在线客服

咨询热线

北斗卫星导航系统的现状及发展前景分析

作者:未知

   [摘 要]文章基于国际上成熟的卫星导航系统的现状,重点阐述了北斗卫星导航系统发展历程,介绍了北斗卫星导航系统构成、功能等关键技术,阐述了北斗卫星导航系统在智慧城市、交通运输等领域的应用现状,最后分析了北斗卫星导航系统未来的发展前景。
   [关键词]卫星导航系统;北斗卫星导航系统;应用;发展前景
   [中图分类号]P228.1 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656(2019)03-0089-04
   引言
   随着卫星导航系统的发展壮大,卫星导航系统进入了与定位、导航、授时、移动通信和因特网等多源信息载体融合的新时期,卫星导航系统成了国民经济发展的重要基础设施。一直以来,我国探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统,随着北斗卫星导航系统的成功建设,使我国成为了拥有自主建设、独立运行卫星导航系统的国家,填补了我国卫星导航领域的空白。该系统可为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务,能与其他卫星导航系统兼容,是我国重要空间基础设施。为此,对北斗卫星导航系统的现状及发展前景进行分析具有重要意义。
   一、卫星导航系统发展现状
   目前,国际上有四大成熟的卫星导航系统,分别为全球定位系统、全球卫星导航系统、伽利略卫星导航系统和北斗卫星导航系统。
   (一)全球定位系统(GPS)
   GPS的研究源于美国的子午仪卫星定位系统。20世纪末,美国为实现在陆海空三大领域进行实时、全天候和全球性的导航服务,联合陆海空三军研制了新一代的卫星定位系统GPS,并于1994年建成并覆盖全球范围,计划2030年,投入使用第三代GPS系统。
   目前,GPS技术已经发展成为国际性高新技术产业,实现多领域、多模式、多用途、多机型的服务,许多国家都在使用GPS终端设备,包括我们国家目前也在使用[1]。
   (二)全球卫星导航系统(GLONASS)
   GLONASS最早开发于苏联时期。1993年,俄罗斯开始独自建立本国的全球卫星导航系统;2007年,导航系统开始运营,服务范围在俄罗斯境内;2009年,服务范围拓展到全球;2011年,在全球正式运行。
   GLONASS与GPS一样可为全球海陸空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续高精度的三维位置、三维速度和时间信息。其与GPS的兼容使用,可以提供更好的精度几何因子,消除GPS的SA影响,进一步提高定位精度[2]。
   (三)伽利略卫星导航系统
   伽利略卫星导航系统是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统。1999年,由欧洲委员会公布,2002年正式启动,2016年投入使用[2]。
  伽利略卫星导航系统可提供高精度、高可靠性的定位服务,实现覆盖全球的导航和定位功能,是全球首个民用的导航系统,属于非军方控制、管理。其还能够和其他成熟导航系统实现多系统的兼容,可同时采集并组合各个系统的数据来实现定位导航的要求[1]。
   (四)北斗卫星导航系统
   北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System)是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施[1]。
   1985年至1994年,我国进入自主卫星导航系统的演示论证期。1994年至2002年,进入北斗卫星导航实验系统研制的建设期。 1994年,启动北斗一号系统工程建设。北斗一号系统可提供定位、授时、广域差分和短报文通信的服务,实现有源定位。2003年,增加发射的卫星进一步增强系统的性能。2004年,启动北斗二号系统工程建设。该系统保留了北斗一号系统的双向位置报告等功能,与GPS系统在很多方面都有着相似之处,且增加了无源定位体系。2009年,启动北斗三号系统建设。2012年,完成14颗卫星的组网,建成了覆盖亚太区域、形成区域无源服务能力的北斗区域卫星导航系统。2018年底,完成19颗卫星的组网,实现中国北斗三号基本系统的组网建设,北斗三号系统由区域扩展为全球服务,北斗卫星导航系统正式迈入全球时代[1-3]。
   目前,正在实施北斗三号系统建设。2019年,北斗卫星导航系统计划发射8~10颗北斗导航卫星,将继续进行高密度全球组网建设,进一步完善全球系统星座布局。计划2020年年底前,完成30颗卫星发射组网,全面建成北斗三号系统,形成全球无源服务能力,达到世界一流水平[2-3]。2035年,我国还将围绕北斗卫星导航系统这个核心内容,完成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时(PNT)体系。
