淺析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及在測(cè)繪中的應(yīng)用

蘇運(yùn)超　符賓

【摘 要】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立研發(fā)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的區(qū)域性全天候衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用方向等方面介紹該系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)與國(guó)外其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)比較，并淺析了該系統(tǒng)在測(cè)繪中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；GPS；GLONASS；測(cè)繪

自古以來(lái)由于人類(lèi)生存生活的需要，人們一直在探索研究導(dǎo)航定位的方式方法。從傳說(shuō)中黃帝戰(zhàn)蚩尤時(shí)用的指南車(chē)，到中國(guó)四大發(fā)明之一的司南；由1730年T.戈弗雷與John. Halley發(fā)明八分儀，至20世紀(jì)70年代美國(guó)研制新一代空間衛(wèi)星定位GPS的產(chǎn)生，人類(lèi)從未放棄過(guò)對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的探求。近年來(lái)，繼美國(guó)GPS與俄羅斯GLONASS之后， 我國(guó)也自行研發(fā)了第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)CNSS。

目前，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)東南亞實(shí)現(xiàn)全覆蓋。中國(guó)科技部2013年4月份表示，老撾和文萊將通過(guò)研究與合作協(xié)議初步采用該導(dǎo)航系統(tǒng)。3月底，泰國(guó)和中國(guó)簽署了類(lèi)似協(xié)議，泰國(guó)成為中國(guó)國(guó)產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)的首個(gè)海外顧客。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除在國(guó)防軍事中的重要應(yīng)用外，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于測(cè)繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文就對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用在測(cè)繪行業(yè)進(jìn)行淺析。

1.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System〕是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CNSS，該系統(tǒng)是一種集測(cè)量技術(shù)、定位技術(shù)、數(shù)字通訊和擴(kuò)頻技術(shù)為一體的全天候區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航、定位、通信系統(tǒng)。是繼美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(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)。

2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成及原理

2.1系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端三部分組成?？臻g端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星；地面端包括主控制站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站；用戶端則由北斗用戶端以及與美國(guó)GPS、俄羅斯GALILEO、歐洲GALILEO等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。

中國(guó)此前已成功發(fā)射四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星和十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星（其中，北斗—1A已經(jīng)結(jié)束任務(wù)），將在系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

2.2系統(tǒng)原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理是：先由地面端的中心控制系統(tǒng)同時(shí)向衛(wèi)星I號(hào)和衛(wèi)星II號(hào)發(fā)射詢(xún)問(wèn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)服務(wù)區(qū)內(nèi)的所有用戶進(jìn)行信號(hào)廣播。終端用戶在響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢(xún)問(wèn)信號(hào)的同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)送回應(yīng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接受并解調(diào)終端用戶發(fā)來(lái)的信號(hào)，然后對(duì)用戶申請(qǐng)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對(duì)定位申請(qǐng)，中心控制系統(tǒng)測(cè)出兩個(gè)時(shí)間延遲數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理，中心控制系統(tǒng)可最終計(jì)算出用戶所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這個(gè)坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號(hào)發(fā)送給用戶。

3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較

與國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較。俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)由于前蘇聯(lián)解體時(shí)期造成研發(fā)維護(hù)經(jīng)費(fèi)不足，目前無(wú)論是實(shí)用性和前景都不理想；而歐洲的GALILEO目前仍然處于試驗(yàn)研發(fā)階段，也并非是成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)。因此這里只將普及率最高的美國(guó)在20世紀(jì)70年代的GPS與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)做一比較：

（1）覆蓋范圍：目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋中國(guó)本土及周邊的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。覆蓋范圍約為東京70°～140°，北緯5°～55°。而GPS的信號(hào)是覆蓋全球的。

（2）衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設(shè)置2顆地球同步衛(wèi)星，衛(wèi)星的赤道角距約60°。GPS是在6個(gè)軌道平面上設(shè)置24顆衛(wèi)星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。GPS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道為準(zhǔn)同步軌道，繞地球一周11小時(shí)58分。

（3）定位原理：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)地面中心控制系統(tǒng)解算，供給用戶三維定位數(shù)據(jù)。GPS是被動(dòng)式偽碼單向測(cè)距三維導(dǎo)航，由用戶設(shè)備獨(dú)立解算自己的三維定位數(shù)據(jù)。

（4）定位精度：目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約為幾十米，授時(shí)精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前己由16m提高到6m，C/A碼目前己由25-100m提高到12m，授時(shí)精度目前約20ns。

