北斗衛星導航系統在測繪業中的應用進展

摘 要：本文簡述了北斗衛星導航系統的概念、組成部分、主要技術特點、規劃進展、技術優勢及測繪應用等。闡明我國自主研發的衛星導航系統在國民經濟建設中的重要作用，以及北斗衛星導航系統的發展前景。

關鍵詞：北斗衛星導航系統 系統特點 發展規劃

中圖分類號：P17 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0040-02

1 北斗導航系統介紹

北斗衛星導航系統（COMPASS，中文音譯名稱BeiDou）[1]是中國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，縮寫為BDS，與美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略系統兼容共用的全球衛星導航系統，并稱全球四大衛星導航系統。北斗衛星導航系統建設目標是建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠覆蓋全球的導航系統。

北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成。空間端包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星。地面端包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站組成。用戶端由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）、歐盟“伽利略”（GALILEO）等其他衛星導航系統兼容的終端組成[2]。

北斗衛星導航系統定位采用3球交會測星原理進行定位。其中以2個衛星為球心，2個球心至用戶的距離為半徑可做出2個球面，再以地心為球心，用戶所在位置點至地心的距離為半徑做出1個球面，3個球面的交會點即可確定用戶的位置。

該系統可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務并兼具短報文通信能力。中國國內目前生產定位服務設備的生產商，產品都將會提供對GPS和北斗系統的支持，會提高定位的精確度。而北斗系統特有的短報文服務功能將收費，這個功能的實用性還有待觀察。

2 北斗導航系統特點

北斗導航終端與GPS及“格洛納斯”相比，優勢在于短信服務和導航結合，增加了通訊功能；全天候快速定位，極少的通信盲區，精度與GPS相當。向全世界提供的服務都是免費的，在提供無源定位導航和授時等服務時，用戶數量沒有限制，且與GPS兼容；特別適合集團用戶大范圍監控與管理，以及無依托地區數據采集用戶數據傳輸應用；獨特的中心節點式定位處理和指揮型用戶機設計，可同時解決“我在哪？”和“你在哪？”；自主系統，高強度加密設計，安全、可靠、穩定，適合關鍵部門應用[2]。

北斗衛星導航系統致力于向全球用戶提供高質量的定位，導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10 m，測速精度0.2 m/s，授時精度10 ns。授權服務是為有高精度、高可靠衛星導航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。導航精度上不遜于歐美之外，北斗衛星導航系統解決了何人、何時、何地的問題，這就是北斗的特色服務，靠北斗一個終端你就可以走遍天下[3]。

3 目前北斗導航系統進展

“北斗”衛星導航試驗系統（也稱“雙星定位導航系統”）為我國“九五”列項，其工程代號取名為“北斗一號”，其方案于1983年提出。我國結合國情，科學、合理地提出并制訂自主研制實施“北斗”衛星導航系統建設的“三步走”規劃：第一步是試驗階段，即用少量衛星利用地球同步靜止軌道來完成試驗任務，為“北斗”衛星導航系統建設積累技術經驗、培養人才，研制一些地面應用基礎設施設備等；第二步是到2012年，計劃發射10多顆衛星，建成覆蓋亞太區域的“北斗”衛星導航定位系統（即“北斗二號[6]”區域系統）；第三步是到2020年，建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛星組網而成的全球衛星導航系統[4]。

中國目前已成功發射四顆北斗導航試驗衛星和十六顆北斗導航衛星，成功實現了對東南亞區域的全覆蓋。今后北斗導航系統將在系統組網和試驗基礎上，逐步擴展為全球衛星導航系統。2012年12月27日國家公布了北斗系統空間信號接口控制文件（ICD）正式版。至此北斗系統在繼續保留北斗衛星導航試驗系統有源定位、雙向授時和短報文通信服務基礎上，向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務；民用服務與GPS一樣免費。

目前，在建的北斗衛星導航系統除空間段衛星系統、地面運控系統外，用戶應用系統也在大力建設之中。我國已經把北斗系統用戶終端機的開發作為推廣應用的重要內容，不少國內廠商都在積極研制基于北斗系統的輕便、實用的用戶終端設備。

4 國家規劃及終端用戶發展

科技部印發《導航與位置服務科技發展“十二五”專項規劃》提出，“十二五”末，導航與位置服務產業要形成1000億元以上的規模，初步建立5個高新技術產業化基地，培育30家創新型企業。這意味著國家對導航與位置服務產業相關扶持政策的進一步落實。

科技部等部委將以企業為主體，加大國家科技引導投入，統籌多渠道資源，多種資助模式相結合，以產業需求為導向，加強部門聯合、軍民結合、科技計劃與北斗系統建設的協同攻關，持續推動以北斗應用為核心的導航與位置服務技術研究和產品開發。作為科技含量極高、人力資本密集的戰略性新興產業，北斗導航衛星產業化的市場空間極富想象力。

北斗衛星導航系統衛星總指揮李長江說：“系統建成后，最重要的當然是應用了。在民用領域，我估計2012年完成區域系統的衛星發射后，到2013年，老百姓就可以開始使用北斗系統。我國已經把北斗系統用戶終端機的開發作為推廣應用的重要內容，不少國內廠商都在積極研制基于北斗系統的輕便、實用的用戶終端設備。”國內擁有國家授權的企業已經開發出了具有自主知識產權的高精度北斗芯片。如南方測繪推出的北斗系列產品和北斗高精度應用解決方案，取得了階段性的進展；中海達測繪推出的北斗系列產品，在礦山測繪及城市測繪等方面已經得到了廣泛的應用。

