斗衛星導航系統的建設分三個階段完成，從區域性有源服務能力到區域性無源服務能力，再進而發展到全球性的無源服務能力，這是一個循序漸進地發展過程。按照我國的北斗系統發展規劃，“北斗”衛星導航系統的建設主要包括關鍵技術試驗與攻關、工程建設、應用推廣以及產業化等三大任務。到2020年，“北斗”衛星導航系統將成為與美國GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo并列的四大衛星導航系統，在全球性無源衛星導航系統中占有舉足輕重的地位。

二、北斗衛星導航系統的應用研究

（一）北斗衛星導航系統的組成

北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成：

1、空間端空間端包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星；

2、地面端主要由主控站、注入站以及監測站等地面站組成；

3、用戶端由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略等其它衛星導航系統兼容的終端組成。

中國此前已經成功發射四顆北斗導航試驗衛星和十顆北斗導航衛星，并將在系統組網和試驗基礎上，逐步擴展為全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統以建成獨立自主、開放兼容、穩定可靠、技術先進、可覆蓋全球的導航系統為最終建設目標。

（二）北斗衛星導航的主要功能

1、快速定位

北斗定位系統采用的是主動定位方式。具體說來就是，先由用戶終端主動向地面控制中心發出定位請求，也就是入站；然后地面控制中心根據接受到的用戶請求信號，測量或者計算出用戶與兩顆衛星的距離。最后中心控制系統計算出用戶的精確位置，并進行加密之后通過衛星廣播出去，由用戶終端進行接收，也就是出站。這樣就完成了與GPS精度相當的快速實時定位，定位精度為為20-100m。北斗定位系統可以為用戶提供高精度、全天候的快速實時定位服務，為服務區域內的所有用戶確定地理位置，同時也可以為用戶及相關部門提供導航服務。

2、簡短報文通信

“北斗”衛星導航定位系統具有用戶與地面控制中心、用戶與用戶之間的雙向數字簡短通信能力。用戶一次可以傳送40至60個漢字的簡短報文信息，一般用戶可以單次或者多次傳輸文本信息。其中注冊用戶可以利用連續傳送的方式最多傳送120個漢字的信息。

3、精密授時

“北斗”衛星導航系統同時具有雙向和單向兩種授時功能，根據不同的精度要求，北斗衛星導航系統定時傳送最新的授時信息給客戶端，完成北斗導航定位系統與用戶見的時間和頻率同步，供客戶修正與“北斗”衛星導航定位系統間時間誤差。北斗系統的授時誤差在20納秒與100納秒之間，其中單向授時精度為100納秒，雙向授時精度可以高達20納秒。定位導航功能為北斗系統的主要功能，其在軍事和民用上都有廣闊的應用前景。

（四）北斗衛星導航在航海領域的應用

“北斗一號”衛星定位系統是利用地球同步衛星為用戶提供快速定位、簡短數字報文通信和授時服務的一種全天候、區域性的衛星定位系統。較之于陸基導航定位系統，它有更優越的性能：

覆蓋范圍廣，其覆蓋范圍是在北緯50～550，東經700～1400之間的一個心臟形區域，上大下小，基本上覆蓋了我國海區；

定位精度高，靜止水平誤差士20米，運動水平誤差士100米，經過校標（即相當于差分）可達到士20米，同時還具有數字報文通信以及授時功能。因此，我們應積極探索“北斗一號”衛星定位系統在航海上的應用。

隨著北斗導航定位系統的不斷完善與發展，它在航海技術上已經可以實現定位導航、簡短報文通信以及精密授時等功能。

（作者單位：北海航海保障中心青島航標處日照航標站）