江蘇省錫山高級(jí)中學(xué)（214174） 王家偉 范曉偉

2012年12月27日，中國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)啟動(dòng)區(qū)域性正式服務(wù)，由16顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)。這是北斗系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的一個(gè)里程碑，標(biāo)志著我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)方面“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略第二步發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

一、北斗系統(tǒng)概述

1. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System，CNSS〕是中國(guó)正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如圖1、圖2）。是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS)之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與美國(guó)的GPS、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS）、歐盟的“伽利略”（GALILEO）系統(tǒng)并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)志圖

圖2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

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。地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站。用戶端由北斗用戶終端以及與美國(guó)GPS、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）、歐盟“伽利略”（GALILEO）等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力。

2. 北斗系統(tǒng)建設(shè)的“三步走”

中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，擁有廣闊的領(lǐng)土和海域，高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，努力探索和發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在20世紀(jì)80年代到90年代，我國(guó)結(jié)合國(guó)情，科學(xué)、合理地提出并制訂自主研制實(shí)施“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。

第一步，2000年建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，解決我國(guó)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題。第一步是試驗(yàn)階段，即用少量地球同步靜止軌道衛(wèi)星來完成試驗(yàn)任務(wù)，為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)人才，研制一些地面應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等。2000年以來，中國(guó)已成功發(fā)射了4顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”，建成北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（即“北斗一號(hào)”試驗(yàn)系統(tǒng)）。這個(gè)系統(tǒng)具備在中國(guó)及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時(shí)、報(bào)文和GPS廣域差分功能，并已在測(cè)繪、電信、水利、交通運(yùn)輸、漁業(yè)、勘探、森林防火和國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

第二步，建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2012年形成區(qū)域覆蓋能力。第二步到2012年計(jì)劃發(fā)射10多顆衛(wèi)星，建成覆蓋亞太區(qū)域的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（即“北斗二號(hào)”區(qū)域系統(tǒng)）。截至2012年底，已經(jīng)發(fā)射了16顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)啟動(dòng)區(qū)域性正式服務(wù)，開始向亞太大部分地區(qū)（覆蓋區(qū)域東經(jīng)55度～180度）正式提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)以及短報(bào)文通信等服務(wù)。

第三步，2020年左右，形成全球覆蓋能力。第三步到2020年，建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)向全球免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)的開放服務(wù)，定位精度為10米，授時(shí)精度為10納秒，測(cè)速精度0.2米/秒；同時(shí)還能為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，授權(quán)提供更好的定位、測(cè)速、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息的授權(quán)服務(wù)。

“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成對(duì)我國(guó)及周邊地區(qū)具有重要的應(yīng)用意義。我國(guó)及周邊地區(qū)目前使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本上是美國(guó)的GPS，作為一個(gè)航天大國(guó)來說，我國(guó)必須在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域占有一席之地，這是非常重要的。首先，有了獨(dú)立自主的星地一體化系統(tǒng)以后，我國(guó)可以進(jìn)一步開發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域，并且把星地之間的一體化工作做好；而GPS系統(tǒng)在很多方面對(duì)我們并不開放，所以更無法介入其星地一體化設(shè)計(jì)。第二，“北斗”區(qū)域系統(tǒng)正式運(yùn)行和提供服務(wù)以后，我國(guó)及周邊地區(qū)的用戶可以接收到除了GPS和GLONASS信號(hào)之外的新的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，從而多了一種選擇，多了一種可獲取的資源，有利于提高服務(wù)精度和質(zhì)量。

二、北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與“獨(dú)門絕技”

1. 北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

北斗導(dǎo)航終端與GPS、“伽利略”和“格洛納斯”相比，優(yōu)勢(shì)在于短信服務(wù)和導(dǎo)航結(jié)合，增加了通訊功能；全天候快速定位，極少的通信盲區(qū)，精度與GPS相當(dāng)，而在增強(qiáng)區(qū)域也就是亞太地區(qū)，甚至?xí)^GPS；向全世界提供的服務(wù)都是免費(fèi)的，在提供無源定位導(dǎo)航和授時(shí)等服務(wù)時(shí)，用戶數(shù)量沒有限制，且與GPS兼容；特別適合集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；獨(dú)特的中心節(jié)點(diǎn)式定位處理和指揮型用戶機(jī)設(shè)計(jì)，可同時(shí)解決“我在哪”和“你在哪”的問題；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)鍵部門應(yīng)用。

2. 北斗系統(tǒng)的“獨(dú)門絕技”

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和目前世界上三大導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS、“伽利略”和“格洛納斯”）相比，不僅具備了定位導(dǎo)航功能，還具有自己獨(dú)特的功能。

