北斗定位導航技術的應用及展望分析

摘要：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)分為北斗一號和北斗二號兩部分。當前，全世界一共有四套獨立的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即GPS、Galileo、GLONASS以及中國的北斗。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的綜合技術實力能抗衡美國GPS，對中國的社會發(fā)展、國防建設有著巨大市場與前景。文章對北斗技術在新時代的大背景下對我國的戰(zhàn)略意義及其發(fā)展前景進行了分析。

關鍵詞：北斗技術；定位導航技術；發(fā)展前景；衛(wèi)星導航系統(tǒng)；國防建設 文獻標識碼：A

中圖分類號：P228 文章編號：1009-2374（2017）10-0055-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.027

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其綜合技術實力能抗衡美國GPS，對中國的社會發(fā)展、國防建設有著巨大市場與前景。本文對北斗技術在新時代的大背景下對我國的戰(zhàn)略意義及其發(fā)展前景進行了分析。隨著我國各行各業(yè)對GPS的廣泛應用，致使我國各行業(yè)甚至國防事業(yè)對GPS的依賴性越來越強，這對我國經濟發(fā)展與國防安全而言，就相當于埋下了一顆定時炸彈，后果可想而知。我國已經充分重視到擁有獨立完善并且可與GPS抗衡的本國衛(wèi)星導航系統(tǒng)對國家經濟發(fā)展與國家戰(zhàn)略安全的至關重要性。

目前我國已經在亞太區(qū)域部分地區(qū)進行了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號覆蓋，并且這些地區(qū)已經得到了北斗衛(wèi)星導航的服務。我國還計劃在2020年實現(xiàn)全球衛(wèi)星導航，并在此前淘汰所有只使用GPS信號的各行業(yè)設備，停用所有屆時對北斗衛(wèi)星導航有信號干擾現(xiàn)象的設備。

1 北斗衛(wèi)星導航技術概述

北斗一號（北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)），其工作原理如圖1所示：

由地面站通過兩顆同步衛(wèi)星發(fā)送信號給用戶，用戶在接到信號后對此做出反應，再由這兩顆同步衛(wèi)星反饋給地面站，通過地面站、用戶和衛(wèi)星之間往返的信號便可確認用戶的位置，最后地面站通過衛(wèi)星發(fā)送確認后的位置信息，最終實現(xiàn)定位。

北斗二號（北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）的開發(fā)研制是基于北斗一號（北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)）之上，主要組成部分有地面段、用戶段和空間段三部分，主要采用無源定位。以東方紅-3號作為平臺衛(wèi)星的空間段，主要組成部分有靜止軌道衛(wèi)星（5顆）、地球軌道衛(wèi)星（27顆）和傾斜同步軌道（3顆），地面段的主要組成部分有監(jiān)測站、上行注入站和主控站。用戶端的主要組成部分有用戶終端和其他與北斗兼容的用戶終端?？臻g段的35顆衛(wèi)星環(huán)繞地球，從而在任何時間都至少有4顆及以上數量的衛(wèi)星能夠接受到地球上的任何一個點。由于衛(wèi)星在地球上空環(huán)繞的周期和位置是精確并且已知的，所以在這些衛(wèi)星接收到來自地球上的任何點的信號時，便很容易計算出衛(wèi)星與用戶之間的距離，最后只需要利用3顆衛(wèi)星組成三個三維坐標的距離方程，即方程中X、Y、Z的結果便就是用戶端的精確位置。但是在實際計算過程中還需要考慮到用戶的時間誤差，因此導致存在X、Y、Z和時間差四個未知數，這時候就需要第四顆衛(wèi)星組成四個方程式來對四個未知數進行求解，如式（1）定位授時原理所示：

2 北斗自身優(yōu)勢

2.1 技術優(yōu)勢使得北斗的核心技術國產化

武器制導精確使導航在新時期的應用取得重大發(fā)展，對于殺傷力較大的武器系統(tǒng)，如炮彈、導彈等，增加1倍的命中精度就等于提高了8倍的威力。精確制導武器的快速發(fā)展也正是因為高精度在新型導航系統(tǒng)上得到了明顯的體現(xiàn)。最重要的是，我國憑借北斗的研制成功，最終擺脫了各領域包括國防建設對GPS的長期依賴。

北斗還具備世界上任何一個導航系統(tǒng)都不具備的特殊功能，即短信報文功能，它每次能輸入最多120個漢字的信息，這項功能應用在航海領域將具有極其重要的意義。GPS是被動地接收定位信號，而北斗不僅能讓用戶端知道“我在哪里”，還能通過短信報文功能讓別人知道“我在哪里”，在面臨突發(fā)災害事件時，搜救直升機往往因為GPS定位原理的限制大大影響了搜救能力，因此北斗在技術層面上有著GPS無法超越的一面。

2.2 導航戰(zhàn)成為了北斗在戰(zhàn)略上的優(yōu)勢

導航戰(zhàn)是指戰(zhàn)場上對GPS的阻止、利用和反利用、保護等一系列手段。

由于GPS的核心技術由美國單方面掌握，因此當導航戰(zhàn)應用在美軍和其敵方時，戰(zhàn)斗幾乎可以理解為完全由美軍單方面主導。例如2002年阿富汗戰(zhàn)爭，阿富汗全境被美軍強制停止使用GPS，阿富汗因此損失慘重。美國提出導航戰(zhàn)計劃，對外宣稱是為了保護美國與同盟國在軍事上對GPS的使用，以達到停止敵方在美國規(guī)定的時間和地點使用GPS的目的。綜上所述，如果我國作為美國的敵對國并且沒有屬于自己的衛(wèi)星導航，美國將會隨時切斷我們國家在軍事上對GPS的依賴，這種局面無異于在國防安全領域親自埋下了定時炸彈。

