北斗衛星導航系統綜述

吳 景 勤

北斗衛星導航系統綜述

吳 景 勤

中國自主研發的全球衛星導航系統﹝BeiD（COMPASSNavigation Satellite System﹞以“北斗”命名。這是中國正在實施的自主發展獨立運行的全球衛星導航系統。建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠的覆蓋全球的北斗衛星導航系統，促進衛星導航產業鏈形成，形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系,它包括北斗一號和北斗二號兩代。北斗一號是已投入使用的區域性衛星導航系統，北斗二號則是一個正在建設中的全球衛星導航系統。提供開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10米，授時精度為10納秒，測速精度為0.2米/秒。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。北斗系統與其他系統最大的不同，在于它不僅能使用戶知道自己的所在位置，還可以告訴別人自己的位置，非常適用于需要導航與移動數據通信場所。北斗衛星導航系統“家族”由空間段、地面段和用戶段三部分組成。空間部分：空間部分由衛星組成，按衛星軌道可分為以下三類：地球靜止軌道衛星(GEO衛星)：衛星軌道面與赤道面重合，運行周期為24小時，衛星在赤道上空靜止，在地心慣性坐標系中軌道為圓軌道。GEO衛星在區域導航服務方面具有明顯優勢，衛星利用率高，通訊衛星大多采用GEO衛星。中高度圓軌道衛星(MEO衛星) ：周期為12小時，是經過GPS和GLONASS系統成功運行證明性能優良的全球星座軌道。傾斜地球同步軌道衛星( IGSO衛星) ：24小時地球同步軌道，即所謂的大“8”字形軌道，中心位于赤道某設定的經度上，高度與地球靜止軌道衛星相同，衛星星下點24小時軌跡在本服務區內南北來回運動， 也是一種利用效率較高的區域星座，介于GEO和MEO之間。地面控制部分：包括主控站、注入站和監測站等若干地面站，用于維護北斗系統的正常運轉。用戶部分：由用戶及GNSS接收機、數據處理軟件、其他輔助設備組成。截止2012年9月，北斗衛星導航系統已發射了16顆導航衛星，包括5顆 MEO衛星（中高度圓軌道衛星），5顆IGSO衛星（傾斜地球同步軌道衛星）和5顆GEO衛星（地球靜止軌道衛星）具備了亞太地區的導航定位服務能力。

北斗區域衛星導航系統在導航精度方面，差分定位結果可以達到厘米，在亞太地區，導航和定位功能可以和GPS相媲美；在特殊服務方面，北斗有位置報告功能、有短報文通信功能。對于特殊用戶，自主北斗衛星導航系統，對國防安全、經濟安全等都非常重要。在時間系統方面，以前一直以為北斗的時鐘精度相當薄弱。但是最近從外國人發表的一篇有關北斗系統監測報告中我們看到，北斗衛星的星載鐘和GPS衛星鐘具有相近的精度。其中科學算法發揮了重要作用，保持了衛星鐘的相對穩定。但是，北斗有先天性的系統設計問題。用戶反映使用北斗會出現中斷現象，這是因為目前參與定位的幾顆靜止軌道衛星(GEO)在赤道上空，如果用戶行使在東西方向的街道上，對北半球用戶而言，地球同步衛星幾乎全部在南方，衛星信號易受南面高大建筑的遮擋，此外，現有的傾斜同步衛星（IGSO衛星）不可能全在可視狀態，會導致短時間衛星信號遮蔽，中斷定位。北斗星座的布設決定了特殊情況下使用的困難性，目前在北半球很難擺脫這種現狀。在未來全球衛星導航系統中，地球靜止衛星只起到輔助或增強作用。多路徑效應也是影響目前北斗衛星導航系統定位精度的重要因素，隨著中國和亞太地區可視衛星數量的增加，隨著接收機技術的進步，多徑效應影響會得到改善。北斗的設計本身就是導航系統的理論創新，包括兩種系統的兼容、星座的布設、局部區域的增強、通訊和導航的結合等都屬于理論上的創新。未來，隨著我國衛星導航系統建設的不斷推進，可以想象，北斗衛星導航系統一定會在系統維護、控制及運行方面取得全面進步。當然我們仍然需要在理論和方法上進一步研究，為衛星系統性能的提升提供技術支撐。未來的北斗衛星導航系統將布設30顆衛星，憑借中圓軌道衛星（MEO）的增加，中國用戶使用北斗衛星導航系統一定比使用GPS衛星系統更安全、更可靠。如果將北斗衛星導航系統與其它GNSS系統進行融合，則穩定性和可靠性將得到進一步增強。當北斗與其它某個衛星導航系統出現矛盾時，我們只要進行合理判斷，就能分析出單一衛星導航系統的問題。在重大工程的應用和基礎設施建設方面，我認為應該建設全國統一的衛星導航基礎設施。統一的衛星導航基礎設施會使衛星導航服務增值。但是，如果每個省都建設自己的北斗跟蹤站和差分站，都建設自己的基礎設施，必然會造成嚴重浪費，而且還會造成系統之間的不兼容，影響跨部門、跨行業用戶的使用。

