北斗定位导航技术的应用及展望

中国电子科技集团公司第五十四研究所 刘永战 冯阳 李苒

在今天，卫星定位导航技术应用广泛，且与人们的生活息息相关。卫星技术在手机定位、时间修正、汽车导航、智能交通、国际救援等应用中相对较多。在本文中，笔者将讲解北斗导航系统的移动导航定位终端应用，以及北斗定位的基本原理和结构。

北斗卫星导航系统技术复杂，可与国外的GPS相媲美，在我国社会发展和国防建设具有巨大的市场和前景。在本文中，笔者将分析新时代背景下北斗导航技术在我国发展的战略重要性和前景。由于GPS在我们生活的各个领域的广泛使用，我国各个行业甚至国防也越来越依赖GPS技术。这相当于为我国的经济发展和国家安全埋下了严重的安全隐患，一旦该技术不再授权，结果可想而知。我国高度重视拥有独立的、完善的国家卫星导航系统，能够在国民经济发展和国家战略安全方面发挥重要作用。

1 北斗卫星导航技术概述

地面站通过两颗同步卫星向用户发送信号，当用户收到信号后响应信号，两颗同步卫星返回地面站，往返地面站的信号返回地面站。该技术可以确认用户的位置，最后由地面站确认的位置信息通过卫星传输进行定位。北斗二号（北斗卫星导航系统）的研制基于北斗一号（北斗卫星导航测试系统）。主要组成部分是地面段、用户段和空间段，主要使用被动定位技术。北斗三号全球卫星导航系统作为卫星平台空间段时，主要组成部分是中圆地球轨道卫星（24颗）、地球静止轨道卫星（3颗）和倾斜地球同步轨道卫星（3颗）。地面段的主要组成部分是监测站、发射站和主控站。用户终端的主要组成部分是用户终端和其他与北斗兼容的用户终端。在环绕地球的空间段中有三十余颗卫星，至少有四颗或更多卫星可以随时接收地球上的任何一点的信号。绕地球运行的卫星的周期和位置是确定的，如果接收来自地球上任何地方的信号，就可以轻松计算出卫星与用户之间的距离，最后为三维坐标创建等式X、Y、Z距离方程，计算结果是用户终端的准确位置[1]。

北斗定位导航技术特点如下：（1）与GLONASS系统、GPS系统进行对比发现，北斗定位导航技术可以提供多种导航信号，并且同时具备RNSS业务、RDSS业务及短报文通信等功能，以确保北斗定位导航技术可以在不同领域中得到广泛应用；（2）根据北斗定位导航技术的目标要求及发展原则，设计出一套由GEO、IGSO 和MEO三种轨道卫星组合而成的混合星座，其中与其他卫星导航系统相比，该星座中卫星数量相对比较少，不仅可以在轨卫星可靠、完好、连续运行提出了较高要求，而且还对卫星产品质量提出了较高要求；（3）对于混合星座而言，要不断调整和优化服务区域性能，做好备份策略与发射窗口等的设计工作；（4）北斗卫星导航区域系统不仅可以扩展北斗试验系统业务，而且还可以为北斗全球系统的未来发展奠定良好基础；（5）MEO 轨道卫星可以达到一箭双星发射要求。

2 北斗卫星导航优势

2.1 技术优势使得北斗的核心技术国产化

现如今，北斗的核心技术已经国产化。武器制导精度在新时代导航使用上有了长足的进步。对于致命武器系统，例如火箭弹，命中精度提高了一倍。精密武器的快速发展得益于新型导航系统精准化的明显体现。最重要的是，北斗卫星系统的成功开发，终于解除了我国在包括国防建设在内的各个领域长期以来对GPS的依赖。北斗同时还具有其他导航系统所没有的若干功能。

GPS被动接收定位信号，北斗可以通过短信功能告诉用户“我在哪”。在突发灾难时，搜救直升机在使用GPS技术时会出现技术障碍，导致定位不精准，因而GPS定位原理的局限性对搜救能力有很大影响。

