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北斗衛(wèi)星導航系統的現狀及發(fā)展前景分析

2020-08-04
作者:蘇相琴
來源:廣西廣播電視大學學報

  引言

  隨著衛(wèi)星導航系統的發(fā)展壯大,衛(wèi)星導航系統進入了與定位、導航、授時、移動通信和因特網等多源信息載體融合的新時期,衛(wèi)星導航系統成了國民經濟發(fā)展的重要基礎設施。一直以來,我國探索和發(fā)展擁有自主知識產權的衛(wèi)星導航系統,隨著北斗衛(wèi)星導航系統的成功建設,使我國成為了擁有自主建設、獨立運行衛(wèi)星導航系統的國家,填補了我國衛(wèi)星導航領域的空白。該系統可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務,能與其他衛(wèi)星導航系統兼容,是我國重要空間基礎設施。為此,對北斗衛(wèi)星導航系統的現狀及發(fā)展前景進行分析具有重要意義。

  一、衛(wèi)星導航系統發(fā)展現狀

  目前,國際上有四大成熟的衛(wèi)星導航系統,分別為全球定位系統、全球衛(wèi)星導航系統、伽利略衛(wèi)星導航系統和北斗衛(wèi)星導航系統。

 ?。ㄒ唬┤蚨ㄎ幌到y(GPS)

  GPS的研究源于美國的子午儀衛(wèi)星定位系統。20世紀末,美國為實現在陸海空三大領域進行實時、全天候和全球性的導航服務,聯合陸??杖娧兄屏诵乱淮男l(wèi)星定位系統GPS,并于1994年建成并覆蓋全球范圍,計劃2030年,投入使用第三代GPS系統。

  目前,GPS技術已經發(fā)展成為國際性高新技術產業(yè),實現多領域、多模式、多用途、多機型的服務,許多國家都在使用GPS終端設備,包括我們國家目前也在使用[1]。

 ?。ǘ┤蛐l(wèi)星導航系統(GLONASS)

  GLONASS最早開發(fā)于蘇聯時期。1993年,俄羅斯開始獨自建立本國的全球衛(wèi)星導航系統;2007年,導航系統開始運營,服務范圍在俄羅斯境內;2009年,服務范圍拓展到全球;2011年,在全球正式運行。

  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,進一步提高定位精度[2]。

 ?。ㄈ┵だ孕l(wèi)星導航系統

  伽利略衛(wèi)星導航系統是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導航定位系統。1999年,由歐洲委員會公布,2002年正式啟動,2016年投入使用[2]。

  伽利略衛(wèi)星導航系統可提供高精度、高可靠性的定位服務,實現覆蓋全球的導航和定位功能,是全球首個民用的導航系統,屬于非軍方控制、管理。其還能夠和其他成熟導航系統實現多系統的兼容,可同時采集并組合各個系統的數據來實現定位導航的要求[1]。

 ?。ㄋ模┍倍沸l(wèi)星導航系統

  北斗衛(wèi)星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System)是我國自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統,是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施[1]。

  1985年至1994年,我國進入自主衛(wèi)星導航系統的演示論證期。1994年至2002年,進入北斗衛(wèi)星導航實驗系統研制的建設期。 1994年,啟動北斗一號系統工程建設。北斗一號系統可提供定位、授時、廣域差分和短報文通信的服務,實現有源定位。2003年,增加發(fā)射的衛(wèi)星進一步增強系統的性能。2004年,啟動北斗二號系統工程建設。該系統保留了北斗一號系統的雙向位置報告等功能,與GPS系統在很多方面都有著相似之處,且增加了無源定位體系。2009年,啟動北斗三號系統建設。2012年,完成14顆衛(wèi)星的組網,建成了覆蓋亞太區(qū)域、形成區(qū)域無源服務能力的北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統。2018年底,完成19顆衛(wèi)星的組網,實現中國北斗三號基本系統的組網建設,北斗三號系統由區(qū)域擴展為全球服務,北斗衛(wèi)星導航系統正式邁入全球時代[1-3]。

  目前,正在實施北斗三號系統建設。2019年,北斗衛(wèi)星導航系統計劃發(fā)射8~10顆北斗導航衛(wèi)星,將繼續(xù)進行高密度全球組網建設,進一步完善全球系統星座布局。計劃2020年年底前,完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網,全面建成北斗三號系統,形成全球無源服務能力,達到世界一流水平[2-3]。2035年,我國還將圍繞北斗衛(wèi)星導航系統這個核心內容,完成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時(PNT)體系。

  結合國情,我國積極探索衛(wèi)星導航系統的建設道路,已逐步形成了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。第一步:2000年底,建成北斗一號系統,向中國提供服務。第二步:2012年底,建成北斗二號系統,向亞太地區(qū)提供服務。第三步:計劃在2020年前后,建成北斗全球系統,向全球提供服務[1]。目前,正在實施第三步發(fā)展戰(zhàn)略。

