北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析

蘇相琴

[摘 要]文章基于國際上成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀，重點闡述了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展歷程，介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成、功能等關(guān)鍵技術(shù)，闡述了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智慧城市、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)未來的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);應(yīng)用;發(fā)展前景

[中圖分類號]P228.1 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號]1008-7656（2019）03-0089-04

引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展壯大，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進入了與定位、導(dǎo)航、授時、移動通信和因特網(wǎng)等多源信息載體融合的新時期，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成了國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。一直以來，我國探索和發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功建設(shè)，使我國成為了擁有自主建設(shè)、獨立運行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，填補了我國衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的空白。該系統(tǒng)可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，能與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，是我國重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。為此，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景進行分析具有重要意義。

一、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國際上有四大成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別為全球定位系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

（一）全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS的研究源于美國的子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)。20世紀(jì)末，美國為實現(xiàn)在陸?？杖箢I(lǐng)域進行實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，聯(lián)合陸海空三軍研制了新一代的衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，并于1994年建成并覆蓋全球范圍，計劃2030年，投入使用第三代GPS系統(tǒng)。

目前，GPS技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為國際性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)多領(lǐng)域、多模式、多用途、多機型的服務(wù)，許多國家都在使用GPS終端設(shè)備，包括我們國家目前也在使用[1]。

（二）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）

GLONASS最早開發(fā)于蘇聯(lián)時期。1993年，俄羅斯開始獨自建立本國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);2007年，導(dǎo)航系統(tǒng)開始運營，服務(wù)范圍在俄羅斯境內(nèi);2009年，服務(wù)范圍拓展到全球;2011年，在全球正式運行。

GLONASS與GPS一樣可為全球海陸空以及近地空間的各種用戶提供全天候、連續(xù)高精度的三維位置、三維速度和時間信息。其與GPS的兼容使用，可以提供更好的精度幾何因子，消除GPS的SA影響，進一步提高定位精度[2]。

（三）伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。1999年，由歐洲委員會公布，2002年正式啟動，2016年投入使用[2]。

伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，實現(xiàn)覆蓋全球的導(dǎo)航和定位功能，是全球首個民用的導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于非軍方控制、管理。其還能夠和其他成熟導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)多系統(tǒng)的兼容，可同時采集并組合各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)定位導(dǎo)航的要求[1]。

（四）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System）是我國自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

1985年至1994年，我國進入自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的演示論證期。1994年至2002年，進入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航實驗系統(tǒng)研制的建設(shè)期。 1994年，啟動北斗一號系統(tǒng)工程建設(shè)。北斗一號系統(tǒng)可提供定位、授時、廣域差分和短報文通信的服務(wù)，實現(xiàn)有源定位。2003年，增加發(fā)射的衛(wèi)星進一步增強系統(tǒng)的性能。2004年，啟動北斗二號系統(tǒng)工程建設(shè)。該系統(tǒng)保留了北斗一號系統(tǒng)的雙向位置報告等功能，與GPS系統(tǒng)在很多方面都有著相似之處，且增加了無源定位體系。2009年，啟動北斗三號系統(tǒng)建設(shè)。2012年，完成14顆衛(wèi)星的組網(wǎng)，建成了覆蓋亞太區(qū)域、形成區(qū)域無源服務(wù)能力的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2018年底，完成19顆衛(wèi)星的組網(wǎng)，實現(xiàn)中國北斗三號基本系統(tǒng)的組網(wǎng)建設(shè)，北斗三號系統(tǒng)由區(qū)域擴展為全球服務(wù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式邁入全球時代[1-3]。

目前，正在實施北斗三號系統(tǒng)建設(shè)。2019年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計劃發(fā)射8～10顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，將繼續(xù)進行高密度全球組網(wǎng)建設(shè)，進一步完善全球系統(tǒng)星座布局。計劃2020年年底前，完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，全面建成北斗三號系統(tǒng)，形成全球無源服務(wù)能力，達到世界一流水平[2-3]。2035年，我國還將圍繞北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)這個核心內(nèi)容，完成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時（PNT）體系。

結(jié)合國情，我國積極探索衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)道路，已逐步形成了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。第一步：2000年底，建成北斗一號系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)。第二步：2012年底，建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)。第三步：計劃在2020年前后，建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)[1]。目前，正在實施第三步發(fā)展戰(zhàn)略。

二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)區(qū)為全球，包括“一帶一路”國家和地區(qū)在內(nèi)的世界各地。目前，根據(jù)全球范圍測試評估結(jié)果，在北斗三號系統(tǒng)基本建成，并提供全球服務(wù)期間，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，在全球區(qū)域的定位精度優(yōu)于10米（預(yù)期的定位精度10米），在亞太區(qū)域的定位精度優(yōu)于5米（預(yù)期的定位精度5米），符合預(yù)期設(shè)定的指標(biāo)。