   结合国情,我国积极探索卫星导航系统的建设道路,已逐步形成了“三步走”的发展战略。第一步:2000年底,建成北斗一号系统,向中国提供服务。第二步:2012年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务。第三步:计划在2020年前后,建成北斗全球系统,向全球提供服务[1]。目前,正在实施第三步发展战略。
   二、北斗卫星导航系统关键技术的发展
   北斗卫星导航系统服务区为全球,包括“一带一路”国家和地区在内的世界各地。目前,根据全球范围测试评估结果,在北斗三号系统基本建成,并提供全球服务期间,北斗卫星导航系统整体运行稳定,在全球区域的定位精度优于10米(预期的定位精度10米),在亚太区域的定位精度优于5米(预期的定位精度5米),符合预期设定的指标。
   (一)北斗卫星导航系统构成
   北斗卫星导航系统由三大部分组成,包括空间星座(空间段)、地面控制(地面段)和用户终端(用户段)[1]。
   1. 空间星座(空间段)    空间星座是若干卫星持续发射载有导航电文的无线电波,由地球上的各种接收机来接收信息并进行应用。若干卫星是混合导航星座,由静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成。截止2018年12月,北斗卫星导航系统有15颗北斗二号和18颗北斗三号卫星在轨工作,为全球提供服务。
   2. 地面控制(地面段)
   地面控制包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站,以及星间链路运行管理设施,用来追踪及控制北斗导航卫星的运转。地面控制主要是监视系统状态,调度卫星;通过收集到的卫星数据,计算导航信息,修正与维护每颗卫星的各项参数数据等,使空间星座的卫星能正常运行。
   主控站:主要是收集数据、处理数据,根据数据分析的结果,完成规划及调度,实现系统正常运行的控制和管理。收集时间同步/注入站、监测站的数据,通过处理,形成卫星导航电文,向卫星注入导航电文参数,监测卫星有效载荷等。
   时间同步/注入站:根据主控站的统一调度,完成主要任务,包括注入卫星导航电文参数,交换与主控站的数据、同步测量时间等。
   监测站:连续跟踪监测导航卫星,接收导航信号,将导航信号发送给主控站,提供观测数据生成导航电文。
   3. 用户终端(用户段)
   用户终端包括基础产品、终端设备、应用系统与应用服务等。其中,基础产品包括兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等。用户终端主要是追踪北斗导航卫星,通过对接收机所在位置的坐标、移动速度及时间的实时计算,服务于各领域的需求,满足行业需要[1-3]。
   (二)北斗卫星导航系统的功能
   北斗卫星导航系统具有开放、稳定、可靠的定位定向、实时导航、精密测速、精确授时、位置报告、短信服务等功能,能为全球的用户提供。目前,北斗卫星导航系统的服务区域为全球,定位精度10米(95%),测速精度0.2米/秒(95%),授时精度20纳秒(95%)[1-3]。其中,在亚太地区,定位精度5米(95%)。
   1. 定位功能
   长时间以来,我国主要依靠GPS开展各类导航任务,随着北斗卫星导航系统的广泛应用,完全依靠GPS的时代已结束。目前,北斗卫星导航系统的定位误差小于10米,部分精度可达到厘米甚至毫米级(基于授權和有标校站的支持)。终端可自动汇报位置(根据授权情况),可实时了解终端动态,有利于指挥机构的广泛应用。
   2. 导航功能
   导航是北斗最重要的功能,与GPS相似。为了解决单一信号的不足,提高导航的精度和可靠性,北斗卫星导航系统允许一台终端机分别接收不同的卫星导航信号,测速精度可达0.2米/秒,以达到配合不同卫星导航的终端,能进行陆海空的全天候导航。
   3. 授时功能
   北斗卫星导航系统为更好满足用户需求,提供了高精度的授时服务,精度可达到50ns,对时间同步要求高的行业有非常重要的作用,如通信、金融、电力等高时间要求的行业。
   4. 短报文功能
   短报文功能是北斗卫星导航系统特有的功能,其他卫星导航系统不具备此功能。该功能可双向报文通信,一次可传输40~60个汉字的短报文信息。在用户授权并完成配置后,终端与指挥机可进行信息传输,实现点对点通信,不受距离限制,可有效应对远距离通信或无线电盲区通信,能在航空、航海、抢险救灾等活动发挥重要作用。
   三、北斗卫星导航系统的应用
   随着北斗卫星导航系统覆盖亚太地区,并开启了全球组网时代,北斗卫星导航系统在基础理论、应用开发、服务领域等方面取得了很大的进步。伴随系统服务能力的逐步提升,北斗卫星导航系统正在大众定位、智慧城市、交通运输、农业渔业、公共安全、减灾救灾、气象探测、通信和电力等众多领域得到应用,并呈现出更为广泛应用的趋势[1-9]。
   个人位置服务方面,北斗卫星导航系统广泛应用于智能手机、汽车导航定位服务等领域,预计到2020年,北斗卫星导航系统将可在全球实现个人的位置服务。
   智慧城市方面,北斗卫星导航系统应用于环卫保障车辆在线监管、实时公交综合信息发布、公务车管理、120急救指挥调度、燃气行业等领域。
