北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀及進(jìn)展前景分析

1、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀及進(jìn)展前景分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀及進(jìn)展前景分析 引言 隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展壯大，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入了與定位、導(dǎo)航、授時(shí)、移動(dòng)通信和因特網(wǎng)等多源信息載體融合的新時(shí)期，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成了國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。始終以來(lái)，我國(guó)探究和進(jìn)展擁有自主學(xué)問(wèn)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的勝利建設(shè)，使我國(guó)成為了擁有自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，填補(bǔ)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的空白。該系統(tǒng)可為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，能與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，是我國(guó)重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。為此，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀及進(jìn)展前景進(jìn)行分析具有重要意義。 一、衛(wèi)星導(dǎo)航

2、系統(tǒng)進(jìn)呈現(xiàn)狀 目前，國(guó)際上有四大成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別為全球定位系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 一全球定位系統(tǒng)GPS GPS的討論源于美國(guó)的子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)。20世紀(jì)末，美國(guó)為實(shí)如今陸?？杖箢I(lǐng)域進(jìn)行實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，聯(lián)合陸?？杖娧兄屏诵乱淮男l(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，并于1994年建成并覆蓋全球范圍，打算2030年，投入使用第三代GPS系統(tǒng)。 目前，GPS技術(shù)已經(jīng)進(jìn)展成為國(guó)際性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域、多模式、多用處、多機(jī)型的服務(wù)，很多國(guó)家都在使用GPS終端設(shè)備，包括我們國(guó)家目前也在使用1。 二全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS GLONASS最早開(kāi)

3、發(fā)于蘇聯(lián)時(shí)期。1993年，俄羅斯開(kāi)始單獨(dú)建立國(guó)內(nèi)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);2021年，導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，服務(wù)范圍在俄羅斯境內(nèi);2021年，服務(wù)范圍拓展到全球;2021年，在全球正式運(yùn)行。 GLONASS與GPS一樣可為全球海陸空以及近地空間的各種用戶提供全天候、連續(xù)高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。其與GPS的兼容使用，可以提供更好的精度幾何因子，消除GPS的SA影響，進(jìn)一步提高定位精度2。 三伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。1999年，由歐洲委員會(huì)公布，2021年正式啟動(dòng)，2021年投入使用2。伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，

4、實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的導(dǎo)航和定位功能，是全球首個(gè)民用的導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于非軍方操縱、治理。其還能夠和其他成熟導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的兼容，可同時(shí)采集并組合各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的要求1。 四北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BeiDou Navigation Satellite System是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施1。 1985年至1994年，我國(guó)進(jìn)入自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的演示論證期。1994年至2021年，進(jìn)入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)研制的建設(shè)期。 1994年，啟動(dòng)北斗一號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè)。北斗一號(hào)系統(tǒng)可提供定位、授

5、時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)有源定位。2021年，增加發(fā)射的衛(wèi)星進(jìn)一步增添系統(tǒng)的性能。2021年，啟動(dòng)北斗二號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè)。該系統(tǒng)保存了北斗一號(hào)系統(tǒng)的雙向位置報(bào)告等功能，與GPS系統(tǒng)在許多方面都有著相像之處，且增加了無(wú)源定位體系。2021年，啟動(dòng)北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè)。2021年，完成14顆衛(wèi)星的組網(wǎng)，建成了覆蓋亞太區(qū)域、形成區(qū)域無(wú)源服務(wù)能力的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2021年底，完成19顆衛(wèi)星的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)北斗三號(hào)基本系統(tǒng)的組網(wǎng)建設(shè)，北斗三號(hào)系統(tǒng)由區(qū)域擴(kuò)展為全球服務(wù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式邁入全球時(shí)代1-3。 目前，正在實(shí)施北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè)。2021年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)打算發(fā)射810顆北斗導(dǎo)

6、航衛(wèi)星，將繼續(xù)進(jìn)行高密度全球組網(wǎng)建設(shè)，進(jìn)一步完善全球系統(tǒng)星座布局。打算2021年年底前，完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，全面建成北斗三號(hào)系統(tǒng)，形成全球無(wú)源服務(wù)能力，到達(dá)世界一流水平2-3。2035年，我國(guó)還將圍繞北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)這個(gè)核心內(nèi)容，完成更加泛在、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)PNT體系。 結(jié)合國(guó)情，我國(guó)主動(dòng)探究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)道路，已逐步形成了“三步走的進(jìn)展戰(zhàn)略。第一步：2000年底，建成北斗一號(hào)系統(tǒng)，向中國(guó)提供服務(wù)。第二步：2021年底，建成北斗二號(hào)系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)。第三步：打算在2021年前后，建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)1。目前，正在實(shí)施第三步進(jìn)展戰(zhàn)略。 二、北