孫家棟院士撰文指出，在與國外導航系統競爭的情況下，在較短時間內完成北斗在國家經濟安全領域的推廣應用和在大眾市場的迅速擴展，還面臨不少挑戰：首先就是必須擁有核心自主知識產權的接收機芯片—— 自主知識產權的挑戰是不言而喻的。

其次，必須提出有競爭力的應用解決方案和規模推廣策略—— 目前，GPS已占據我國衛星導航應用絕大部分市場，在這種情況下，北斗系統產業化面臨巨大挑戰。我國擁有全球衛星導航應用的最大市場，緊緊抓住應用的基礎市場，充分發揮北斗服務特色，創造性地提出應用解決方案和規模化推廣策略，是北斗系統應用推廣和產業化的關鍵。

5 測繪行業中的應用

北斗衛星導航定位系統，隨著不斷完善將成為繼GPS及GLONASS后的第三套覆蓋全球的衛星定位系統。其高精度的導航定位設備，如測繪領域經常使用的RTK設備，可依靠北斗衛星導航系統實現高達厘米級甚至毫米級的高精度差分定位，這已廣泛應用于測繪領域。北斗系統特有的，有利于亞太地區用戶應用的靜止軌道衛星及傾斜軌道衛星等，更可以實現在亞太地區的全覆蓋，大大增強和改善了以往應用中只借助GPS或GLONASS系統所導致的諸多信號盲區的問題。在以往諸如管網、水務、城管等行業用戶作業環境較為復雜惡劣的應用中，以前由于只依賴GPS或GLONASS衛星系統，高樓聳立的城市環境無疑是巨大的障礙。無論是搜星情況還是解算精度，都受制于樓房建筑的遮擋和復雜環境等的干擾而不盡人意。南方測繪全新推出的該系列基于高精度北斗導航定位的GIS手持機產品，依靠北斗導航定位系統的特點，大多數時候都保證了高空中的衛星密度，良好的衛星截止角和衛星信號路徑，使地理信息用戶可以快速高效地獲得衛星信號，并保證其作業精度。讓用戶暢游城市峽谷，穿越鋼鐵森林，真正享受到便捷精準的北斗應用，高效自如地完成作業，及時準確地把握地理信息。

2013年北斗導航將對北京全市范圍內的1141個地質災害點，完成地質災害監測預警全覆蓋。北斗導航技術的地質災害監測預警已在密云設立了32個監測點，作為北京市完成“全覆蓋”前的示范工程。隨著預警系統的建成和完善，北斗導航將能實現對5 mm以上地面變動的監測和預警，讓有關部門和市民提前做好防災準備[5]。

7月14日在北京召開的基于我國北斗衛星導航系統的野外地質調查應用高技術產業化示范工程項目工作會議消息，北斗雙星野外地質礦產調查服務與管理系統基本研發完畢，并試運行成功。應用此系統在野外，無論身處高原雪山、大漠戈壁，還是莽莽林海，地質工作者都能夠通過掌上移動終端直接檢索下載遙感數據、地質資料，實時與野外同伴進行遠程交流，甚至與家人視頻聊天；指揮部能夠隨時與身處通信盲區的野外地質人員取得聯系，并準確確定其所在位置和地調作業路線，實時掌握全國各地在野外工作的人員狀況和整體態勢，有效保障地質人員人身安全[6]。

6 結語

我國自主研發的北斗衛星導航系統是擁有完全自主知識產權的全球衛星導航系統，為確保北斗導航系統實現發展目標，促進北斗應用質量效益，有關部門將積極推動各項政策舉措，促進系統建設應用又好又快發展。在系統服務方面，北斗系統將按計劃建成，為全球用戶提供免費、高質量、高可靠服務，并持續提升性能。在應用產業化方面，將逐步發布北斗公開服務接口控制文件，加大核心芯片等基礎產品技術攻關力度，加快推進北斗行業和區域示范項目，推進以北斗為核心的位置服務產業。在關鍵技術攻關方面，持續推動系統建設與應用技術攻關，形成產、學、研、用體系，進一步加強基礎學科研究和學術交流；在國際合作方面，積極參與全球衛星導航系統性能監測研究，推動北斗與其他衛星導航系統兼容與互操作，逐步融入國際民航、海事等標準體系[7]。

參考文獻

[1]北斗衛星導航系統今日正式提供區域服務[EB/OL].新京報網，2012-12-27.

[2]北斗衛星導航系統[J].北斗衛星導航論壇，2013-2-1.

[3]伽利略導航衛星昨發射北斗系統組網速度仍領先[EB/OL].軍事窩，2012-10-14.

[4]中國發射北斗導航衛星[J].參考消息， 2012-9-19.

[5]北斗導航將對1141個地質災害點實現監測全覆蓋[EB/OL].物聯網智庫，2012-12-12.

[6]國產衛星為野外地質調查護航[EB/OL].新華網，2012-7-17.

[7]中國發射第16顆北斗導航衛星，將實現亞太組網[EB/OL].搜狐門戶，2012-10-26.