北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用及展望

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 劉永戰(zhàn) 馮陽(yáng) 李苒

在今天，衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用廣泛，且與人們的生活息息相關(guān)。衛(wèi)星技術(shù)在手機(jī)定位、時(shí)間修正、汽車導(dǎo)航、智能交通、國(guó)際救援等應(yīng)用中相對(duì)較多。在本文中，筆者將講解北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的移動(dòng)導(dǎo)航定位終端應(yīng)用，以及北斗定位的基本原理和結(jié)構(gòu)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，可與國(guó)外的GPS相媲美，在我國(guó)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)具有巨大的市場(chǎng)和前景。在本文中，筆者將分析新時(shí)代背景下北斗導(dǎo)航技術(shù)在我國(guó)發(fā)展的戰(zhàn)略重要性和前景。由于GPS在我們生活的各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用，我國(guó)各個(gè)行業(yè)甚至國(guó)防也越來越依賴GPS技術(shù)。這相當(dāng)于為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全埋下了嚴(yán)重的安全隱患，一旦該技術(shù)不再授權(quán)，結(jié)果可想而知。我國(guó)高度重視擁有獨(dú)立的、完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家戰(zhàn)略安全方面發(fā)揮重要作用。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)概述

地面站通過兩顆同步衛(wèi)星向用戶發(fā)送信號(hào)，當(dāng)用戶收到信號(hào)后響應(yīng)信號(hào)，兩顆同步衛(wèi)星返回地面站，往返地面站的信號(hào)返回地面站。該技術(shù)可以確認(rèn)用戶的位置，最后由地面站確認(rèn)的位置信息通過衛(wèi)星傳輸進(jìn)行定位。北斗二號(hào)（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的研制基于北斗一號(hào)（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)試系統(tǒng)）。主要組成部分是地面段、用戶段和空間段，主要使用被動(dòng)定位技術(shù)。北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為衛(wèi)星平臺(tái)空間段時(shí)，主要組成部分是中圓地球軌道衛(wèi)星（24顆）、地球靜止軌道衛(wèi)星（3顆）和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（3顆）。地面段的主要組成部分是監(jiān)測(cè)站、發(fā)射站和主控站。用戶終端的主要組成部分是用戶終端和其他與北斗兼容的用戶終端。在環(huán)繞地球的空間段中有三十余顆衛(wèi)星，至少有四顆或更多衛(wèi)星可以隨時(shí)接收地球上的任何一點(diǎn)的信號(hào)。繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星的周期和位置是確定的，如果接收來自地球上任何地方的信號(hào)，就可以輕松計(jì)算出衛(wèi)星與用戶之間的距離，最后為三維坐標(biāo)創(chuàng)建等式X、Y、Z距離方程，計(jì)算結(jié)果是用戶終端的準(zhǔn)確位置[1]。

北斗定位導(dǎo)航技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）與GLONASS系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，北斗定位導(dǎo)航技術(shù)可以提供多種導(dǎo)航信號(hào)，并且同時(shí)具備RNSS業(yè)務(wù)、RDSS業(yè)務(wù)及短報(bào)文通信等功能，以確保北斗定位導(dǎo)航技術(shù)可以在不同領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用；（2）根據(jù)北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的目標(biāo)要求及發(fā)展原則，設(shè)計(jì)出一套由GEO、IGSO 和MEO三種軌道衛(wèi)星組合而成的混合星座，其中與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，該星座中衛(wèi)星數(shù)量相對(duì)比較少，不僅可以在軌衛(wèi)星可靠、完好、連續(xù)運(yùn)行提出了較高要求，而且還對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品質(zhì)量提出了較高要求；（3）對(duì)于混合星座而言，要不斷調(diào)整和優(yōu)化服務(wù)區(qū)域性能，做好備份策略與發(fā)射窗口等的設(shè)計(jì)工作；（4）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)不僅可以擴(kuò)展北斗試驗(yàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)，而且還可以為北斗全球系統(tǒng)的未來發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)；（5）MEO 軌道衛(wèi)星可以達(dá)到一箭雙星發(fā)射要求。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航優(yōu)勢(shì)

