北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用研究綜述

苗仲華

摘 要：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)又稱(chēng)雙星快速定位通訊系統(tǒng)，基本功能有快速導(dǎo)航和定位、雙向通訊、發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。它是星基區(qū)域雙向主動(dòng)式無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全天候、高精度、連續(xù)、實(shí)時(shí)、快速的導(dǎo)航定位和多功能、多用途、高可靠性的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航

作為中國(guó)正在實(shí)施的自主研發(fā)并且獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略系統(tǒng)并稱(chēng)為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶(hù)端三部分組成，可以在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類(lèi)用戶(hù)提供高精度、高可靠性的定位、授時(shí)與導(dǎo)航服務(wù)，并且同時(shí)提供短報(bào)文的通信服務(wù)。中國(guó)以后生產(chǎn)定位服務(wù)設(shè)備的生產(chǎn)商，都將會(huì)提供對(duì)GPS和北斗系統(tǒng)的支持，這將會(huì)進(jìn)一步提高定位的精度。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始向中國(guó)及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航地位與授時(shí)服務(wù)，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，在交通、水文、氣象、海洋、通信、電力、軍事等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

一、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的必要性

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，也稱(chēng)天基定位、導(dǎo)航、授時(shí)（PNT）系統(tǒng)，已成為國(guó)家重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，是北斗時(shí)空信息服務(wù)體系的基石；也成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國(guó)地位和國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志；還是經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全、國(guó)土安全和公共安全的重大技術(shù)支撐和戰(zhàn)略威懾基礎(chǔ)資源；是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家與和諧社會(huì)、服務(wù)人民大眾、提升生活質(zhì)量的重要工具，將作為新一代信息技術(shù)核心動(dòng)力引領(lǐng)戰(zhàn)略性新興信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將為我國(guó)四化建設(shè)提供自主、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和可靠的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)，結(jié)束我國(guó)長(zhǎng)期依賴(lài)國(guó)外導(dǎo)航系統(tǒng)的局面。引進(jìn)國(guó)外導(dǎo)航用戶(hù)終端設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)不斷增長(zhǎng)的需求，國(guó)家不僅要擔(dān)負(fù)巨大的外匯支出，而且要隨時(shí)承受美國(guó)不斷變換的主權(quán)威懾，因此該系統(tǒng)對(duì)四化建設(shè)具有重要的政治、經(jīng)濟(jì)和軍事意義。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)促進(jìn)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈的行程，完善了國(guó)家的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣與保障體系，推動(dòng)了衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。所以，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的快速發(fā)展是必然的趨勢(shì)。

（二）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃與概況

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以說(shuō)是最重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，因此我國(guó)一直以來(lái)都很重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，并不停地努力探索與發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)外發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，我國(guó)分三個(gè)階段循序漸進(jìn)地實(shí)施自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)。

總之，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)分三個(gè)階段完成，從區(qū)域性有源服務(wù)能力到區(qū)域性無(wú)源服務(wù)能力，再進(jìn)而發(fā)展到全球性的無(wú)源服務(wù)能力，這是一個(gè)循序漸進(jìn)地發(fā)展過(guò)程。按照我國(guó)的北斗系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)主要包括關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)與攻關(guān)、工程建設(shè)、應(yīng)用推廣以及產(chǎn)業(yè)化等三大任務(wù)。到2020年，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將成為與美國(guó)GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo并列的四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在全球性無(wú)源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。

二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用研究

（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶(hù)端三部分組成：

1、空間端空間端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星；

2、地面端主要由主控站、注入站以及監(jiān)測(cè)站等地面站組成；

3、用戶(hù)端由北斗用戶(hù)終端以及與美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略等其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。

中國(guó)此前已經(jīng)成功發(fā)射四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星和十顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，并將在系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以建成獨(dú)立自主、開(kāi)放兼容、穩(wěn)定可靠、技術(shù)先進(jìn)、可覆蓋全球的導(dǎo)航系統(tǒng)為最終建設(shè)目標(biāo)。

（二）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的主要功能

1、快速定位

北斗定位系統(tǒng)采用的是主動(dòng)定位方式。具體說(shuō)來(lái)就是，先由用戶(hù)終端主動(dòng)向地面控制中心發(fā)出定位請(qǐng)求，也就是入站；然后地面控制中心根據(jù)接受到的用戶(hù)請(qǐng)求信號(hào)，測(cè)量或者計(jì)算出用戶(hù)與兩顆衛(wèi)星的距離。最后中心控制系統(tǒng)計(jì)算出用戶(hù)的精確位置，并進(jìn)行加密之后通過(guò)衛(wèi)星廣播出去，由用戶(hù)終端進(jìn)行接收，也就是出站。這樣就完成了與GPS精度相當(dāng)?shù)目焖賹?shí)時(shí)定位，定位精度為為20-100m。北斗定位系統(tǒng)可以為用戶(hù)提供高精度、全天候的快速實(shí)時(shí)定位服務(wù)，為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的所有用戶(hù)確定地理位置，同時(shí)也可以為用戶(hù)及相關(guān)部門(mén)提供導(dǎo)航服務(wù)。

2、簡(jiǎn)短報(bào)文通信

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有用戶(hù)與地面控制中心、用戶(hù)與用戶(hù)之間的雙向數(shù)字簡(jiǎn)短通信能力。用戶(hù)一次可以傳送40至60個(gè)漢字的簡(jiǎn)短報(bào)文信息，一般用戶(hù)可以單次或者多次傳輸文本信息。其中注冊(cè)用戶(hù)可以利用連續(xù)傳送的方式最多傳送120個(gè)漢字的信息。

3、精密授時(shí)

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)具有雙向和單向兩種授時(shí)功能，根據(jù)不同的精度要求，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定時(shí)傳送最新的授時(shí)信息給客戶(hù)端，完成北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)與用戶(hù)見(jiàn)的時(shí)間和頻率同步，供客戶(hù)修正與“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)間時(shí)間誤差。北斗系統(tǒng)的授時(shí)誤差在20納秒與100納秒之間，其中單向授時(shí)精度為100納秒，雙向授時(shí)精度可以高達(dá)20納秒。定位導(dǎo)航功能為北斗系統(tǒng)的主要功能，其在軍事和民用上都有廣闊的應(yīng)用前景。

（四）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在航海領(lǐng)域的應(yīng)用

“北斗一號(hào)”衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用地球同步衛(wèi)星為用戶(hù)提供快速定位、簡(jiǎn)短數(shù)字報(bào)文通信和授時(shí)服務(wù)的一種全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。較之于陸基導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它有更優(yōu)越的性能：

覆蓋范圍廣，其覆蓋范圍是在北緯50～550，東經(jīng)700～1400之間的一個(gè)心臟形區(qū)域，上大下小，基本上覆蓋了我國(guó)海區(qū)；

定位精度高，靜止水平誤差士20米，運(yùn)動(dòng)水平誤差士100米，經(jīng)過(guò)校標(biāo)（即相當(dāng)于差分）可達(dá)到士20米，同時(shí)還具有數(shù)字報(bào)文通信以及授時(shí)功能。因此，我們應(yīng)積極探索“北斗一號(hào)”衛(wèi)星定位系統(tǒng)在航海上的應(yīng)用。

隨著北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不斷完善與發(fā)展，它在航海技術(shù)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航、簡(jiǎn)短報(bào)文通信以及精密授時(shí)等功能。

（作者單位：北海航海保障中心青島航標(biāo)處日照航標(biāo)站）