北斗衛(wèi)星導航技術(shù)研究及應用

◆令曉靜

北斗衛(wèi)星導航技術(shù)研究及應用

◆令曉靜

（陜西省東莊水利樞紐工程建設有限責任公司 陜西 710000）

近年來，衛(wèi)星導航技術(shù)發(fā)展迅速，全球有4個發(fā)展比較成熟衛(wèi)星導航系統(tǒng)：美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONASS、中國的北斗和歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)Galileo，可不間斷地為世界各地的用戶提供高精度的授時、定位、導航服務，北斗是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，將其應用于交通行業(yè)車輛定位管理系統(tǒng)中，可有效提高車輛運行安全性和管理水平。

GPS；GLONASS；Galileo；北斗；車輛定位管理系統(tǒng)

近年來，衛(wèi)星導航技術(shù)的發(fā)展迅速，美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo Navigation Satellite System，Galileo）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite system，GLONASS）和中國的北斗已經(jīng)大規(guī)模的商用，取得了舉世矚目的成績，服務于全球，為世界各地的用戶提供高精度定位、導航、授時服務[1]。北斗是我國自主研發(fā)的全球第三個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，廣泛應用于交通、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、防災減災、電力、金融等領域，尤其是交通運輸行業(yè)，交通運輸與社會發(fā)展、國民經(jīng)濟以及人民生活息息相關，北斗有助于實現(xiàn)交通運輸行業(yè)現(xiàn)代化和信息化，對建立安全、高效、暢通、綠色的現(xiàn)代交通運輸體系具有戰(zhàn)略意義[2]。隨著4G、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，北斗與新技術(shù)深度融合的產(chǎn)品層出不窮，在車輛上安裝高精度定位終端設備，可以監(jiān)控車輛運行軌跡，有效遏制車輛超速、偏離預定路線等問題，降低交通安全隱患，提高車輛安全運行能力和管理水平。

1 國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)

1.1 GPS

GPS是全球第一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，起源于美國軍方項目，20世紀70年代，由美國陸、海、空三軍聯(lián)合研制，最初應用于軍事領域，主要為陸海空國防領域提供全天候、全天時、高可靠和高精度的授時、導航、定位服務，并應用在導彈發(fā)射、搜集情報以及應急通訊等方面。隨著項目的完善發(fā)展，逐漸成為世界范圍內(nèi)受歡迎的一項重要軍民兩用技術(shù)。GPS的空間星座由24顆工作衛(wèi)星組成，其中，21顆衛(wèi)星正在工作，3顆備用衛(wèi)星，位于距離地表20200公里的上空，運行在6個軌道面上，平均每個軌道平面有4顆衛(wèi)星等間隔分布，軌道傾斜角為55°，運行周期為11h 58min[3]。在全球任何時間、任何地方觀測者都能看到4顆以上的衛(wèi)星，并根據(jù)衛(wèi)星到觀測者的距離計算出觀測者所在位置。GPS具有信號穿透性強、覆蓋率高、三維定位測速導航精度高、高效快速、可移動定位等特點，在世界范圍得到廣泛的應用。

1.2 格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONASS

70年代中期蘇聯(lián)開始研制GLONASS，蘇聯(lián)解體后，由俄羅斯繼續(xù)該項目的研制，1995年完成空間星座部署，2007年為俄羅斯本土提供定位、導航服務，2009年服務于全球范圍，可為世界各地的用戶提供陸?？杖轿豢臻g高精度服務，廣泛應用于軍事和民用項目，滿足時間、三維速度、三維位置信息的需求。GLONASS 的星座由分布在3個軌道平面上的24 顆中高軌道衛(wèi)星組成，其中21顆衛(wèi)星正在工作，3顆衛(wèi)星備用，平均每個軌道平面有8顆衛(wèi)星等間隔分布，位于距離地球19100公里的高空，軌道傾斜角為64.8°，運行周期為 11h 15min 44s[3]。GPS采用碼分多址方式，根據(jù)調(diào)制碼區(qū)分衛(wèi)星；GLONASS采用頻分多址方式，根據(jù)載波頻率來區(qū)分不同的衛(wèi)星，用不同頻率的載波調(diào)制偽隨機碼，每顆衛(wèi)星發(fā)射兩個載波信號L1和L2，民用碼僅調(diào)制在L1上，軍用碼調(diào)制在L1和L2雙頻上。