2.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得北斗的核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化

現(xiàn)如今，北斗的核心技術(shù)已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化。武器制導(dǎo)精度在新時(shí)代導(dǎo)航使用上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。對(duì)于致命武器系統(tǒng)，例如火箭彈，命中精度提高了一倍。精密武器的快速發(fā)展得益于新型導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)化的明顯體現(xiàn)。最重要的是，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的成功開發(fā)，終于解除了我國(guó)在包括國(guó)防建設(shè)在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來對(duì)GPS的依賴。北斗同時(shí)還具有其他導(dǎo)航系統(tǒng)所沒有的若干功能。

GPS被動(dòng)接收定位信號(hào)，北斗可以通過短信功能告訴用戶“我在哪”。在突發(fā)災(zāi)難時(shí)，搜救直升機(jī)在使用GPS技術(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)技術(shù)障礙，導(dǎo)致定位不精準(zhǔn)，因而GPS定位原理的局限性對(duì)搜救能力有很大影響。

2.2 北斗在戰(zhàn)略上的優(yōu)勢(shì)

為了發(fā)展我國(guó)的軍事力量，提高我國(guó)的國(guó)防自衛(wèi)能力，需要發(fā)展一套完全屬于自己的國(guó)防衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，以避免外國(guó)的技術(shù)封鎖。在北斗三號(hào)系統(tǒng)中，研制人員增加了星間鏈路的設(shè)計(jì)，也就是衛(wèi)星不僅能與地面連接，衛(wèi)星之間也可以互相測(cè)距并傳遞數(shù)據(jù)，這大大提高了北斗系統(tǒng)的定位精度。

3 北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

3.1 航海航空方面應(yīng)用

GPS具有較高的全球覆蓋率和精度，可以顯著提高流量地區(qū)的導(dǎo)航性能以及偏遠(yuǎn)和跨洋航線的覆蓋范圍，提高導(dǎo)航安全和效率。不過，從我國(guó)交通安全的角度來看，GPS作為導(dǎo)航系統(tǒng)還是存在安全隱患的。打破國(guó)外在航空航海領(lǐng)域的部分壟斷，同時(shí)發(fā)展自主的三航導(dǎo)航系統(tǒng)，提高自主導(dǎo)航能力[2]。

3.2 陸地導(dǎo)航與追蹤

在現(xiàn)代社會(huì)，GPS車載導(dǎo)航技術(shù)正成為出行的必需品，越來越多的人依賴GPS技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，不僅讓中國(guó)人在導(dǎo)航產(chǎn)品上有了新的選擇，也讓他們擺脫了對(duì)GPS技術(shù)的依賴。將北斗技術(shù)應(yīng)用于陸地作戰(zhàn)導(dǎo)航，尤其是從防御和安全的角度來看，不僅提高了作戰(zhàn)效率，降低了成本，而且有效地保證了車輛的安全。

車輛跟蹤和調(diào)度技術(shù)不同于車輛導(dǎo)航。車輛導(dǎo)航技術(shù)向車輛駕駛員顯示車輛位置和行駛路線信息，而車輛跟蹤調(diào)度技術(shù)僅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)與車輛導(dǎo)航相結(jié)合，在我國(guó)相關(guān)地區(qū)利用北斗系統(tǒng)，可以讓指揮中心更精準(zhǔn)地指揮作戰(zhàn)車輛。

3.3 空中交通管制方面應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與美國(guó)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，為用戶提供授時(shí)服務(wù)。在全球整合的過程中，統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)變得更加重要，尤其是在機(jī)器的交互和機(jī)械控制領(lǐng)域。例如，在FM通信中，發(fā)射機(jī)信號(hào)的載波頻率每秒變化成百上千次，而接收機(jī)只知道載波頻率的變化規(guī)律和發(fā)生跳變的時(shí)間就可以正常接收。指揮所有許多情報(bào)信息來源，只有在它們被加蓋時(shí)間戳的情況下才能關(guān)聯(lián)、整合和鏈接以形成目標(biāo)軌跡。