四十年前，美國軍方開始了被稱作“全球定位系統”（GPS）的研制。現在，在我們頭頂上空約2萬公里處的中地球軌道，GPS系統部署了24顆衛星，地面站對這些衛星的信息數據進行捕捉、處理、解碼，并將有關信息發至用戶終端機——這樣，GPS給全球提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。如今，GPS在我們生活中已然不可或缺——飛機、汽車、船舶用它來導航；公安、金融、消防部門用它來監控、報警；而不少路癡朋友們駕車出行，也往往得有它來壯膽伴行……在GPS占領95%中國衛星導航定位市場的今天，一種想象不免令人時常不安——假如在關鍵時刻美國人關掉GPS，或者在上面“動點手腳”，我們的戰略武器怎么辦？我們的飛機怎么辦？事實上，這已經不只是想象與擔心。從2000年，第一顆北斗試驗衛星得以發射進入太空軌道。時至今日，北斗系統已經成功發射了16顆衛星，完成服務范圍覆蓋亞太地區的目標。從當初的“最高機密”，到今日亞太組網，北斗已經走過了二十多年，而它和高精度導航的研發建設剛剛開始.從技術和應用前景上看，四大系統各有優劣，假如說GPS勝在成熟，伽利略勝在精準，那么格洛納斯的最大價值就在于抗干擾能力強，而我國的北斗衛星導航系統的優勢則在于互動性和開放性。

北斗高精度接收機未來的發展，首先是要把多模多頻的問題解決好，北斗、GPS、Galileo和GLONASS多模多頻兼容是發展的關鍵。首先，盡量不要限制接收機的通道數量。因為，多模多頻情形下，系統誤差容易得到補償，所以接收機衛星通道數要足夠多（這樣才能接收更多的衛星）；其次，接收機要能對各類衛星信號的底噪進行快速處理、識別和控制。理論上，多系統兼容接收機的定位結果應該明顯優于單系統定位結果。

在利用多系統定位的時候，接收機軟件還應該具有容錯功能。當某顆衛星或某幾顆衛星出現異常時，接收機軟件不但能甄別問題，而且要求能夠自動控制異常數據對導航定位的影響；而且這類異常影響控制應該具有實時性。因為，對于許多高速行駛的載體，如果不能實時控制異常誤差的影響，1秒鐘的延時都可能導致定位結果異常，導致災難性的結果。如果解決不好這個問題，多系統兼容不僅沒有優勢，反而會成為劣勢。所以，多系統的兼容共用是一個新課題，在理論研究上一定要下功夫。現在我們的理論準備并不十分充足，以前大家更多關注GPS，解決GPS的問題，現在國際上提倡多系統兼容共用，究竟如何兼容，缺乏基礎研究和深入的思考。高精度接收機更重要的是要有甄別功能。如果某個衛星系統出現問題或者某顆衛星出現問題，接收機應該能夠迅速診斷，并及時排除。如果能夠判斷出問題類型，如時鐘問題，軌道問題，或者衛星的其他狀態問題，則更容易排除故障，在數據融合時候不至于把問題數據融合到導航定位結果中去。排除故障，控制異常影響是提高導航定位的安全性的重要環節。比如飛機導航過程中，如果把問題數據融合進去，問題數據就可能使解算結果崩潰，導致嚴重的定位錯誤，進而導致飛行安全問題。所以在接收機設計時就要充分考慮“完好性”，這是接收機必須要有的一個功能。國內很多專家認為ICD（北斗空間信號接口控制文件）不能公開，害怕一旦公開ICD文件，企業就會面臨極大的競爭。原因是目前國內接收機芯片的價格高、性能不穩定，沒有市場競爭力。但是只要ICD一天不公開，北斗系統就不會是全球衛星導航系統，北斗導航系統也不會有生命力。試想如果其他國家都不能使用北斗的衛星信號，不能制造北斗的衛星產品，北斗怎么能號稱全球導航定位系統？