2.2 北斗在战略上的优势

为了发展我国的军事力量，提高我国的国防自卫能力，需要发展一套完全属于自己的国防卫星定位导航系统，以避免外国的技术封锁。在北斗三号系统中，研制人员增加了星间链路的设计，也就是卫星不仅能与地面连接，卫星之间也可以互相测距并传递数据，这大大提高了北斗系统的定位精度。

3 北斗定位导航技术的应用

3.1 航海航空方面应用

GPS具有较高的全球覆盖率和精度，可以显著提高流量地区的导航性能以及偏远和跨洋航线的覆盖范围，提高导航安全和效率。不过，从我国交通安全的角度来看，GPS作为导航系统还是存在安全隐患的。打破国外在航空航海领域的部分垄断，同时发展自主的三航导航系统，提高自主导航能力[2]。

3.2 陆地导航与追踪

在现代社会，GPS车载导航技术正成为出行的必需品，越来越多的人依赖GPS技术。北斗卫星导航系统的出现，不仅让中国人在导航产品上有了新的选择，也让他们摆脱了对GPS技术的依赖。将北斗技术应用于陆地作战导航，尤其是从防御和安全的角度来看，不仅提高了作战效率，降低了成本，而且有效地保证了车辆的安全。

车辆跟踪和调度技术不同于车辆导航。车辆导航技术向车辆驾驶员显示车辆位置和行驶路线信息，而车辆跟踪调度技术仅将这些信息提供给监控中心和调度管理人员。将这项技术与车辆导航相结合，在我国相关地区利用北斗系统，可以让指挥中心更精准地指挥作战车辆。

3.3 空中交通管制方面应用

北斗卫星导航系统与美国的GPS导航系统一样，为用户提供授时服务。在全球整合的过程中，统一的时间标准变得更加重要，尤其是在机器的交互和机械控制领域。例如，在FM通信中，发射机信号的载波频率每秒变化成百上千次，而接收机只知道载波频率的变化规律和发生跳变的时间就可以正常接收。指挥所有许多情报信息来源，只有在它们被加盖时间戳的情况下才能关联、整合和链接以形成目标轨迹。

空中交通管制系统是空域系统的组成部分，其设立是为了保障空中交通安全高效运行。国际民航组织为了适应以新型卫星导航、卫星通信和数据通信为基础的空中交通不断发展的要求，提出了CNS/ATM系统的概念，并从一开始就推动了国际民航的发展。卫星导航是CNS/ATM的核心系统之一，它不仅是实现导航和ADS的基础，而且在通信的网络同步中起着重要作用。

3.4 通讯技术

凭借北斗导航卫星独有的双向信息通讯功能，不仅解决了定位难的问题，还解决了相关地域实时情况问题。汶川地震发生，正常地面通讯完全中断，救灾人员无法准确确定目标。“北斗一号”卫星导航定位系统则不受通信信号和空间距离的影响。指挥员进行卫星定位后，连接多台“北斗一号”的终端依次将相关信息发送到指定的手机上辅助救援。此功能为促进救灾指示做出重大贡献。

3.5 在电力系统中的应用

（1）电力系统时间同步。对于电力系统而言，其实时钟运行在错误记录、时间比较、事件播放列表等方面发挥着不可替代的作用，并且在北斗卫星导航系统中，我国自主研发的时钟性能，在世界上能够满足最广泛的时钟同步要求，并从最初的GPS时间模式过渡到寻找北斗服务时间模式。同时，可以借助北斗定位导航技术来提高室内时间的管理效率，并强化远程时间控制、平衡远程时间较准，进而确保电力系统时间同步水平；（2）电力系统防灾监测。基于各方面因素的影响，有时消防系统中的输电线路会诱发塔架出现完全倾斜。同时，由于天气条件的影响，也会导致线路被冰覆盖。上述这些情况均会对供电系统运行的可靠性产生不利影响。此时，可以借助北斗定位导航技术来对其进行全天候、精准监控，对发现的问题及时采取有效措施给予处理，以此来降低电力系统灾害的发生，确保电力系统运行效率；（3）电力线路巡检。在国道、水利和铁路等现代交通网络中，输电线路发挥着不可替代的作用，而且输电线路的可靠、高效、稳定运行，将会对我国电力系统运行产生决定性影响。因此，构建一套系统、完善的电力线路巡检制度至关重要。现有北斗二号卫星定位系统所具备的设备定位管理功能，能够对电力传输线路进行定位巡检，以便对电力系统中的关键设备给予准确把控，如带动的电力铁丝杠、电力变电站、输电电力线路等。