空中交通管制系統(tǒng)是空域系統(tǒng)的組成部分，其設(shè)立是為了保障空中交通安全高效運(yùn)行。國(guó)際民航組織為了適應(yīng)以新型衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)的空中交通不斷發(fā)展的要求，提出了CNS/ATM系統(tǒng)的概念，并從一開始就推動(dòng)了國(guó)際民航的發(fā)展。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的基礎(chǔ)，而且在通信的網(wǎng)絡(luò)同步中起著重要作用。

3.4 通訊技術(shù)

憑借北斗導(dǎo)航衛(wèi)星獨(dú)有的雙向信息通訊功能，不僅解決了定位難的問題，還解決了相關(guān)地域?qū)崟r(shí)情況問題。汶川地震發(fā)生，正常地面通訊完全中斷，救災(zāi)人員無法準(zhǔn)確確定目標(biāo)?！氨倍芬惶?hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)則不受通信信號(hào)和空間距離的影響。指揮員進(jìn)行衛(wèi)星定位后，連接多臺(tái)“北斗一號(hào)”的終端依次將相關(guān)信息發(fā)送到指定的手機(jī)上輔助救援。此功能為促進(jìn)救災(zāi)指示做出重大貢獻(xiàn)。

3.5 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）電力系統(tǒng)時(shí)間同步。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，其實(shí)時(shí)鐘運(yùn)行在錯(cuò)誤記錄、時(shí)間比較、事件播放列表等方面發(fā)揮著不可替代的作用，并且在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，我國(guó)自主研發(fā)的時(shí)鐘性能，在世界上能夠滿足最廣泛的時(shí)鐘同步要求，并從最初的GPS時(shí)間模式過渡到尋找北斗服務(wù)時(shí)間模式。同時(shí)，可以借助北斗定位導(dǎo)航技術(shù)來提高室內(nèi)時(shí)間的管理效率，并強(qiáng)化遠(yuǎn)程時(shí)間控制、平衡遠(yuǎn)程時(shí)間較準(zhǔn)，進(jìn)而確保電力系統(tǒng)時(shí)間同步水平；（2）電力系統(tǒng)防災(zāi)監(jiān)測(cè)?；诟鞣矫嬉蛩氐挠绊?，有時(shí)消防系統(tǒng)中的輸電線路會(huì)誘發(fā)塔架出現(xiàn)完全傾斜。同時(shí)，由于天氣條件的影響，也會(huì)導(dǎo)致線路被冰覆蓋。上述這些情況均會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性產(chǎn)生不利影響。此時(shí)，可以借助北斗定位導(dǎo)航技術(shù)來對(duì)其進(jìn)行全天候、精準(zhǔn)監(jiān)控，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)采取有效措施給予處理，以此來降低電力系統(tǒng)災(zāi)害的發(fā)生，確保電力系統(tǒng)運(yùn)行效率；（3）電力線路巡檢。在國(guó)道、水利和鐵路等現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中，輸電線路發(fā)揮著不可替代的作用，而且輸電線路的可靠、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，將會(huì)對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生決定性影響。因此，構(gòu)建一套系統(tǒng)、完善的電力線路巡檢制度至關(guān)重要?，F(xiàn)有北斗二號(hào)衛(wèi)星定位系統(tǒng)所具備的設(shè)備定位管理功能，能夠?qū)﹄娏鬏斁€路進(jìn)行定位巡檢，以便對(duì)電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備給予準(zhǔn)確把控，如帶動(dòng)的電力鐵絲杠、電力變電站、輸電電力線路等。