1.3 伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)Galileo

Galileo是由歐盟研制的全球第一個民用衛(wèi)星導航系統(tǒng)，2002年正式啟動實施伽利略計劃，2016年開始投入運行，2019年全面建成提供服務，實現(xiàn)完全非軍方組織管理和控制，提供全球范圍內(nèi)的高可靠性、高精度導航、定位、授時服務。Galileo系統(tǒng)已完成衛(wèi)星星座的部署，由30 顆中圓地球軌道衛(wèi)星組成，包括24顆提供服務的導航衛(wèi)星及6顆備用衛(wèi)星，軌道高度約為23222公里，運行于傾角為56度的3個圓形軌道平面上，每個軌道面上有8顆工作衛(wèi)星和2顆備用衛(wèi)星，繞地球一周需要14h 22min 42s[4]。Galileo采用高精度星載原子鐘和BOC調(diào)制方法，容易實現(xiàn)與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)的兼容與互操作，衛(wèi)星在兩個頻段發(fā)送民用信號，信號接收效果更好，定位導航精度更高。此外，還支持搜索與救援服務SAR功能，搜救中心接到求救信號后，系統(tǒng)反饋響應信息給求救者，增強求救者等待救援的信心[5]。

2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

2.1 概述

北斗是由我國獨立研制運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，繼美國、俄羅斯之后全球第三個導航定位系統(tǒng)，可以為世界各地的用戶提供高精度的定位授時導航服務[4]。北斗系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：1994年啟動北斗一號建設，由四顆地球靜止軌道衛(wèi)星構(gòu)成，北斗一號是探索性的第一步，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)從無到有，成為繼美國、俄羅斯之后第三個擁有自己衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家，采用有源定位體制，初步滿足中國本土及周邊的定位導航授時需求。2004年啟動北斗二號建設，2012年完成14顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，由4顆中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO）、5顆傾斜地球軌道衛(wèi)星（IGSO）和5顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO），創(chuàng)建中國獨有的中高軌混合星座架構(gòu)，北斗二號兼容北斗一號的技術(shù)體制，新增無源定位體制，服務于亞太地區(qū)。2009年啟動北斗三號，2020年完成北斗三號混合導航星座建設，由3GEO+3IGSO+24MEO組成，向前兼容有源和無源定位體制，為全球用戶提供服務[5]。

2.2 定位原理

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位方法是幾何學的三球交匯原理。衛(wèi)星發(fā)射導航電文和測距信號，某一時刻地球上的用戶能夠同時接收到三顆以上衛(wèi)星信號，接收到的導航電文中包含衛(wèi)星的位置信息，然后測量出三顆衛(wèi)星和用戶之間距離，分別以三個導航衛(wèi)星為球心，接到信號的衛(wèi)星到用戶的距離為半徑畫球，得到三個圓球，用戶位置一定在三球交匯點上，三個球面相交得兩個點，根據(jù)地理常識排除一個不合理點，另一個點就是用戶所在位置，通過星歷解算出衛(wèi)星的空間坐標[5]。

2.2 北斗系統(tǒng)的特點

北斗支持國際衛(wèi)星導航系統(tǒng)通用服務，除了定位、測速、授時、導航服務RNSS和國際搜救服務SAR外，還有自己的獨特之處。第一，獨創(chuàng)了GEO（俗稱吉星）、IGSO（俗稱愛星）、MEO（俗稱萌星）三種軌道衛(wèi)星組成混合星座架構(gòu)，集成不同軌道的優(yōu)勢，具有覆蓋全球、突出區(qū)域、功能豐富等優(yōu)點，覆蓋范圍廣，抗遮擋能力強。第二，北斗是全球第一個提供三頻信號服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，使用三頻信號可構(gòu)建更復雜模型消除電離層延遲的高階誤差，提高載波相位模糊度的解算效率和載波收斂速度，提升服務準確性[6]。第三，獨創(chuàng)了通導一體化設計，采用通信和導航相結(jié)合體制，通過GEO吉星、MEO萌星向亞太區(qū)域和全球用戶提供短報文通信服務SMS，SMS功能使用方便、價格便宜，在漁業(yè)和救災中獲得廣泛應用。第四，美歐俄等系統(tǒng)獨立建設衛(wèi)星導航系統(tǒng)和星基增強系統(tǒng)，中國基于北斗高軌衛(wèi)星的資源優(yōu)勢，向民航等生命安全高價值用戶提供一體化星基增強服務SMBS，實現(xiàn)功能融合和集約高效。第五，支持地基增強、星基增強、精密單點定位等方式，只有Galileo和北斗提供特色高精度服務PPP，實現(xiàn)靜態(tài)厘米級、動態(tài)分米級的高精度服務[11]。

