北斗定位導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用及展望

黃忠怡

摘 要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分為北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)（北斗一號）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗二號）兩部分，是我國正在自主研發(fā)、獨立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。作為能夠與美國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)用市場和發(fā)展前景。下文主要介紹了北斗定位導(dǎo)航技術(shù)對于我國的戰(zhàn)略優(yōu)勢以及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航 定位精確 戰(zhàn)略優(yōu)勢 應(yīng)用展望

我國已于2012年完成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對亞太部分地區(qū)的信號覆蓋并正式提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。根據(jù)規(guī)劃，我國將在2020年完成北斗二號的建設(shè)，屆時將實現(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信號設(shè)備，對有潛在干擾和破壞的GPS信號設(shè)備停用，分幾年幾個階段，分別通過試裝、改裝、新建等幾個步驟，完成北斗或北斗兼容平臺及設(shè)備的普及。

1、北斗技術(shù)簡述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)（北斗一號）的工作原理：地面站發(fā)送信號經(jīng)由兩顆同步定點衛(wèi)星發(fā)送給用戶，用戶對信號做出響應(yīng)，經(jīng)兩顆衛(wèi)星發(fā)送到地面站，根據(jù)信號在地面站、衛(wèi)星、用戶之間的往返來測定用戶的位置，地面站將位置信息通過衛(wèi)星發(fā)送給用戶，從而實現(xiàn)定位。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗二號）是在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)（北斗一號）的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制，采用無源定位機(jī)制，由空間段、地面段和用戶段三部分組成?？臻g段采用東方紅一3號衛(wèi)星平臺，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、上行注人站和監(jiān)測站組成。用戶段由北斗用戶終端，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，地面上任何一點都可以在任何時間接收到4顆以上的衛(wèi)星信號。因為衛(wèi)星的位置是精確已知的，所以在定位的過程中很容易就可以知道衛(wèi)星到用戶的距離。利用三維坐標(biāo)距離方程，只需利用3顆衛(wèi)星組成三個方程，解出X.Y，Z就可以知道用戶的精確位置（三球交匯定位原理）。但是實際中考慮到衛(wèi)星的時鐘和用戶端的時鐘可能會有誤差，這樣在進(jìn)行定位的方程中就會有四個未知數(shù)，即X，Y，Z和時間差。所以在定位的過程中需要第四顆衛(wèi)星，這樣就能得到用戶端的經(jīng)緯度和高程。

在實際的工作過程中，用戶端可以輕易地鎖定四顆以上的衛(wèi)星。這樣用戶端就會根據(jù)衛(wèi)星的分布挑選出誤差最小的四顆衛(wèi)星用作定位，從而實現(xiàn)精確定位。由于大氣中的對流層和電離層對信號的影響較大，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)站來進(jìn)行衛(wèi)星觀測，利用已知的基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)與觀測值進(jìn)行比較來得出一組修正數(shù)，用戶端接收到基準(zhǔn)站發(fā)布的修正數(shù)與自身的觀測值進(jìn)行比較，消去大部分的誤差之后得到一個比較準(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法與美國的GPS相比，但是仍然具備GPS沒有的優(yōu)點。比如具備簡短的報文通信功能和雙向報文通信能力；受地形地貌影響小，不存在GPS的林下無信號的情況（GPS衛(wèi)星只有幾十瓦的發(fā)射功率）并且滿足既定位又報告位置的要求且響應(yīng)時間為1s，

2、北斗的優(yōu)勢

2.1 北斗的技術(shù)優(yōu)勢

核心技術(shù)的國產(chǎn)化。精確武器制導(dǎo)是新時期導(dǎo)航應(yīng)用的又一重大發(fā)展，它使軍事?lián)岆U樣式發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。對于導(dǎo)彈、炸彈和炮彈這些武器系統(tǒng)的殺傷力來說，命中精度提高1倍相當(dāng)于加大8倍的爆炸力，正是因為新型導(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)的誕生使我國的精確制導(dǎo)武器擺脫了對于GPS技術(shù)的依賴。

并且北斗不只是簡單的取代了GPS而已，其獨有的短信報文功能是世界上任何一個國家的導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的，它可以一次傳輸達(dá)到120個漢字的信息。這在遠(yuǎn)洋航行中具有重要的應(yīng)用價值，GPS只是接收型的定位系統(tǒng)，用戶只需要接收信號就能夠?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)層面上無法取代北斗。

2.2 北斗的戰(zhàn)略優(yōu)勢

導(dǎo)航戰(zhàn)。在戰(zhàn)時和戰(zhàn)場區(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是美國研制和掌握的系統(tǒng)，在美軍和其敵對方進(jìn)行對抗時，可使用的導(dǎo)航技術(shù)不完全對稱。

1996年美軍開始實施導(dǎo)航戰(zhàn)計劃，其內(nèi)容和目標(biāo)為：保護(hù)美國及其盟國對GPS的軍事應(yīng)用，防止敵對方利用GPS保持民用無線電導(dǎo)航的和平利用。阻止敵對方利用GPS與美軍對抗是導(dǎo)航戰(zhàn)的主要目標(biāo)之一，它的內(nèi)容是讓敵對方在戰(zhàn)場區(qū)域或者在美軍規(guī)定的時間與區(qū)域GPS不能工作。

如果我們沒有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，就相當(dāng)于在國防安全上給自己埋下了一顆定時炸彈。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)行對抗，后果可想而知。

3、北斗技術(shù)的應(yīng)用及展望

3.1 車輛導(dǎo)航

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

3.2 車輛跟蹤與調(diào)度

車輛跟蹤與調(diào)度技術(shù)與車輛導(dǎo)航有所不同，車輛導(dǎo)航技術(shù)是將車輛位置和行駛路線信息顯示給車輛駕駛員，而車輛跟蹤與調(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。將這項技術(shù)結(jié)合車輛導(dǎo)航并通過北斗系統(tǒng)在我國相關(guān)領(lǐng)域中實現(xiàn)，不僅可以讓車輛知道自己在什么位置，也方便指揮中心對其下達(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，美國軍方可以關(guān)閉或者降低GPS民用的性能，而并不需要民用部門的認(rèn)可。

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)國際民用航空從20世紀(jì)90年代初開始逐漸向CNS/ATM系統(tǒng)過渡。衛(wèi)星導(dǎo)航是CNS/ATM的核心系統(tǒng)之一，它不僅是實現(xiàn)導(dǎo)航和ADS（先進(jìn)設(shè)計系統(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 授時功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和美國的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，為用戶提供授時服務(wù)。隨著全球一體化的進(jìn)程，統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)顯得更加童要，尤其是在機(jī)器與機(jī)器之間的對話和對機(jī)器的控制領(lǐng)域。

3.6通信技術(shù)

北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)所獨有的雙向報文通信功能使北斗不僅解決了“我在哪里”的問題，還能讓別人知道“我在哪里，情況如何。“北斗一號”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由于不受通訊信號和空間距離的影響，一臺主指揮機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星定位之后，可連接多部類似于手機(jī)的“北斗一號”終端機(jī)，終端機(jī)每次可編寫40多字的短信發(fā)送到指定手機(jī)上。這項功能確保了救災(zāi)指揮部與災(zāi)區(qū)的救災(zāi)部隊的隨時聯(lián)系，為救災(zāi)指令的通暢做出了巨大的貢獻(xiàn)。

4、結(jié)語

作為我國首個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和世界第三個被聯(lián)合國認(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)，北斗將迎來規(guī)模化、國際化、社會化的重大歷史機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)

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