（1）絕技一：精準(zhǔn)授時(shí)，精度達(dá)兩千萬分之一秒

精確授時(shí)，即向地球報(bào)告最精確的時(shí)間，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所能提供的主要功能之一。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上裝置了我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的原子鐘，有了它，衛(wèi)星就具有了精準(zhǔn)的授時(shí)功能，精度可以達(dá)到兩千萬分之一秒，火車調(diào)度、銀行結(jié)算、航空航天工業(yè)等方方面面都離不開它；不僅在我們的生產(chǎn)生活中，精準(zhǔn)的授時(shí)功能在軍事上更是不可或缺，巡航導(dǎo)彈之所以能夠完成精確打擊，就是通過衛(wèi)星定位和高精確授時(shí)來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行鎖定。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精準(zhǔn)授時(shí)功能可以打破GPS壟斷，通過自主設(shè)備授時(shí)具有國(guó)家安全層面的重大意義。

（2）絕技二：短報(bào)文功能，信號(hào)盲區(qū)能發(fā)送短信

除了精準(zhǔn)的授時(shí)功能，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具有一個(gè)其他導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的獨(dú)特功能——短報(bào)文功能。短報(bào)文功能與目前的手機(jī)短信功能相類似，用戶可以通過終端發(fā)送一條長(zhǎng)度為120個(gè)字的信息。短報(bào)文通信可以完成位置的報(bào)告和指揮調(diào)度的一些功能，目前世界上的三大導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS、“伽利略”和“格洛納斯”）都不具備這樣的功能。通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文功能，用戶不僅自己能知道自己在哪兒，還能讓別人知道自己在哪兒，因此這短短的120個(gè)字在很多時(shí)候是救命的法寶。假如你去探險(xiǎn)，你進(jìn)入了一個(gè)陌生的森林、高山或沙漠地區(qū)，然后你迷路了，且不知道往哪兒走，別人也不知道怎么去救你的時(shí)候，你就可以利用“北斗”終端發(fā)短信，讓你使用的“北斗”系統(tǒng)的主站知道你的位置，并知道你所發(fā)生的事情。“北斗”系統(tǒng)發(fā)短信的獨(dú)特本領(lǐng)在手機(jī)信號(hào)穩(wěn)定的城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)可能意義不大，但對(duì)于在沒有手機(jī)信號(hào)或手機(jī)信號(hào)盲區(qū)的海上、沙漠、深山等荒僻地區(qū)的人們來說將可以派上大用場(chǎng)，可以解決救援、搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急指揮中的定位與通信難題。

三、北斗系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用

1. 軍事應(yīng)用

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的軍事應(yīng)用功能與GPS類似，如：飛機(jī)、導(dǎo)彈、水面艦艇和潛艇的定位導(dǎo)航；彈道導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)發(fā)射車、自行火炮與多管火箭發(fā)射車等武器載具發(fā)射位置的快速定位，以縮短反應(yīng)時(shí)間；人員搜救、水上排雷定位等?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)也可應(yīng)用于主動(dòng)進(jìn)行各級(jí)部隊(duì)的定位，除了可供各級(jí)部隊(duì)自身定位導(dǎo)航外，高層指揮部也可隨時(shí)通過“北斗”系統(tǒng)掌握部隊(duì)位置，并傳遞相關(guān)命令，執(zhí)行部隊(duì)指揮與管制及戰(zhàn)場(chǎng)管理。

2. 民事應(yīng)用

（1）個(gè)人位置服務(wù)

當(dāng)你進(jìn)入不熟悉的地方時(shí)，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的手機(jī)或車載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置找到你要走的路線。你可以向當(dāng)?shù)胤?wù)提供商發(fā)送文字信息告知你的要求，如查詢最近的停車位、餐廳、旅館或其他你想去的任何地方，服務(wù)商會(huì)立即根據(jù)你所在的位置，幫你找到需要的信息。然后，將一張地圖發(fā)送到你的手機(jī)上，甚至還會(huì)為你提供酒店房間、餐廳或停車位預(yù)定等增值服務(wù)。

（2）精密授時(shí)

精確的時(shí)間同步對(duì)于涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全的諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)的有效運(yùn)行都依賴于高精度時(shí)間同步。在移動(dòng)通信中需要精密授時(shí)以確?；镜耐竭\(yùn)行，電力網(wǎng)為有效傳輸和分配電力，對(duì)時(shí)間和頻率提出了嚴(yán)格的要求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)服務(wù)可有效應(yīng)用于通信、電力和金融系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）氣象應(yīng)用