3 北斗系統(tǒng)的應用

3.1 需求分析

東莊水利樞紐工程位于涇河下游峽谷末端禮泉縣叱干鎮(zhèn)東莊村、淳化縣車塢鄉(xiāng)河段處，施工區(qū)域主要包含壩區(qū)配套施工區(qū)，水墊塘、二道壩及廠房等施工區(qū)，導流工程圍堰施工區(qū)，110kV施工變電站，施工供水和配水管網(wǎng)，龍塬基地等約覆蓋20km2范圍。施工區(qū)地處山區(qū)，地形高、低落差大，道路蜿蜒曲折且有多急彎路段，施工區(qū)內(nèi)運行的車輛主要以大型工程車為主，受自然條件及道路制約，對施工區(qū)內(nèi)車輛行駛安全構(gòu)成很大隱患。為有效管控施工區(qū)內(nèi)車輛，亟需建設一套車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)，對進入施工區(qū)范圍的車輛進行管理，保障車輛運行過程中的安全，以滿足公司業(yè)務要求及未來發(fā)展的需要。

3.2 工作原理

車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)由后端管理平臺和車載終端設備構(gòu)成，以北斗衛(wèi)星導航技術(shù)為基礎，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）和4G技術(shù)，對車輛運行狀態(tài)進行信息化管理和全過程監(jiān)管，充分實現(xiàn)車輛綜合信息的動態(tài)監(jiān)管，進一步提高車輛的監(jiān)控和應急指揮調(diào)度能力，有效提高車輛管理水平和管理效率，降低運行成本，保障車輛運行過程中的安全性。后端管理平臺完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲以及業(yè)務應用等工作，通過后臺可以監(jiān)控所有車輛運行信息；車載終端能實時接收衛(wèi)星信號，并將衛(wèi)星檢測到的車輛的狀態(tài)信息（經(jīng)度、緯度、時間、方向、速度）、設備情況和報警信息等周期性地傳到基站，基站將接收到的信息通過無線公網(wǎng)傳給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將信息進行加工整理后供管理人員查閱，完成系統(tǒng)對車輛的監(jiān)控管理工作。

3.3 系統(tǒng)功能

依據(jù)工程建設對施工車輛的管理要求，對行業(yè)內(nèi)主流設備廠家進行詢價，經(jīng)過綜合分析，選用途星車輛定位管理系統(tǒng)，對施工區(qū)內(nèi)運行的工程車輛安裝車載定位設備，利用車輛管理平臺軟件進行管控。系統(tǒng)具有以下功能：第一，對車輛進行實時定位，支持GPS/北斗等多種定位系統(tǒng)，定位精確度為1米，車載終端每15秒將車輛位置、方向、速度上報平臺一次；第二，可設定電子圍欄限定行車范圍，支持圓形、舉行、多邊形等區(qū)域，當車輛駛出設定的區(qū)域范圍時，將觸發(fā)超越設定區(qū)域報警，監(jiān)控中心第一時間接到越界報警；第三，根據(jù)實際路況分段設置不同限速閥值，超速管理更精確，當車輛超速行駛時，終端設備會立即發(fā)出超速報警數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心；第四，實時跟蹤車輛并記錄車輛歷史行駛軌跡，可查詢一年內(nèi)歷史行駛軌跡記錄，支持手動回放車輛行駛路線；支持百度、高德等多種GIS地圖，可隨意切換查詢方式，并預留豐富的軟硬件接口，方便維護、升級和擴展，針對山區(qū)部分區(qū)域信號弱的情況，可搭載自行開發(fā)的BIM/GIS平臺實現(xiàn)更準確的定位；第六，當車輛處于信號盲區(qū)或出現(xiàn)短暫的網(wǎng)絡阻塞時，終端會自動存儲信息，待信號覆蓋良好時，自動把盲區(qū)所存儲的數(shù)據(jù)補發(fā)到數(shù)據(jù)交換中心；第七，可提供行駛報表、位置報表、超速報表、停車報表、里程報表、點火報表等多種報表查詢，均可導出Excel文件。

5 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國為了經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全需要，獨立開發(fā)、自主建設的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的導航定位授時服務[12]。北斗系統(tǒng)按照“三步走”戰(zhàn)略的實施，循序漸進，不斷發(fā)展，逐步實現(xiàn)從覆蓋我國、到覆蓋亞太區(qū)域，再到服務于全球，多年來，北斗一直堅持“自主、開放、兼容、漸進”的發(fā)展原則，注重與世界主流衛(wèi)星導航系統(tǒng)如GPS、GLONASS和Galileo等系統(tǒng)的兼容與互操作，未來北斗將不斷建設完善，更好地服務于全球用戶。將北斗應用在車輛定位管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輛在行使、作業(yè)全過程的監(jiān)管，為車輛的安全行駛和科學管理提供保障。

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