北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用及展望

史恒林 李媛州 王子強(qiáng)

摘要：作為能夠與美國(guó)GPS技術(shù)相抗衡的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景。本文介紹了在新的時(shí)代背景下，北斗技術(shù)對(duì)于我國(guó)的戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)以及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：北斗 導(dǎo)航定位 精確制導(dǎo)

中圖分類(lèi)號(hào)：U666 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分為北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（北斗一號(hào)）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗二號(hào)）兩部分，是我國(guó)正在自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前，全球共有四套全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：中國(guó)的北斗二號(hào)（在建）、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo。隨著GPS在我國(guó)各行各業(yè)甚至是國(guó)防領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，我們對(duì)GPS的依賴(lài)性也越來(lái)越強(qiáng)，這時(shí)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)及國(guó)家安全機(jī)密都有可能通過(guò)GPS技術(shù)泄露給其他國(guó)家。我國(guó)已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到發(fā)展本國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅僅是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，更是關(guān)系到保障國(guó)家戰(zhàn)略安全的重要一環(huán)。

我國(guó)已于2012年完成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)亞太部分地區(qū)的信號(hào)覆蓋并正式提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。根據(jù)規(guī)劃，我國(guó)將在2020年完成北斗二號(hào)的建設(shè)，屆時(shí)將實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航功能，并在2020年前全部淘汰單一GPS信號(hào)設(shè)備，對(duì)有潛在干擾和破壞的GPS信號(hào)設(shè)備停用，分幾年幾個(gè)階段，分別通過(guò)試裝、改裝、新建等幾個(gè)步驟，完成北斗或北斗兼容平臺(tái)及設(shè)備的普及。

1.北斗技術(shù)簡(jiǎn)述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（北斗一號(hào)）的工作原理：地面站發(fā)送信號(hào)經(jīng)由兩顆同步定點(diǎn)衛(wèi)星發(fā)送給用戶(hù)，用戶(hù)對(duì)信號(hào)做出響應(yīng)，經(jīng)兩顆衛(wèi)星發(fā)送到地面站，根據(jù)信號(hào)在地面站、衛(wèi)星、用戶(hù)之間的往返來(lái)測(cè)定用戶(hù)的位置，地面站將位置信息通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送給用戶(hù)，從而實(shí)現(xiàn)定位。如圖1所示。

圖1北斗一號(hào)工作原理圖2三球交匯定位原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗二號(hào)）是在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（北斗一號(hào)）的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制，采用無(wú)源定位機(jī)制，由空間段、地面段和用戶(hù)段三部分組成?？臻g段采用東方紅-3號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)，由5顆靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、27顆中地球軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成。地面段由主控站、上行注入站和監(jiān)測(cè)站組成。用戶(hù)段由北斗用戶(hù)終端，以及與其它全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)兼容的終端組成。35顆衛(wèi)星在高空中以固定的周期環(huán)繞地球，地面上任何一點(diǎn)都可以在任何時(shí)間接收到4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)。因?yàn)樾l(wèi)星的位置是精確已知的，所以在定位的過(guò)程中很容易就可以知道衛(wèi)星到用戶(hù)的距離。利用三維坐標(biāo)距離方程，只需利用3顆衛(wèi)星組成三個(gè)方程，解出X、Y、Z就可以知道用戶(hù)的精確位置（三球交匯定位原理）。但是實(shí)際中考慮到衛(wèi)星的時(shí)鐘和用戶(hù)端的時(shí)鐘可能會(huì)有誤差，這樣在進(jìn)行定位的方程中就會(huì)有四個(gè)未知數(shù)，即X、Y、Z和時(shí)間差。所以在定位的過(guò)程中需要第四顆衛(wèi)星，用四個(gè)方程進(jìn)行求解，這樣就能得到用戶(hù)端的經(jīng)緯度和高程。如公式1所示。

在實(shí)際的工作過(guò)程中，用戶(hù)端可以輕易地鎖定四顆以上的衛(wèi)星。這樣用戶(hù)端就會(huì)根據(jù)衛(wèi)星的分布挑選出誤差最小的四顆衛(wèi)星用作定位，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。由于大氣中的對(duì)流層和電離層對(duì)信號(hào)的影響較大，為提高定位精度普遍采用差分定位技術(shù)，建立地面基準(zhǔn)站來(lái)進(jìn)行衛(wèi)星觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)與觀測(cè)值進(jìn)行比較來(lái)得出一組修正數(shù)，用戶(hù)端接收到基準(zhǔn)站發(fā)布的修正數(shù)與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分的誤差之后得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然在性能方面還無(wú)法與美國(guó)的GPS相比，但是仍然具備GPS沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。比如具備簡(jiǎn)短的報(bào)文通信功能和雙向報(bào)文通信能力；受地形地貌影響小，不存在GPS的林下無(wú)信號(hào)的情況（GPS衛(wèi)星只有幾十瓦的發(fā)射功率）并且滿(mǎn)足既定位又報(bào)告位置的要求且響應(yīng)時(shí)間為1秒。