（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由三大部分組成，包括空間星座（空間段）、地面控制（地面段）和用戶終端（用戶段）[1]。

1. 空間星座（空間段）

空間星座是若干衛(wèi)星持續(xù)發(fā)射載有導(dǎo)航電文的無線電波，由地球上的各種接收機來接收信息并進行應(yīng)用。若干衛(wèi)星是混合導(dǎo)航星座，由靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成。截止2018年12月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有15顆北斗二號和18顆北斗三號衛(wèi)星在軌工作，為全球提供服務(wù)。

2. 地面控制（地面段）

地面控制包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設(shè)施，用來追蹤及控制北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)。地面控制主要是監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星;通過收集到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計算導(dǎo)航信息，修正與維護每顆衛(wèi)星的各項參數(shù)數(shù)據(jù)等，使空間星座的衛(wèi)星能正常運行。

主控站：主要是收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，完成規(guī)劃及調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行的控制和管理。收集時間同步/注入站、監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，通過處理，形成衛(wèi)星導(dǎo)航電文，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文參數(shù)，監(jiān)測衛(wèi)星有效載荷等。

時間同步/注入站：根據(jù)主控站的統(tǒng)一調(diào)度，完成主要任務(wù)，包括注入衛(wèi)星導(dǎo)航電文參數(shù)，交換與主控站的數(shù)據(jù)、同步測量時間等。

監(jiān)測站：連續(xù)跟蹤監(jiān)測導(dǎo)航衛(wèi)星，接收導(dǎo)航信號，將導(dǎo)航信號發(fā)送給主控站，提供觀測數(shù)據(jù)生成導(dǎo)航電文。

3. 用戶終端（用戶段）

用戶終端包括基礎(chǔ)產(chǎn)品、終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。其中，基礎(chǔ)產(chǎn)品包括兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等。用戶終端主要是追蹤北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，通過對接收機所在位置的坐標(biāo)、移動速度及時間的實時計算，服務(wù)于各領(lǐng)域的需求，滿足行業(yè)需要[1-3]。

（二）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有開放、穩(wěn)定、可靠的定位定向、實時導(dǎo)航、精密測速、精確授時、位置報告、短信服務(wù)等功能，能為全球的用戶提供。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域為全球，定位精度10米（95%），測速精度0.2米/秒（95%），授時精度20納秒（95%）[1-3]。其中，在亞太地區(qū)，定位精度5米（95%）。

1. 定位功能

長時間以來，我國主要依靠GPS開展各類導(dǎo)航任務(wù)，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，完全依靠GPS的時代已結(jié)束。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差小于10米，部分精度可達到厘米甚至毫米級（基于授權(quán)和有標(biāo)校站的支持）。終端可自動匯報位置（根據(jù)授權(quán)情況），可實時了解終端動態(tài)，有利于指揮機構(gòu)的廣泛應(yīng)用。

2. 導(dǎo)航功能

導(dǎo)航是北斗最重要的功能，與GPS相似。為了解決單一信號的不足，提高導(dǎo)航的精度和可靠性，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)允許一臺終端機分別接收不同的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，測速精度可達0.2米/秒，以達到配合不同衛(wèi)星導(dǎo)航的終端，能進行陸?？盏娜旌?qū)Ш健?/p>

3. 授時功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為更好滿足用戶需求，提供了高精度的授時服務(wù)，精度可達到50ns，對時間同步要求高的行業(yè)有非常重要的作用，如通信、金融、電力等高時間要求的行業(yè)。

4. 短報文功能

短報文功能是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的功能，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備此功能。該功能可雙向報文通信，一次可傳輸40～60個漢字的短報文信息。在用戶授權(quán)并完成配置后，終端與指揮機可進行信息傳輸，實現(xiàn)點對點通信，不受距離限制，可有效應(yīng)對遠距離通信或無線電盲區(qū)通信，能在航空、航海、搶險救災(zāi)等活動發(fā)揮重要作用。

三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋亞太地區(qū)，并開啟了全球組網(wǎng)時代，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在基礎(chǔ)理論、應(yīng)用開發(fā)、服務(wù)領(lǐng)域等方面取得了很大的進步。伴隨系統(tǒng)服務(wù)能力的逐步提升，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在大眾定位、智慧城市、交通運輸、農(nóng)業(yè)漁業(yè)、公共安全、減災(zāi)救災(zāi)、氣象探測、通信和電力等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并呈現(xiàn)出更為廣泛應(yīng)用的趨勢[1-9]。

個人位置服務(wù)方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于智能手機、汽車導(dǎo)航定位服務(wù)等領(lǐng)域，預(yù)計到2020年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將可在全球?qū)崿F(xiàn)個人的位置服務(wù)。