  二、北斗衛(wèi)星導航系統關鍵技術的發(fā)展

  北斗衛(wèi)星導航系統服務區(qū)為全球,包括“一帶一路”國家和地區(qū)在內的世界各地。目前,根據全球范圍測試評估結果,在北斗三號系統基本建成,并提供全球服務期間,北斗衛(wèi)星導航系統整體運行穩(wěn)定,在全球區(qū)域的定位精度優(yōu)于10米(預期的定位精度10米),在亞太區(qū)域的定位精度優(yōu)于5米(預期的定位精度5米),符合預期設定的指標。

  (一)北斗衛(wèi)星導航系統構成

  北斗衛(wèi)星導航系統由三大部分組成,包括空間星座(空間段)、地面控制(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)射載有導航電文的無線電波,由地球上的各種接收機來接收信息并進行應用。若干衛(wèi)星是混合導航星座,由靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成。截止2018年12月,北斗衛(wèi)星導航系統有15顆北斗二號和18顆北斗三號衛(wèi)星在軌工作,為全球提供服務。

  2. 地面控制(地面段)

  地面控制包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站,以及星間鏈路運行管理設施,用來追蹤及控制北斗導航衛(wèi)星的運轉。地面控制主要是監(jiān)視系統狀態(tài),調度衛(wèi)星;通過收集到的衛(wèi)星數據,計算導航信息,修正與維護每顆衛(wèi)星的各項參數數據等,使空間星座的衛(wèi)星能正常運行。

  主控站:主要是收集數據、處理數據,根據數據分析的結果,完成規(guī)劃及調度,實現系統正常運行的控制和管理。收集時間同步/注入站、監(jiān)測站的數據,通過處理,形成衛(wèi)星導航電文,向衛(wèi)星注入導航電文參數,監(jiān)測衛(wèi)星有效載荷等。

  時間同步/注入站:根據主控站的統一調度,完成主要任務,包括注入衛(wèi)星導航電文參數,交換與主控站的數據、同步測量時間等。

  監(jiān)測站:連續(xù)跟蹤監(jiān)測導航衛(wèi)星,接收導航信號,將導航信號發(fā)送給主控站,提供觀測數據生成導航電文。

  3. 用戶終端(用戶段)

  用戶終端包括基礎產品、終端設備、應用系統與應用服務等。其中,基礎產品包括兼容其他衛(wèi)星導航系統的芯片、模塊、天線等。用戶終端主要是追蹤北斗導航衛(wèi)星,通過對接收機所在位置的坐標、移動速度及時間的實時計算,服務于各領域的需求,滿足行業(yè)需要[1-3]。

  (二)北斗衛(wèi)星導航系統的功能

  北斗衛(wèi)星導航系統具有開放、穩(wěn)定、可靠的定位定向、實時導航、精密測速、精確授時、位置報告、短信服務等功能,能為全球的用戶提供。目前,北斗衛(wèi)星導航系統的服務區(qū)域為全球,定位精度10米(95%),測速精度0.2米/秒(95%),授時精度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

  長時間以來,我國主要依靠GPS開展各類導航任務,隨著北斗衛(wèi)星導航系統的廣泛應用,完全依靠GPS的時代已結束。目前,北斗衛(wèi)星導航系統的定位誤差小于10米,部分精度可達到厘米甚至毫米級(基于授權和有標校站的支持)。終端可自動匯報位置(根據授權情況),可實時了解終端動態(tài),有利于指揮機構的廣泛應用。

  2. 導航功能

  導航是北斗最重要的功能,與GPS相似。為了解決單一信號的不足,提高導航的精度和可靠性,北斗衛(wèi)星導航系統允許一臺終端機分別接收不同的衛(wèi)星導航信號,測速精度可達0.2米/秒,以達到配合不同衛(wèi)星導航的終端,能進行陸??盏娜旌驅Ш?。

  3. 授時功能

  北斗衛(wèi)星導航系統為更好滿足用戶需求,提供了高精度的授時服務,精度可達到50ns,對時間同步要求高的行業(yè)有非常重要的作用,如通信、金融、電力等高時間要求的行業(yè)。

  4. 短報文功能

  短報文功能是北斗衛(wèi)星導航系統特有的功能,其他衛(wèi)星導航系統不具備此功能。該功能可雙向報文通信,一次可傳輸40~60個漢字的短報文信息。在用戶授權并完成配置后,終端與指揮機可進行信息傳輸,實現點對點通信,不受距離限制,可有效應對遠距離通信或無線電盲區(qū)通信,能在航空、航海、搶險救災等活動發(fā)揮重要作用。

  三、北斗衛(wèi)星導航系統的應用

  隨著北斗衛(wèi)星導航系統覆蓋亞太地區(qū),并開啟了全球組網時代,北斗衛(wèi)星導航系統在基礎理論、應用開發(fā)、服務領域等方面取得了很大的進步。伴隨系統服務能力的逐步提升,北斗衛(wèi)星導航系統正在大眾定位、智慧城市、交通運輸、農業(yè)漁業(yè)、公共安全、減災救災、氣象探測、通信和電力等眾多領域得到應用,并呈現出更為廣泛應用的趨勢[1-9]。

  個人位置服務方面,北斗衛(wèi)星導航系統廣泛應用于智能手機、汽車導航定位服務等領域,預計到2020年,北斗衛(wèi)星導航系統將可在全球實現個人的位置服務。