   交通运输方面,北斗卫星导航系统广泛应用于设施安全监控、运输过程监控、港口实时定位调度监控等领域。据统计,国内营运车辆、邮政和快递车辆、中心城市公交车、内河导航设施、海上导航设施已逐步应用北斗导航系统,有效提升了营运车辆的监控管理效率和道路运输安全水平。
   农、林、渔业方面,基于北斗卫星导航系统的农机作业监管平台,北斗卫星导航系统可对农机进行远程管理,实施精准作业。充分发挥北斗卫星导航系统的定位与短报文通信功能,提高森林防火的管理水平。通过对船位的实时监控,可实时了解渔船出入港信息,提高渔业管理部门的服务能力。
   公共安全方面,结合北斗卫星导航系统精确定位及其特有的短报文通信功能,可为公安提供可视化的警力资源调度及应急通信保障等应用,实现了警力资源动态调度、一体化指挥,提高了响应速度与执行效率。
   救灾减灾方面,北斗卫星导航系统基于其精确定位技术,及时上报与共享灾情信息,实时进行指挥和调度,短报文通信功能能实现应急通信,显著提高了救灾减灾的决策部署能力及反应能力。
   气象测报方面,由一系列气象测报型北斗终端设备形成的系统应用,提高了国内高空气象探空系统的观测精度、自动化水平和应急观测能力。
   通信方面,突破光纤拉远等关键技术,形成一体化卫星授时系统,开展北斗双向授时应用。
   电力应用方面,基于北斗卫星导航系统的授时应用,同步应用电力时间,保障电力保护系统、电力异常事故分析系统、电力预警系统的安全、稳定运行。    总之,北斗卫星导航系统已逐步融入我国的现代化建设和百姓的日常生活,面对未来,北斗卫星导航系统将持续提升服务性能,扩展服务功能,增強连续稳定运行能力。北斗卫星导航系统还计划2020年继续完成高密度全球组网工作,进一步提升全球基本导航和区域短报文通信服务能力,并实现全球短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等服务能力[3]。
   四、北斗卫星导航系统发展前景分析
   目前的北斗卫星导航系统具有以下特点:一是北斗卫星导航系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其在低纬度地区性能优势更为明显;二是北斗卫星导航系统提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度;三是北斗卫星导航系统创新融合了导航与通信能力,具备基本导航、短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等多种服务能力[1-3]。
   北斗卫星导航系统的建设实践,实现了在区域内快速形成服务能力、逐步扩展为全球服务的发展路径,丰富了世界卫星导航事业的发展模式,但与国外成熟的卫星导航系统相比,起步晚的北斗卫星导航系统还存在以下问题:一是北斗卫星导航系统及终端建设还处于发展过程中,整个产业链还不是很成熟;二是北斗卫星导航系统的技术尚处于发展和研究阶段,缺乏较为强势的技术力量;三是受GPS导航设备广泛使用和国内GPS成熟应用技术的影响,北斗卫星导航系统的快速发展存在一定的难度。
   未来世界各地的星际导航服务将呈现出全时空、全区域、无盲区、高精度的特点,北斗卫星导航系统需进一步提高定位精度,消除定位盲区,增强抗干扰能力,多系统融合发展,更好满足各种类型的导航和定位需求,有效提高应用效率,才能在未来的星际导航服务上发挥越来越重要的作用。
   五、结语
   北斗卫星导航系统在国内各领域取得了长足发展,面对未来星际导航系统的挑战,还需继续努力,一要大力推进北斗全球卫星导航系统建设,继续完善全球系统的星座布局;二要全面提升系统性能,着力推动北斗系统的广泛应用,提高北斗系统的应用效率;三要继续做好与其他热门导航系统的兼容共用,深化卫星导航的国际合作,合力推动世界卫星导航的发展。
  
   [参考文献]
   [1]中国卫星导航定位应用管理中心.系统介绍[EB/OL]. (2015-02-02)[2019-02-20]. http://www.chinabeidou.gov.cn.
   [2]张永丽,陈卫东,孟婷婷.北斗导航系统应用前景初探[J].价值工程,2018(36).
   [3]北斗卫星导航系统.系统介绍[EB/OL].(2010-01-15)[2019-02-20].http://www.beidou.gov.cn/.
   [4]李阳,董涛.“北斗”卫星导航系统的概述与应用[J].国防科技,2018(3).
   [5]郝志涛.北斗卫星导航系统发展与应用[J].电子技术与软件工程,2017(7).
   [6]武敏,王春岐.我国北斗卫星导航系统应用及发展前景分析[J].科技经济导刊,2016(30).
   [7]吴海玲等.北斗卫星导航系统发展与应用[J].导航定位学报,2015(2).
   [8]冯素园.浅谈北斗导航卫星定位系统现状、发展及应用[J].通讯世界,2016(17).
   [9]赵康宁,赵勇.面向信息融合的北斗卫星导航系统及应用发展[J].中国铁路,2013(4).
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14874561.htm