3.6 在人防信息化系統(tǒng)中的應(yīng)用

這里所提及到的人防信息系統(tǒng)一般是指人民防空系統(tǒng)，其可以確保人們能夠及時(shí)、有效的應(yīng)對(duì)空襲突發(fā)事件，以確保國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中，極大的推動(dòng)了信息化技術(shù)的發(fā)展，而此時(shí)的人防信息系統(tǒng)可以借助信息化技術(shù)來更好的滿足人民對(duì)空間保護(hù)的基本需求，并對(duì)空間信息進(jìn)行快速、有效、準(zhǔn)確的計(jì)算，以提高人民防空技術(shù)的信息化水平。通常情況下，北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)是定位精確、實(shí)時(shí)通訊，還可以高度保密所獲取的空間信息，以便更好的滿足人民防空事業(yè)發(fā)展需求，確保人民防空動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)管控與監(jiān)督，對(duì)空間突發(fā)事件給予及時(shí)應(yīng)對(duì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效傳送[3]。同時(shí)，在抗震救災(zāi)工作中，人防信息化系統(tǒng)也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并通過與北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合來為人防信息化系統(tǒng)提供合理的指揮調(diào)度和精確的車輛監(jiān)控，且獲取動(dòng)態(tài)的組展信息，以便在此基礎(chǔ)上制定一套科學(xué)、合理、高效的作戰(zhàn)方案。在人防信息化系統(tǒng)發(fā)展過程中，北斗定位導(dǎo)航技術(shù)能夠構(gòu)建其空間信息的傳送鏈，此時(shí)的人民防空部門可以借助信息化技術(shù)來操作相應(yīng)的指揮代碼，并對(duì)防空部隊(duì)給予實(shí)時(shí)、合理且有效的調(diào)度、指揮和管控。此外，在信息獲取方面，北斗定位導(dǎo)航技術(shù)不會(huì)受環(huán)境、時(shí)間、地域、距離等因素的影響，具備較高的精確性、可靠性、時(shí)效性與傳遞性特點(diǎn)，因此將其應(yīng)用于人防信息化系統(tǒng)中，可對(duì)相關(guān)危險(xiǎn)信息給予有效識(shí)別和預(yù)警警告，盡最大可能挽救人們的財(cái)產(chǎn)損失。例如， 選擇某地作為防空演習(xí)場(chǎng)地后，則需要在該地開展相應(yīng)的人防信息基本建設(shè)和定位設(shè)備，以此來確保我國(guó)空間安全。同時(shí)，還需要結(jié)合實(shí)際情況制定一套具有可行性的規(guī)章制度和規(guī)范體系，保證空間情況和陸地情況的有效聯(lián)系，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)人民防空部門的有效聯(lián)系和數(shù)據(jù)共享，而且還可以在確保國(guó)家安全的同時(shí)，提高我國(guó)的世界競(jìng)爭(zhēng)力。

4 北斗定位導(dǎo)航技術(shù)展望

如今，我國(guó)北斗定位導(dǎo)航技術(shù)處于快速發(fā)展階段，且近些年來我國(guó)電子地圖日趨完善，極大的提高了北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)用性，使其具有非常好的市場(chǎng)前景。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的市場(chǎng)容量出現(xiàn)了大幅度的增加，導(dǎo)航定位的消費(fèi)產(chǎn)品主要是手持式定位接收機(jī)，其在出海、探險(xiǎn)、登山、遠(yuǎn)足、郊游等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。通常情況下，北斗定位導(dǎo)航技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的結(jié)合逐漸成為未來的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)電信、測(cè)繪、應(yīng)急、物流、軟件、市政、管網(wǎng)、救災(zāi)等各領(lǐng)域產(chǎn)生了比較深遠(yuǎn)的影響。在信息互動(dòng)方面，北斗定位導(dǎo)航技術(shù)也具有比較大的市場(chǎng)前景，將位置服務(wù)與電信業(yè)務(wù)結(jié)合在一起，可以使其市場(chǎng)規(guī)模遠(yuǎn)超于目前的短信業(yè)務(wù)，這些均可以有效推動(dòng)北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，提高其應(yīng)用水平。

5 結(jié)語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是聯(lián)合國(guó)認(rèn)可的世界第三大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其應(yīng)用層出不窮。擁有北斗技術(shù)，我國(guó)的導(dǎo)航定位技術(shù)不再?gòu)膶儆趧e人，也不再需要承擔(dān)技術(shù)封鎖的危機(jī)。隨著北斗技術(shù)的進(jìn)步和導(dǎo)航應(yīng)用的大量涌現(xiàn)，為北斗的規(guī)模化、國(guó)際化和社會(huì)化開辟了巨大的歷史機(jī)遇。