2.北斗的戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)

2.1北斗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

核心技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化

精確武器制導(dǎo)是新時(shí)期導(dǎo)航應(yīng)用的又一重大發(fā)展，它使軍事?lián)岆U(xiǎn)樣式發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。對(duì)于導(dǎo)彈、炸彈和炮彈這些武器系統(tǒng)的殺傷力來(lái)說(shuō)，命中精度提高1倍相當(dāng)于加大8倍的爆炸力，正是因?yàn)樾滦蛯?dǎo)航系統(tǒng)具有很高的精度，才使精確制導(dǎo)武器得以迅速發(fā)展。北斗系統(tǒng)的誕生使我國(guó)的精確制導(dǎo)武器擺脫了對(duì)于GPS技術(shù)的依賴(lài)。

并且北斗不只是簡(jiǎn)單的取代了GPS而已，其獨(dú)有的短信報(bào)文功能是世界上任何一個(gè)國(guó)家的導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的，它可以一次傳輸達(dá)到120個(gè)漢字的信息。這在遠(yuǎn)洋航行中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。GPS只是接收型的定位系統(tǒng)，用戶(hù)只需要接收信號(hào)就能夠?qū)崿F(xiàn)定位。很多直升機(jī)安裝有GPS但是在重大災(zāi)害和突發(fā)事件的面前接收型定位原理的GPS大大限制了它的應(yīng)用范圍。GPS只是解決了“我在哪里”的問(wèn)題，而北斗不僅能夠知道“我在哪里”還能夠告訴別人“我在哪里，情況如何”。因此，GPS在技術(shù)層面上無(wú)法取代北斗。

2.2北斗的戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)

導(dǎo)航戰(zhàn)

在戰(zhàn)時(shí)和戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域?qū)PS的利用和反利用、阻止和保護(hù)構(gòu)成了所謂的導(dǎo)航戰(zhàn)。由于GPS是美國(guó)研制和掌握的系統(tǒng)，在美軍和其敵對(duì)方進(jìn)行對(duì)抗時(shí)，可使用的導(dǎo)航技術(shù)不完全對(duì)稱(chēng)。

1996年美軍開(kāi)始實(shí)施導(dǎo)航戰(zhàn)計(jì)劃，其內(nèi)容和目標(biāo)為：保護(hù)美國(guó)及其盟國(guó)對(duì)GPS的軍事應(yīng)用；防止敵對(duì)方利用GPS保持民用無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航的和平利用。阻止敵對(duì)方利用GPS與美軍對(duì)抗是導(dǎo)航戰(zhàn)的主要目標(biāo)之一，它的內(nèi)容是讓敵對(duì)方在戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域或者在美軍規(guī)定的時(shí)間與區(qū)域GPS不能工作。

據(jù)報(bào)道，在1999年的科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)和2002年的阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍在南聯(lián)盟和阿富汗全境都停止了GPS的使用，致使對(duì)方損失慘重。

如果我們沒(méi)有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，就相當(dāng)于在國(guó)防安全上給自己埋下了一顆定時(shí)炸彈。在美軍導(dǎo)航戰(zhàn)的背景之下，用美軍的技術(shù)與美軍進(jìn)行對(duì)抗，后果可想而知。

3.北斗技術(shù)的應(yīng)用及展望

3.1車(chē)輛導(dǎo)航

GPS車(chē)輛導(dǎo)航技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)幾乎成了出門(mén)上路的必需品，這使得越來(lái)越多的人對(duì)于GPS技術(shù)有著越來(lái)越強(qiáng)的依賴(lài)性。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅使得國(guó)人在導(dǎo)航產(chǎn)品上有了新的選擇，也讓中國(guó)人解除了對(duì)于GPS技術(shù)的依賴(lài)性。特別是在國(guó)防安全上，將北斗技術(shù)應(yīng)用在裝甲車(chē)輛上，不僅能夠提高作戰(zhàn)效率、降低成本，也有效保證了車(chē)輛的行駛安全。