3.6 在人防信息化系统中的应用

这里所提及到的人防信息系统一般是指人民防空系统，其可以确保人们能够及时、有效的应对空袭突发事件，以确保国家和人民生命财产安全。在我国经济社会发展过程中，极大的推动了信息化技术的发展，而此时的人防信息系统可以借助信息化技术来更好的满足人民对空间保护的基本需求，并对空间信息进行快速、有效、准确的计算，以提高人民防空技术的信息化水平。通常情况下，北斗定位导航技术的特点是定位精确、实时通讯，还可以高度保密所获取的空间信息，以便更好的满足人民防空事业发展需求，确保人民防空动态的实时管控与监督，对空间突发事件给予及时应对的同时，实现数据信息的有效传送[3]。同时，在抗震救灾工作中，人防信息化系统也发挥着至关重要的作用，并通过与北斗定位导航技术的结合来为人防信息化系统提供合理的指挥调度和精确的车辆监控，且获取动态的组展信息，以便在此基础上制定一套科学、合理、高效的作战方案。在人防信息化系统发展过程中，北斗定位导航技术能够构建其空间信息的传送链，此时的人民防空部门可以借助信息化技术来操作相应的指挥代码，并对防空部队给予实时、合理且有效的调度、指挥和管控。此外，在信息获取方面，北斗定位导航技术不会受环境、时间、地域、距离等因素的影响，具备较高的精确性、可靠性、时效性与传递性特点，因此将其应用于人防信息化系统中，可对相关危险信息给予有效识别和预警警告，尽最大可能挽救人们的财产损失。例如， 选择某地作为防空演习场地后，则需要在该地开展相应的人防信息基本建设和定位设备，以此来确保我国空间安全。同时，还需要结合实际情况制定一套具有可行性的规章制度和规范体系，保证空间情况和陆地情况的有效联系，这样不仅可以实现我国人民防空部门的有效联系和数据共享，而且还可以在确保国家安全的同时，提高我国的世界竞争力。

4 北斗定位导航技术展望

如今，我国北斗定位导航技术处于快速发展阶段，且近些年来我国电子地图日趋完善，极大的提高了北斗定位导航技术的实用性，使其具有非常好的市场前景。随着市场经济的不断发展，北斗定位导航技术的市场容量出现了大幅度的增加，导航定位的消费产品主要是手持式定位接收机，其在出海、探险、登山、远足、郊游等领域中得到了广泛应用。通常情况下，北斗定位导航技术与互联网、移动通信网的结合逐渐成为未来的发展趋势，对电信、测绘、应急、物流、软件、市政、管网、救灾等各领域产生了比较深远的影响。在信息互动方面，北斗定位导航技术也具有比较大的市场前景，将位置服务与电信业务结合在一起，可以使其市场规模远超于目前的短信业务，这些均可以有效推动北斗定位导航技术的发展，提高其应用水平。

5 结语

北斗卫星导航系统是我国第一个拥有自主知识产权的卫星导航系统，是联合国认可的世界第三大卫星导航系统，其应用层出不穷。拥有北斗技术，我国的导航定位技术不再从属于别人，也不再需要承担技术封锁的危机。随着北斗技术的进步和导航应用的大量涌现，为北斗的规模化、国际化和社会化开辟了巨大的历史机遇。