7、斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)區(qū)為全球，包括“一帶一路國(guó)家和地區(qū)在內(nèi)的世界各地。目前，依據(jù)全球范圍測(cè)試評(píng)估結(jié)果，在北斗三號(hào)系統(tǒng)基本建成，并提供全球服務(wù)期間，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，在全球區(qū)域的定位精度優(yōu)于10米預(yù)期的定位精度10米，在亞太區(qū)域的定位精度優(yōu)于5米預(yù)期的定位精度5米，符合預(yù)期設(shè)定的指標(biāo)。 一北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由三大部分組成，包括空間星座空間段、地面操縱地面段和用戶終端用戶段1。 1. 空間星座空間段 空間星座是若干衛(wèi)星持續(xù)發(fā)射載有導(dǎo)航電文的無(wú)線電波，由地球上的各種接收機(jī)來(lái)接收信息并進(jìn)行應(yīng)用。若干衛(wèi)星是混合導(dǎo)航星座，由靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地

8、球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成。截止2021年12月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有15顆北斗二號(hào)和18顆北斗三號(hào)衛(wèi)星在軌工作，為全球提供服務(wù)。 2. 地面操縱地面段 地面操縱包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行治理設(shè)施，用來(lái)追蹤及操縱北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)。地面操縱主要是監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星;通過(guò)收集到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)航信息，修正與維護(hù)每顆衛(wèi)星的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)等，使空間星座的衛(wèi)星能正常運(yùn)行。 主控站：主要是收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，完成規(guī)劃及調(diào)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的操縱和治理。收集時(shí)間同步/注入站、監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，通過(guò)處理，形成衛(wèi)星導(dǎo)航電文，向衛(wèi)

9、星注入導(dǎo)航電文參數(shù)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星有效載荷等。 時(shí)間同步/注入站：依據(jù)主控站的統(tǒng)一調(diào)度，完成主要任務(wù)，包括注入衛(wèi)星導(dǎo)航電文參數(shù)，交換與主控站的數(shù)據(jù)、同步測(cè)量時(shí)間等。 監(jiān)測(cè)站：連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)導(dǎo)航衛(wèi)星，接收導(dǎo)航信號(hào)，將導(dǎo)航信號(hào)發(fā)送給主控站，提供觀測(cè)數(shù)據(jù)生成導(dǎo)航電文。 3. 用戶終端用戶段 用戶終端包括基礎(chǔ)產(chǎn)品、終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。其中，基礎(chǔ)產(chǎn)品包括兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等。用戶終端主要是追蹤北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，通過(guò)對(duì)接收機(jī)所在位置的坐標(biāo)、移動(dòng)速度準(zhǔn)時(shí)間的實(shí)時(shí)計(jì)算，服務(wù)于各領(lǐng)域的需求，滿足行業(yè)需要1-3。 二北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有開(kāi)放、穩(wěn)定、可靠的定位定向、實(shí)時(shí)導(dǎo)

10、航、周密測(cè)速、精確授時(shí)、位置報(bào)告、短信服務(wù)等功能，能為全球的用戶提供。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域?yàn)槿?，定位精?0米95%，測(cè)速精度0.2米/秒95%，授時(shí)精度20納秒95%1-3。其中，在亞太地區(qū)，定位精度5米95%。 1. 定位功能 長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，我國(guó)主要依靠GPS開(kāi)展各類導(dǎo)航任務(wù)，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，完全依靠GPS的時(shí)代已結(jié)束。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差小于10米，部分精度可到達(dá)厘米甚至毫米級(jí)基于授權(quán)和有標(biāo)校站的支持。終端可自動(dòng)匯報(bào)位置依據(jù)授權(quán)狀況，可實(shí)時(shí)了解終端動(dòng)態(tài)，有利于指揮機(jī)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。 2. 導(dǎo)航功能 導(dǎo)航是北斗最重要的功能，與GPS相像。為了解決單一信

11、號(hào)的缺乏，提高導(dǎo)航的精度和可靠性，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同意一臺(tái)終端機(jī)分別接收不同的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，測(cè)速精度可達(dá)0.2米/秒，以到達(dá)協(xié)作不同衛(wèi)星導(dǎo)航的終端，能進(jìn)行陸海空的全天候?qū)Ш健?3. 授時(shí)功能 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為更好滿足用戶需求，提供了高精度的授時(shí)服務(wù)，精度可到達(dá)50ns，對(duì)時(shí)間同步要求高的行業(yè)有特別重要的作用，如通信、金融、電力等高時(shí)間要求的行業(yè)。 4. 短報(bào)文功能 短報(bào)文功能是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的功能，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備此功能。該功能可雙向報(bào)文通信，一次可傳輸4060個(gè)漢字的短報(bào)文信息。在用戶授權(quán)并完成配置后，終端與指揮機(jī)可進(jìn)行信息傳輸，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，不受距離限制，可有效應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)距離通