智慧城市方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于環(huán)衛(wèi)保障車輛在線監(jiān)管、實時公交綜合信息發(fā)布、公務(wù)車管理、120急救指揮調(diào)度、燃氣行業(yè)等領(lǐng)域。

交通運輸方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于設(shè)施安全監(jiān)控、運輸過程監(jiān)控、港口實時定位調(diào)度監(jiān)控等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)營運車輛、郵政和快遞車輛、中心城市公交車、內(nèi)河導(dǎo)航設(shè)施、海上導(dǎo)航設(shè)施已逐步應(yīng)用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，有效提升了營運車輛的監(jiān)控管理效率和道路運輸安全水平。

農(nóng)、林、漁業(yè)方面，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的農(nóng)機作業(yè)監(jiān)管平臺，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可對農(nóng)機進行遠程管理，實施精準(zhǔn)作業(yè)。充分發(fā)揮北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位與短報文通信功能，提高森林防火的管理水平。通過對船位的實時監(jiān)控，可實時了解漁船出入港信息，提高漁業(yè)管理部門的服務(wù)能力。

公共安全方面，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精確定位及其特有的短報文通信功能，可為公安提供可視化的警力資源調(diào)度及應(yīng)急通信保障等應(yīng)用，實現(xiàn)了警力資源動態(tài)調(diào)度、一體化指揮，提高了響應(yīng)速度與執(zhí)行效率。

救災(zāi)減災(zāi)方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基于其精確定位技術(shù)，及時上報與共享災(zāi)情信息，實時進行指揮和調(diào)度，短報文通信功能能實現(xiàn)應(yīng)急通信，顯著提高了救災(zāi)減災(zāi)的決策部署能力及反應(yīng)能力。

氣象測報方面，由一系列氣象測報型北斗終端設(shè)備形成的系統(tǒng)應(yīng)用，提高了國內(nèi)高空氣象探空系統(tǒng)的觀測精度、自動化水平和應(yīng)急觀測能力。

通信方面，突破光纖拉遠等關(guān)鍵技術(shù)，形成一體化衛(wèi)星授時系統(tǒng)，開展北斗雙向授時應(yīng)用。

電力應(yīng)用方面，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時應(yīng)用，同步應(yīng)用電力時間，保障電力保護系統(tǒng)、電力異常事故分析系統(tǒng)、電力預(yù)警系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

總之，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已逐步融入我國的現(xiàn)代化建設(shè)和百姓的日常生活，面對未來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將持續(xù)提升服務(wù)性能，擴展服務(wù)功能，增強連續(xù)穩(wěn)定運行能力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還計劃2020年繼續(xù)完成高密度全球組網(wǎng)工作，進一步提升全球基本導(dǎo)航和區(qū)域短報文通信服務(wù)能力，并實現(xiàn)全球短報文通信、星基增強、國際搜救、精密單點定位等服務(wù)能力[3]。

四、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展前景分析

目前的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下特點：一是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯;二是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供多個頻點的導(dǎo)航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度;三是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具備基本導(dǎo)航、短報文通信、星基增強、國際搜救、精密單點定位等多種服務(wù)能力[1-3]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)實踐，實現(xiàn)了在區(qū)域內(nèi)快速形成服務(wù)能力、逐步擴展為全球服務(wù)的發(fā)展路徑，豐富了世界衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展模式，但與國外成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，起步晚的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還存在以下問題：一是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及終端建設(shè)還處于發(fā)展過程中，整個產(chǎn)業(yè)鏈還不是很成熟;二是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)尚處于發(fā)展和研究階段，缺乏較為強勢的技術(shù)力量;三是受GPS導(dǎo)航設(shè)備廣泛使用和國內(nèi)GPS成熟應(yīng)用技術(shù)的影響，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展存在一定的難度。

未來世界各地的星際導(dǎo)航服務(wù)將呈現(xiàn)出全時空、全區(qū)域、無盲區(qū)、高精度的特點，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需進一步提高定位精度，消除定位盲區(qū)，增強抗干擾能力，多系統(tǒng)融合發(fā)展，更好滿足各種類型的導(dǎo)航和定位需求，有效提高應(yīng)用效率，才能在未來的星際導(dǎo)航服務(wù)上發(fā)揮越來越重要的作用。

五、結(jié)語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國內(nèi)各領(lǐng)域取得了長足發(fā)展，面對未來星際導(dǎo)航系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，還需繼續(xù)努力，一要大力推進北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，繼續(xù)完善全球系統(tǒng)的星座布局;二要全面提升系統(tǒng)性能，著力推動北斗系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，提高北斗系統(tǒng)的應(yīng)用效率;三要繼續(xù)做好與其他熱門導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容共用，深化衛(wèi)星導(dǎo)航的國際合作，合力推動世界衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展。

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