  智慧城市方面,北斗衛(wèi)星導航系統應用于環(huán)衛(wèi)保障車輛在線監(jiān)管、實時公交綜合信息發(fā)布、公務車管理、120急救指揮調度、燃氣行業(yè)等領域。

  交通運輸方面,北斗衛(wèi)星導航系統廣泛應用于設施安全監(jiān)控、運輸過程監(jiān)控、港口實時定位調度監(jiān)控等領域。據統計,國內營運車輛、郵政和快遞車輛、中心城市公交車、內河導航設施、海上導航設施已逐步應用北斗導航系統,有效提升了營運車輛的監(jiān)控管理效率和道路運輸安全水平。

  農、林、漁業(yè)方面,基于北斗衛(wèi)星導航系統的農機作業(yè)監(jiān)管平臺,北斗衛(wèi)星導航系統可對農機進行遠程管理,實施精準作業(yè)。充分發(fā)揮北斗衛(wèi)星導航系統的定位與短報文通信功能,提高森林防火的管理水平。通過對船位的實時監(jiān)控,可實時了解漁船出入港信息,提高漁業(yè)管理部門的服務能力。

  公共安全方面,結合北斗衛(wèi)星導航系統精確定位及其特有的短報文通信功能,可為公安提供可視化的警力資源調度及應急通信保障等應用,實現了警力資源動態(tài)調度、一體化指揮,提高了響應速度與執(zhí)行效率。

  救災減災方面,北斗衛(wèi)星導航系統基于其精確定位技術,及時上報與共享災情信息,實時進行指揮和調度,短報文通信功能能實現應急通信,顯著提高了救災減災的決策部署能力及反應能力。

  氣象測報方面,由一系列氣象測報型北斗終端設備形成的系統應用,提高了國內高空氣象探空系統的觀測精度、自動化水平和應急觀測能力。

  通信方面,突破光纖拉遠等關鍵技術,形成一體化衛(wèi)星授時系統,開展北斗雙向授時應用。

  電力應用方面,基于北斗衛(wèi)星導航系統的授時應用,同步應用電力時間,保障電力保護系統、電力異常事故分析系統、電力預警系統的安全、穩(wěn)定運行。    總之,北斗衛(wèi)星導航系統已逐步融入我國的現代化建設和百姓的日常生活,面對未來,北斗衛(wèi)星導航系統將持續(xù)提升服務性能,擴展服務功能,增強連續(xù)穩(wěn)定運行能力。北斗衛(wèi)星導航系統還計劃2020年繼續(xù)完成高密度全球組網工作,進一步提升全球基本導航和區(qū)域短報文通信服務能力,并實現全球短報文通信、星基增強、國際搜救、精密單點定位等服務能力[3]。

  四、北斗衛(wèi)星導航系統發(fā)展前景分析

  目前的北斗衛(wèi)星導航系統具有以下特點:一是北斗衛(wèi)星導航系統空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座,與其他衛(wèi)星導航系統相比高軌衛(wèi)星更多,抗遮擋能力強,尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯;二是北斗衛(wèi)星導航系統提供多個頻點的導航信號,能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度;三是北斗衛(wèi)星導航系統創(chuàng)新融合了導航與通信能力,具備基本導航、短報文通信、星基增強、國際搜救、精密單點定位等多種服務能力[1-3]。

  北斗衛(wèi)星導航系統的建設實踐,實現了在區(qū)域內快速形成服務能力、逐步擴展為全球服務的發(fā)展路徑,豐富了世界衛(wèi)星導航事業(yè)的發(fā)展模式,但與國外成熟的衛(wèi)星導航系統相比,起步晚的北斗衛(wèi)星導航系統還存在以下問題:一是北斗衛(wèi)星導航系統及終端建設還處于發(fā)展過程中,整個產業(yè)鏈還不是很成熟;二是北斗衛(wèi)星導航系統的技術尚處于發(fā)展和研究階段,缺乏較為強勢的技術力量;三是受GPS導航設備廣泛使用和國內GPS成熟應用技術的影響,北斗衛(wèi)星導航系統的快速發(fā)展存在一定的難度。

  未來世界各地的星際導航服務將呈現出全時空、全區(qū)域、無盲區(qū)、高精度的特點,北斗衛(wèi)星導航系統需進一步提高定位精度,消除定位盲區(qū),增強抗干擾能力,多系統融合發(fā)展,更好滿足各種類型的導航和定位需求,有效提高應用效率,才能在未來的星際導航服務上發(fā)揮越來越重要的作用。

  五、結語

  北斗衛(wèi)星導航系統在國內各領域取得了長足發(fā)展,面對未來星際導航系統的挑戰(zhàn),還需繼續(xù)努力,一要大力推進北斗全球衛(wèi)星導航系統建設,繼續(xù)完善全球系統的星座布局;二要全面提升系統性能,著力推動北斗系統的廣泛應用,提高北斗系統的應用效率;三要繼續(xù)做好與其他熱門導航系統的兼容共用,深化衛(wèi)星導航的國際合作,合力推動世界衛(wèi)星導航的發(fā)展。


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