12、信或無(wú)線電盲區(qū)通信，能在航空、航海、搶險(xiǎn)救災(zāi)等活動(dòng)發(fā)揮重要作用。 三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用 隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋亞太地區(qū)，并開(kāi)啟了全球組網(wǎng)時(shí)代，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在基礎(chǔ)理論、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、服務(wù)領(lǐng)域等方面取得了很大的進(jìn)步。伴隨系統(tǒng)服務(wù)能力的逐步提升，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在群眾定位、智慧城市、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)漁業(yè)、公共安全、減災(zāi)救災(zāi)、氣象探測(cè)、通信和電力等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并呈現(xiàn)出更為廣泛應(yīng)用的趨勢(shì)1-9。 個(gè)人位置服務(wù)方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、汽車導(dǎo)航定位服務(wù)等領(lǐng)域，估計(jì)到2021年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將可在全球?qū)崿F(xiàn)個(gè)人的位置服務(wù)。 智慧城市方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于環(huán)衛(wèi)保障車輛在線

13、監(jiān)管、實(shí)時(shí)公交綜合信息公布、公務(wù)車治理、120急救指揮調(diào)度、燃?xì)庑袠I(yè)等領(lǐng)域。 交通運(yùn)輸方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于設(shè)施安全監(jiān)控、運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控、港口實(shí)時(shí)定位調(diào)度監(jiān)控等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)營(yíng)運(yùn)車輛、郵政和快遞車輛、中心城市公交車、內(nèi)河導(dǎo)航設(shè)施、海上導(dǎo)航設(shè)施已逐步應(yīng)用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，有效提升了營(yíng)運(yùn)車輛的監(jiān)控治理效率和道路運(yùn)輸安全水平。 農(nóng)、林、漁業(yè)方面，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管平臺(tái)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程治理，實(shí)施精準(zhǔn)作業(yè)。充分發(fā)揮北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位與短報(bào)文通信功能，提高森林防火的治理水平。通過(guò)對(duì)船位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)了解漁船出入港信息，提高漁業(yè)治理部門的服務(wù)能力。 公共安全

14、方面，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精確定位及其特有的短報(bào)文通信功能，可為公安提供可視化的警力資源調(diào)度及應(yīng)急通信保障等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了警力資源動(dòng)態(tài)調(diào)度、一體化指揮，提高了響應(yīng)速度與執(zhí)行效率。 救災(zāi)減災(zāi)方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基于其精確定位技術(shù)，準(zhǔn)時(shí)上報(bào)與共享災(zāi)情信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行指揮和調(diào)度，短報(bào)文通信功能能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信，顯著提高了救災(zāi)減災(zāi)的決策部署能力及反應(yīng)能力。 氣象測(cè)報(bào)方面，由一系列氣象測(cè)報(bào)型北斗終端設(shè)備形成的系統(tǒng)應(yīng)用，提高了國(guó)內(nèi)高空氣象探空系統(tǒng)的觀測(cè)精度、自動(dòng)化水平和應(yīng)急觀測(cè)能力。 通信方面，突破光纖拉遠(yuǎn)等關(guān)鍵技術(shù)，形成一體化衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)，開(kāi)展北斗雙向授時(shí)應(yīng)用。 電力應(yīng)用方面，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)應(yīng)用

15、，同步應(yīng)用電力時(shí)間，保障電力愛(ài)護(hù)系統(tǒng)、電力異樣事故分析系統(tǒng)、電力預(yù)警系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。 總之，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已逐步融入我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)和百姓的日常生活，面對(duì)將來(lái)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將持續(xù)提升服務(wù)性能，擴(kuò)展服務(wù)功能，增強(qiáng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行能力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還打算2021年繼續(xù)完成高密度全球組網(wǎng)工作，進(jìn)一步提升全球基本導(dǎo)航和區(qū)域短報(bào)文通信服務(wù)能力，并實(shí)現(xiàn)全球短報(bào)文通信、星基增添、國(guó)際搜救、周密單點(diǎn)定位等服務(wù)能力3。 四、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)展前景分析 目前的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段接受三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其

16、在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢(shì)更為明顯;二是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度;三是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具備基本導(dǎo)航、短報(bào)文通信、星基增添、國(guó)際搜救、周密單點(diǎn)定位等多種服務(wù)能力1-3。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了在區(qū)域內(nèi)快速形成服務(wù)能力、逐步擴(kuò)展為全球服務(wù)的進(jìn)展路徑，豐富了世界衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的進(jìn)展模式，但與國(guó)外成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，起步晚的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還存在以下問(wèn)題：一是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及終端建設(shè)還處于進(jìn)展過(guò)程中，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還不是很成熟;二是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)尚處于進(jìn)展和討論階段，缺乏較為強(qiáng)勢(shì)的技術(shù)力量;三是受GPS導(dǎo)航設(shè)備廣泛使用和國(guó)內(nèi)GPS成熟應(yīng)用技術(shù)的影響，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速進(jìn)展存在肯定的難度。 將來(lái)世界各地的星際導(dǎo)航服務(wù)將呈現(xiàn)出全時(shí)空、全區(qū)域、無(wú)盲區(qū)、高精度的特點(diǎn)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)