北斗定位導航技術的應用及展望

史恒林 李媛州 王子強

摘要：作為能夠與美國GPS技術相抗衡的全球衛星導航系統——北斗衛星導航系統，有著巨大的應用市場和發展前景。本文介紹了在新的時代背景下，北斗技術對于我國的戰略優勢以及應用前景。

關鍵詞：北斗 導航定位 精確制導

中圖分類號：U666 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

引言

北斗衛星導航系統分為北斗導航試驗系統（北斗一號）和北斗衛星導航系統（北斗二號）兩部分，是我國正在自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。

目前，全球共有四套全球衛星導航系統：中國的北斗二號（在建）、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo。隨著GPS在我國各行各業甚至是國防領域越來越廣泛的應用，我們對GPS的依賴性也越來越強，這時我國的經濟及國家安全機密都有可能通過GPS技術泄露給其他國家。我國已經充分認識到發展本國的衛星導航系統不僅僅是經濟發展的需要，更是關系到保障國家戰略安全的重要一環。

我國已于2012年完成了北斗衛星導航系統對亞太部分地區的信號覆蓋并正式提供衛星導航服務。根據規劃，我國將在2020年完成北斗二號的建設，屆時將實現覆蓋全球的衛星導航功能，并在2020年前全部淘汰單一GPS信號設備，對有潛在干擾和破壞的GPS信號設備停用，分幾年幾個階段，分別通過試裝、改裝、新建等幾個步驟，完成北斗或北斗兼容平臺及設備的普及。

1.北斗技術簡述

北斗衛星導航試驗系統（北斗一號）的工作原理：地面站發送信號經由兩顆同步定點衛星發送給用戶，用戶對信號做出響應，經兩顆衛星發送到地面站，根據信號在地面站、衛星、用戶之間的往返來測定用戶的位置，地面站將位置信息通過衛星發送給用戶，從而實現定位。如圖1所示。

圖1北斗一號工作原理圖2三球交匯定位原理

北斗衛星導航系統（北斗二號）是在北斗衛星導航試驗系統（北斗一號）的基礎上進行研制，采用無源定位機制，由空間段、地面段和用戶段三部分組成。空間段采用東方紅-3號衛星平臺，由5顆靜止軌道（GEO）衛星、27顆中地球軌道（MEO）衛星和3顆傾斜同步軌道（IGSO）衛星組成。地面段由主控站、上行注入站和監測站組成。用戶段由北斗用戶終端，以及與其它全球導航衛星系統兼容的終端組成。35顆衛星在高空中以固定的周期環繞地球，地面上任何一點都可以在任何時間接收到4顆以上的衛星信號。因為衛星的位置是精確已知的，所以在定位的過程中很容易就可以知道衛星到用戶的距離。利用三維坐標距離方程，只需利用3顆衛星組成三個方程，解出X、Y、Z就可以知道用戶的精確位置（三球交匯定位原理）。但是實際中考慮到衛星的時鐘和用戶端的時鐘可能會有誤差，這樣在進行定位的方程中就會有四個未知數，即X、Y、Z和時間差。所以在定位的過程中需要第四顆衛星，用四個方程進行求解，這樣就能得到用戶端的經緯度和高程。如公式1所示。

在實際的工作過程中，用戶端可以輕易地鎖定四顆以上的衛星。這樣用戶端就會根據衛星的分布挑選出誤差最小的四顆衛星用作定位，從而實現精確定位。由于大氣中的對流層和電離層對信號的影響較大，為提高定位精度普遍采用差分定位技術，建立地面基準站來進行衛星觀測，利用已知的基準站的精確坐標與觀測值進行比較來得出一組修正數，用戶端接收到基準站發布的修正數與自身的觀測值進行比較，消去大部分的誤差之后得到一個比較準確的位置坐標。

北斗衛星導航系統雖然在性能方面還無法與美國的GPS相比，但是仍然具備GPS沒有的優點。比如具備簡短的報文通信功能和雙向報文通信能力；受地形地貌影響小，不存在GPS的林下無信號的情況（GPS衛星只有幾十瓦的發射功率）并且滿足既定位又報告位置的要求且響應時間為1秒。

2.北斗的戰略優勢

2.1北斗的技術優勢

核心技術的國產化

精確武器制導是新時期導航應用的又一重大發展，它使軍事搶險樣式發生了重大轉變。對于導彈、炸彈和炮彈這些武器系統的殺傷力來說，命中精度提高1倍相當于加大8倍的爆炸力，正是因為新型導航系統具有很高的精度，才使精確制導武器得以迅速發展。北斗系統的誕生使我國的精確制導武器擺脫了對于GPS技術的依賴。

并且北斗不只是簡單的取代了GPS而已，其獨有的短信報文功能是世界上任何一個國家的導航系統所不具備的，它可以一次傳輸達到120個漢字的信息。這在遠洋航行中具有重要的應用價值。GPS只是接收型的定位系統，用戶只需要接收信號就能夠實現定位。很多直升機安裝有GPS但是在重大災害和突發事件的面前接收型定位原理的GPS大大限制了它的應用范圍。GPS只是解決了“我在哪里”的問題，而北斗不僅能夠知道“我在哪里”還能夠告訴別人“我在哪里，情況如何”。因此，GPS在技術層面上無法取代北斗。