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已在氣象領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上組建的地球大氣觀測(cè)系統(tǒng)是一種重要的觀測(cè)技術(shù)，可完成對(duì)大氣、海洋和空間環(huán)境的觀測(cè)，以及對(duì)環(huán)境中重要的風(fēng)、云、電進(jìn)行觀測(cè)。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星氣象應(yīng)用的開展，可以促進(jìn)我國(guó)天氣分析和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候變化監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，也可以提高空間天氣預(yù)警業(yè)務(wù)水平，提升我國(guó)氣象防災(zāi)減災(zāi)的能力。除此之外，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的氣象應(yīng)用對(duì)推動(dòng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星創(chuàng)新應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)拓展也具有重要的影響。

（4）應(yīng)急救援

衛(wèi)星導(dǎo)航已廣泛用于沙漠、山區(qū)、海洋等人煙稀少地區(qū)的搜索救援。在發(fā)生地震、洪災(zāi)等重大災(zāi)害時(shí)，救援成功的關(guān)鍵在于及時(shí)了解災(zāi)情并迅速到達(dá)救援地點(diǎn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除導(dǎo)航定位外，還具備短報(bào)文通信功能，通過衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可及時(shí)報(bào)告所處位置和受災(zāi)情況，有效縮短救援搜尋時(shí)間，提高搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)效，大大減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失。

（5）精細(xì)農(nóng)業(yè)

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式由傳統(tǒng)粗放式耕作轉(zhuǎn)為精細(xì)管理成為可能，通過將衛(wèi)星導(dǎo)航和地理信息相結(jié)合并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可有效提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、降低成本、保護(hù)環(huán)境。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位服務(wù)，可有效支持現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，充分利用農(nóng)業(yè)資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

（6）各類交通運(yùn)輸應(yīng)用

① 道路交通管理。衛(wèi)星導(dǎo)航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車輛上安裝衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內(nèi)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。這些位置信息可用于道路交通管理。例如，指示車輛走暢通的道路，限制進(jìn)入擁擠的道路，或通告司機(jī)前方擁堵的情況，建議走車輛較少的路線。如果車輛超速行駛而發(fā)生交通事故，則撞車時(shí)的速度、位置和時(shí)間信息均會(huì)被記錄在上，作為判斷是否違章的依據(jù)；如果車輛被盜或被搶，衛(wèi)星導(dǎo)航會(huì)很快發(fā)現(xiàn)并跟蹤其位置，使盜賊無處藏身。

② 鐵路智能交通。衛(wèi)星導(dǎo)航將促進(jìn)傳統(tǒng)運(yùn)輸方式實(shí)現(xiàn)升級(jí)與轉(zhuǎn)型。例如，在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，通過安裝衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，可極大縮短列車行駛間隔時(shí)間，降低運(yùn)輸成本，有效提高運(yùn)輸效率。未來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將提供高可靠、高精度的定位、測(cè)速、授時(shí)服務(wù)，促進(jìn)鐵路交通的現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度向智能交通管理的轉(zhuǎn)型。

③ 海運(yùn)和水運(yùn)。海運(yùn)和水運(yùn)是全世界最廣泛的運(yùn)輸方式之一，也是衛(wèi)星導(dǎo)航最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，使海上和水路運(yùn)輸更為高效和安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導(dǎo)航定位和安全保障。同時(shí)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報(bào)文通信功能將支持各種新型服務(wù)的開發(fā)。

④ 航空運(yùn)輸。當(dāng)飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)跑道著陸時(shí)，最基本的要求是確保飛機(jī)相互間的安全距離。利用衛(wèi)星導(dǎo)航精確定位與測(cè)速的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)時(shí)確定飛機(jī)的瞬時(shí)位置，有效減小飛機(jī)之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)盲降，極大提高飛行安全和機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率。通過將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的有效結(jié)合，將為航空運(yùn)輸提供更多的安全保障。

⑤ 特殊貨物運(yùn)輸監(jiān)管。通過衛(wèi)星導(dǎo)航，可實(shí)現(xiàn)對(duì)貴重貨物或危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)倪h(yuǎn)程跟蹤與監(jiān)管，是現(xiàn)代物流業(yè)的新應(yīng)用。為確保特殊貨物在交通運(yùn)輸各個(gè)環(huán)節(jié)中的安全，客戶希望了解貨物在運(yùn)輸途中的有關(guān)情況。安裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的車輛，支持實(shí)時(shí)查詢貨物位置或到達(dá)信息，通過與相關(guān)設(shè)備的配合，在車輛偏離預(yù)定路徑、發(fā)生盜搶、交通事故等意外情況下，可支持車輛位置及有關(guān)情況的報(bào)告，實(shí)現(xiàn)有效的全過程運(yùn)輸監(jiān)管。