3.2車(chē)輛跟蹤與調(diào)度

車(chē)輛跟蹤與調(diào)度技術(shù)與車(chē)輛導(dǎo)航有所不同：車(chē)輛導(dǎo)航技術(shù)是將車(chē)輛位置和行駛路線(xiàn)信息顯示給車(chē)輛駕駛員，而車(chē)輛跟蹤與調(diào)度技術(shù)只是將這些信息提供給監(jiān)控中心和調(diào)度管理人員。將這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合車(chē)輛導(dǎo)航并通過(guò)北斗系統(tǒng)在我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)，不僅可以讓車(chē)輛知道自己在什么位置，也方便指揮中心對(duì)其下達(dá)命令。

3.3航空航海的導(dǎo)航

GPS由于全球覆蓋和精度很高，可以顯著改善交通密集區(qū)的導(dǎo)航性能和邊遠(yuǎn)區(qū)及越洋航路的覆蓋，從而提高航行的安全與效率。但是從我國(guó)交通運(yùn)輸安全的角度看，GPS要用作導(dǎo)航系統(tǒng)還是有安全隱患的。在必要時(shí)，美國(guó)軍方可以關(guān)閉或者降低GPS民用的性能，而并不需要民用部門(mén)的認(rèn)可。

北斗系統(tǒng)的出現(xiàn)使我國(guó)打破了美國(guó)在這一導(dǎo)航領(lǐng)域近乎于壟斷的局面。

3.4空中交通管制

空中交通管制系統(tǒng)是空域系統(tǒng)的組成部分，是為保障空中交通安全和高效運(yùn)行而設(shè)置的。為了適應(yīng)空中交通不斷發(fā)展的要求，在新出現(xiàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上，國(guó)際民用航空組織制定了CNS/ATM系統(tǒng)的概念，并且領(lǐng)導(dǎo)國(guó)際民用航空從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始逐漸向CNS/ATM系統(tǒng)過(guò)渡。

衛(wèi)星導(dǎo)航是CNS/ATM的核心系統(tǒng)之一，它不僅是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和ADS（先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)）的基礎(chǔ)，而且在通信的網(wǎng)絡(luò)同步中也發(fā)揮著重要的作用。

3.5授時(shí)功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和美國(guó)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，為用戶(hù)提供授時(shí)服務(wù)。隨著全球一體化的進(jìn)程，統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)顯得更加重要，尤其是在機(jī)器與機(jī)器之間的對(duì)話(huà)和對(duì)機(jī)器的控制領(lǐng)域。例如，調(diào)頻通信，發(fā)射機(jī)信號(hào)載頻每秒要跳變幾百次或者上千次，接收機(jī)只有知道載頻變化的規(guī)律和跳變發(fā)生的時(shí)間才能正常接收；在搶險(xiǎn)指揮所，眾多來(lái)源的情報(bào)消息只有在附有時(shí)間標(biāo)記的前提下才能相關(guān)、融合與鏈接起來(lái)，形成目標(biāo)航跡。

3.6通信技術(shù)

北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)所獨(dú)有的雙向報(bào)文通信功能使北斗不僅解決了“我在哪里”的問(wèn)題，還能讓別人知道“我在哪里，情況如何”。 2008年四川汶川特大地震后，普通地面通信完全中斷，救災(zāi)人員無(wú)的放矢?！氨倍芬惶?hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由于不受通訊信號(hào)和空間距離的影響，一臺(tái)主指揮機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星定位之后，可連接多部類(lèi)似于手機(jī)的“北斗一號(hào)”終端機(jī)，終端機(jī)每次可編寫(xiě)40多字的短信發(fā)送到指定手機(jī)上。這項(xiàng)功能確保了救災(zāi)指揮部與災(zāi)區(qū)的救災(zāi)部隊(duì)的隨時(shí)聯(lián)系，為救災(zāi)指令的通暢做出了巨大的貢獻(xiàn)。

4.結(jié)論

作為我國(guó)首個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和世界第三個(gè)被聯(lián)合國(guó)認(rèn)可的海上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有著不可限量的應(yīng)用前景。擁有北斗技術(shù)，使我國(guó)的導(dǎo)航定位技術(shù)不再受制于人，不用再“看別人的臉色來(lái)辦事”。隨著北斗技術(shù)的發(fā)展和北斗導(dǎo)航應(yīng)用的規(guī)模化建設(shè)，北斗將迎來(lái)規(guī)模化、國(guó)際化、社會(huì)化的重大歷史機(jī)遇。

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