（5）用戶容量： 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由于是主動(dòng)雙向測(cè)距的詢(xún)問(wèn)——應(yīng)答式系統(tǒng)， 終端用戶設(shè)備與地球同步衛(wèi)星之間不但需要接收地面中心控制系統(tǒng)的詢(xún)問(wèn)信號(hào)， 還要求終端用戶設(shè)備向同步衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號(hào)，所以系統(tǒng)的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢(xún)問(wèn)信號(hào)速率和終端用戶的響應(yīng)頻率。因此北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的終端用戶設(shè)備容量是有限的。GPS是單向測(cè)距系統(tǒng)，用戶設(shè)備只要接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文便可進(jìn)行測(cè)距定位，所以GPS的用戶設(shè)備容量是無(wú)限的。綜上所述，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)具備通訊和定位功能；覆蓋中國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)，全天候服務(wù)，無(wú)通信盲區(qū)；特別適合集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無(wú)依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；自主系統(tǒng)，高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì)，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門(mén)應(yīng)用。

4.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在測(cè)繪中的應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）提供兩種服務(wù)方式，即開(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開(kāi)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10m，授時(shí)精度為50ns，測(cè)速精度0.2m/s。授權(quán)服務(wù)是向授權(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。由于自主研發(fā)、擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)用于工程測(cè)量中，不但會(huì)受到他國(guó)人為技術(shù)性干擾，更為測(cè)量成果的保密性和安全性提供保障。

目前已經(jīng)有基于北斗衛(wèi)星的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其測(cè)量方法，系統(tǒng)通過(guò)偽衛(wèi)星主站與北斗衛(wèi)星高精確時(shí)間同步，從而修正偽衛(wèi)星從站的鐘差，用戶機(jī)不僅可以在中國(guó)北斗系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)定位，而且可以接收偽衛(wèi)星信號(hào)構(gòu)成多星定位。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將廣泛用于中小比例尺測(cè)繪，靜、動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)采集，非高精度工程放樣，水文地質(zhì)測(cè)繪，礦山變形觀測(cè)，災(zāi)后全天候測(cè)繪等幾乎涵蓋所有范疇的測(cè)繪工程。

5.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在測(cè)繪中的實(shí)例分析

以本人負(fù)責(zé)陵水縣國(guó)營(yíng)嶺門(mén)農(nóng)場(chǎng)1：1000比例尺地形測(cè)量項(xiàng)目為例，針對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)具體情況，采用RTK升級(jí)三星系統(tǒng)新儀器進(jìn)行測(cè)量。

嶺門(mén)農(nóng)場(chǎng)測(cè)區(qū)屬于丘陵地區(qū)，測(cè)區(qū)內(nèi)植被以檳榔和橡膠為主，部分為丟荒作物園地。因?yàn)樽鳂I(yè)時(shí)間為是5月份，植被枝葉茂密，隱蔽度大，使用RTK作業(yè)受影響太大。

項(xiàng)目采用海南平面坐標(biāo)系，國(guó)家85高程基準(zhǔn)。作業(yè)過(guò)程中，測(cè)區(qū)內(nèi)的林地因?yàn)镽TK周邊信號(hào)弱、采集數(shù)據(jù)慢、接收精度低，故利用三星系統(tǒng)新技術(shù)直接施測(cè)，直接獲取海南平面坐標(biāo)系和85高程成果。測(cè)區(qū)采用這種方法，在一些低洼地、橡膠園地、山谷等信號(hào)較弱地帶，新三星系統(tǒng)對(duì)比RTK舊系統(tǒng)，信號(hào)強(qiáng)度明顯強(qiáng)于舊系統(tǒng)，基本都能收到固定解，接受精度都能達(dá)到測(cè)量要求標(biāo)準(zhǔn)。按此方法對(duì)90%測(cè)區(qū)面積進(jìn)行了觀測(cè)，其他10%由于信號(hào)強(qiáng)度確實(shí)達(dá)不到測(cè)繪要求，結(jié)合了全站儀進(jìn)行觀測(cè)。

6.結(jié)束語(yǔ)

作為我國(guó)自主研發(fā)、擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代全天候衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在2008年南方的冰凍災(zāi)害、北京奧運(yùn)會(huì)、四川汶川的抗震救災(zāi)以及青海玉樹(shù)的抗震救災(zāi)中發(fā)揮了巨大的作用。隨著該系統(tǒng)不斷地完善，定位精度的不斷提高，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將取締GPS成為國(guó)內(nèi)普及率最高的全天候衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在測(cè)繪工程中發(fā)揮重要作用。 [科]