3 北斗技術的應用

北斗的出現(xiàn)不僅使人們在導航產品上有了全新的選擇，在國防軍事領域，北斗的運用更是對作戰(zhàn)效率的提高、成本的降低、行駛車輛的安全等各方面都有很大基礎保障。在國內民用部門對GPS的運用方面，特別是國內邊遠地區(qū)和遠洋航海，美國可不經過任何部門許可而單方面關閉GPS，這對我國的交通運輸在很大程度上存在非常嚴重的安全隱患，然而北斗星的出現(xiàn)打破了GPS對我國導航領域的多年壟斷。

通過車輛跟蹤技術可將車輛信息反饋到調度中心，并結合車輛跟蹤技術，在讓車輛自身知道自己的位置的同時，也能隨時與指揮中心取得聯(lián)系，方便接收下達的執(zhí)行指令。

為了保障國家空中交通運行的高效性和安全性，相關部門研制開發(fā)了空中交通管制系統(tǒng)。國際航空組織根據目前出現(xiàn)的新的衛(wèi)星導航、數據通信以及衛(wèi)星通信等研究并建立了CNS/ATM這個全新的概念，以適應空中交通的不斷發(fā)展變化的各種需求。北斗的出現(xiàn)讓作為CNS/ATM核心的衛(wèi)星導航有了更進一步的技術提升，為空中交通不斷發(fā)展提供了更加有力的后勤保障。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和其他任何導航系統(tǒng)一樣，能夠為所有用戶提供準確授時功能的服務。然而建立統(tǒng)一的時間標準將隨著全球一體化加快而展現(xiàn)出更為重要的一面，例如通信調頻，發(fā)射機成百上千次的跳變頻率，必須要求接收機知道發(fā)射機的跳變規(guī)律才能正常得到接收。

北斗系統(tǒng)獨有的雙向報文功能不僅能讓用戶實現(xiàn)“我在哪里”，還能讓別人知道“我在哪里”。這項功能夠為指揮中心與災區(qū)救援現(xiàn)場隨時取得聯(lián)系提供了有力保障，為災區(qū)救援工作做出了卓越貢獻。例如北斗系統(tǒng)在2008年汶川特大地震救災工作中的有效使用，使得救災工作不再受通信影響，保證救災指揮中心與災區(qū)的救援現(xiàn)場能夠隨時取得聯(lián)系，救災人員有的放矢，保障了救災工作順利進行。

通過北斗在試驗過程對航海定位的精度分析，利用AIS船載識別系統(tǒng)對船舶在航行過程中的多項信息以及船舶周圍的信息進行自動獲取，并將這些信息發(fā)送到終端系統(tǒng)。AIS船載識別系統(tǒng)會在收到這些信息以后，將自動把這些信息傳輸到北斗衛(wèi)星，衛(wèi)星再對控制中心進行信息發(fā)送?？刂浦行脑谑盏竭@些信息以后，通過對AIS信息的解碼讀取以及多處基站信息進行處理后傳輸到數據庫，最終使監(jiān)控系統(tǒng)根據數據庫里的信息得到航海船舶的具體綜合信息并以最直觀的形式出現(xiàn)在電子屏幕上，從而對航海船舶的定位進行實時監(jiān)控。

針對北斗衛(wèi)星對航海船舶的定位精度，可通過數據表格的形式進行直觀分析（如表1），對于船舶信息數據的讀取時間間隔是2s，基線的間隔為482m。因此可以計算出北斗導航系統(tǒng)的定位精度是0.32～0.43m。

現(xiàn)如今，北斗導航在工程車輛領域的推廣已經充分奠定了外部環(huán)境，說明北斗導航在工程車輛領域迎來了非常良好的推廣契機。隨著我國城市建設發(fā)展腳步的加快，我國工程車輛增長速度也隨之加快。而北斗導航系統(tǒng)與世界其他三大導航系統(tǒng)相比，具有很多方面的優(yōu)勢，開創(chuàng)了世界各國所有導航系統(tǒng)中都不曾擁有的導航通訊功能，并且北斗導航系統(tǒng)幾乎不存在通訊盲區(qū)，因此憑借諸多優(yōu)勢能夠極大提高與其他導航系統(tǒng)的競爭力。目前，我國大部分導航應用市場仍然被GPS所占據，然而我國安裝運用導航設備的工程車輛數量非常小，市場空間非常廣闊。北斗導航系統(tǒng)使我國的導航核心技術不再受制于人，同時使我國導航技術后來居上，功能強大、穩(wěn)定可靠。我國工程車輛導航市場潛力巨大，這為北斗導航系統(tǒng)的發(fā)展提供了非常廣闊的空間，使我國北斗衛(wèi)星導航產業(yè)得以快速發(fā)展。

4 結語

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國第一個自主研制開發(fā)并最終投入使用的導航系統(tǒng)，并且是世界上被聯(lián)合國認可的第三個衛(wèi)星海上導航系統(tǒng)，綜合了傳統(tǒng)導航和無線電導航的所有優(yōu)點，可以為所有用戶在地球上任何時間和任何地點提供定位導航等服務，其綜合應用前景非常廣闊。北斗的出現(xiàn)讓我國結束了導航技術多年來受制于人的尷尬局面，北斗導航系統(tǒng)也隨著規(guī)?；ㄔO，其重大的歷史機遇也將成為現(xiàn)實。

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作者簡介：盤貽峰（1983-），男，廣西富川人，廣西壯族自治區(qū)地理國情監(jiān)測院測繪工程師，研究方向：大地測量及數據處理。

（責任編輯：蔣建華）