據悉,我國各部門為衛星導航產業的發展做了非常好的規劃。除了政策和標準，還準備設立幾個重點實驗室，包括理論研究、導航精密定位和大眾服務。鼓勵創新，鼓勵中國產品和企業走向市場、走向國際。這是國家未來要解決的幾個大問題，從目前情況來看，很多體制和機制上的缺陷制約著北斗系統在高精度研發方面的進展。但是，國家鼓勵創新，鼓勵中國衛星導航企業提升核心競爭力，走向市場、走向國際的步伐和力度正在逐步加大。

國家準備投資設立多個衛星導航數據中心和分析中心，這在北斗衛星導航建設初期也許是必要的。但是國外的數據分析中心一般是自然生成的，不是國家指定的，因為有數據需求，市場就會有研究機構和企業提供相關服務，而且主動性、延續性和探索性更強。今年12月，國際IGS中心將對武漢大學的一個北斗衛星導航數據中心進行考核。把數據發到網上，全世界的用戶都可以對其產品進行檢核和分析，如果符合標準，明年就將納入全球IGS服務體系。我們鼓勵企業和各個研究中心自主生成數據中心，如果生產的數據好、軟件做得好、創新能力強，提供的數據和服務完備，國家就會認可并且提供相應的支持，國際上都是這么做的。國內的數據分析中心是國家撥款并指定的，不是自主生成的，相關科研機構的積極性和主動性沒有完全發揮出來，這是其一。其二，有一個現象，國外生產衛星導航芯片的企業一開始的時候也和目前的中國一樣，像雨后春筍一樣出現幾百家，現在就只剩下幾家。國內現在做衛星導航的企業有上千家，號稱掌握芯片關鍵技術的也有近十家，發展到一定階段會出現大浪淘沙。希望我們的芯片能夠和國外產品相抗衡，改變有機無芯的局面。這是我們需要重點解決的問題，在2020年前國家會在芯片開發方面有重大投入。國外也在抓緊研制北斗芯片，Trimble公司早就在研究北斗的底噪、電文格式、星座，早早地下功夫，儲備人才和技術，北斗的ICD文件一公布，國外公司很快就會生產出高水平的北斗衛星導航接收終端。于是，未來的衛星導航終端市場競爭十分激烈，國內企業要有緊迫感。另外，我認為應該把中國的衛星導航企業推向國際。國內現在生產高精度接收機的企業，雖然都熱衷于研發北斗產品，也有不少產品問世，但經過測試性能穩定的很少，都存在這樣或那樣的問題。國內企業必須加快研發速度。要想在這個領域里能夠產生國際影響，能夠引導國際潮流，并有所作為，就不能只顧眼前效益，忙眼前的事，而不考慮十年二十年之后的產業發展。我們必須要下功夫，考慮產品的細節和穩定性，實實在在地研發具有自主知識產權的北斗產品或兼容產品。企業要把北斗產品做得更強，前期大量的研發和投入，包括芯片、實驗性的研究都要有國家政策的支持，最近幾年，交通部、北斗在線等很多部門、單位和企業也都申報了不少國家專項資金的支持。在取得國家政策和資金支持的同時，企業也需要提升自身的“供血”能力。表現在，聯合高校加強產學研結合實踐，加大核心研發技術的投入力度，加快科研成果向產業化轉化的進程，拓展市場等諸多方面。以南方測繪為代表的國內企業，這么多年來就證實了這一點：打鐵要靠自身硬。政府的支持只是強心劑，但要想跑得遠、走得穩健，還是要靠自身的體制。

知識之窗

3S技術及其應用

3S技術是遙感技術(RS).全球定位系統(GPS)及地理信息系統(GIS)的總稱。

遙感技術(RS)是指從遠距離高空外層空間的各種平臺上,利用各種波段的傳感器,通過攝影或掃描,信息感應,識別地面物質的性質和運動狀態的技術。全球定位系統(GPS)是具有高精度,全天候的實時定位和能力,可為遙感實況數據提供空間坐標,從而建立實況數據庫及在圖像圖形數據庫中用圖像顯示平臺和傳感器的位置與觀測值的技術。

地理信息系統(GIS)

地理信息系統是一個關于空間信息輸入,儲存和管理,分析應用與結果輸出的計算機化系統.它除了具有數據庫的基本功能之外,還具有強大的空間分析和輔助決策功能,可為宏觀決策進行管理和服務,能實現快速準確的空間分析和動態監測研究。