2.2北斗的戰略優勢

導航戰

在戰時和戰場區域對GPS的利用和反利用、阻止和保護構成了所謂的導航戰。由于GPS是美國研制和掌握的系統，在美軍和其敵對方進行對抗時，可使用的導航技術不完全對稱。

1996年美軍開始實施導航戰計劃，其內容和目標為：保護美國及其盟國對GPS的軍事應用；防止敵對方利用GPS保持民用無線電導航的和平利用。阻止敵對方利用GPS與美軍對抗是導航戰的主要目標之一，它的內容是讓敵對方在戰場區域或者在美軍規定的時間與區域GPS不能工作。

據報道，在1999年的科索沃戰爭和2002年的阿富汗戰爭中，美軍在南聯盟和阿富汗全境都停止了GPS的使用，致使對方損失慘重。

如果我們沒有自己的衛星導航系統，就相當于在國防安全上給自己埋下了一顆定時炸彈。在美軍導航戰的背景之下，用美軍的技術與美軍進行對抗，后果可想而知。

3.北斗技術的應用及展望

3.1車輛導航

GPS車輛導航技術在現代社會幾乎成了出門上路的必需品，這使得越來越多的人對于GPS技術有著越來越強的依賴性。北斗衛星導航系統的出現不僅使得國人在導航產品上有了新的選擇，也讓中國人解除了對于GPS技術的依賴性。特別是在國防安全上，將北斗技術應用在裝甲車輛上，不僅能夠提高作戰效率、降低成本，也有效保證了車輛的行駛安全。

3.2車輛跟蹤與調度

車輛跟蹤與調度技術與車輛導航有所不同：車輛導航技術是將車輛位置和行駛路線信息顯示給車輛駕駛員，而車輛跟蹤與調度技術只是將這些信息提供給監控中心和調度管理人員。將這項技術結合車輛導航并通過北斗系統在我國相關領域中實現，不僅可以讓車輛知道自己在什么位置，也方便指揮中心對其下達命令。

3.3航空航海的導航

GPS由于全球覆蓋和精度很高，可以顯著改善交通密集區的導航性能和邊遠區及越洋航路的覆蓋，從而提高航行的安全與效率。但是從我國交通運輸安全的角度看，GPS要用作導航系統還是有安全隱患的。在必要時，美國軍方可以關閉或者降低GPS民用的性能，而并不需要民用部門的認可。

北斗系統的出現使我國打破了美國在這一導航領域近乎于壟斷的局面。

3.4空中交通管制

空中交通管制系統是空域系統的組成部分，是為保障空中交通安全和高效運行而設置的。為了適應空中交通不斷發展的要求，在新出現的衛星導航、衛星通信和數據通信的基礎上，國際民用航空組織制定了CNS/ATM系統的概念，并且領導國際民用航空從20世紀90年代初開始逐漸向CNS/ATM系統過渡。

衛星導航是CNS/ATM的核心系統之一，它不僅是實現導航和ADS（先進設計系統）的基礎，而且在通信的網絡同步中也發揮著重要的作用。

3.5授時功能

北斗衛星導航系統和美國的GPS導航系統一樣，為用戶提供授時服務。隨著全球一體化的進程，統一的時間標準顯得更加重要，尤其是在機器與機器之間的對話和對機器的控制領域。例如，調頻通信，發射機信號載頻每秒要跳變幾百次或者上千次，接收機只有知道載頻變化的規律和跳變發生的時間才能正常接收；在搶險指揮所，眾多來源的情報消息只有在附有時間標記的前提下才能相關、融合與鏈接起來，形成目標航跡。

3.6通信技術

北斗定位導航系統所獨有的雙向報文通信功能使北斗不僅解決了“我在哪里”的問題，還能讓別人知道“我在哪里，情況如何”。 2008年四川汶川特大地震后，普通地面通信完全中斷，救災人員無的放矢。“北斗一號”衛星導航定位系統由于不受通訊信號和空間距離的影響，一臺主指揮機進行衛星定位之后，可連接多部類似于手機的“北斗一號”終端機，終端機每次可編寫40多字的短信發送到指定手機上。這項功能確保了救災指揮部與災區的救災部隊的隨時聯系，為救災指令的通暢做出了巨大的貢獻。

4.結論

作為我國首個擁有自主知識產權的衛星導航系統和世界第三個被聯合國認可的海上衛星導航系統，北斗衛星導航系統擁有著不可限量的應用前景。擁有北斗技術，使我國的導航定位技術不再受制于人，不用再“看別人的臉色來辦事”。隨著北斗技術的發展和北斗導航應用的規模化建設，北斗將迎來規模化、國際化、社會化的重大歷史機遇。

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