吳 景 勤

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)綜述

吳 景 勤

中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)﹝BeiD（COMPASSNavigation Satellite System﹞以“北斗”命名。這是中國正在實施的自主發(fā)展獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。建成獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，促進衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國家衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)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(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗二號則是一個正在建設(shè)中的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費提供定位、測速和授時服務(wù)，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(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)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(shù)據(jù)通信場所。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)“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(wèi)星組成，按衛(wèi)星軌道可分為以下三類：地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO衛(wèi)星)：衛(wèi)星軌道面與赤道面重合，運行周期為24小時，衛(wèi)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(wèi)星在區(qū)域?qū)Ш椒?wù)方面具有明顯優(yōu)勢，衛(wèi)星利用率高，通訊衛(wèi)星大多采用GEO衛(wèi)星。中高度圓軌道衛(wèi)星(MEO衛(wèi)星) ：周期為12小時，是經(jīng)過GPS和GLONASS系統(tǒng)成功運行證明性能優(yōu)良的全球星座軌道。傾斜地球同步軌道衛(wèi)星( IGSO衛(wèi)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(shè)定的經(jīng)度上，高度與地球靜止軌道衛(wèi)星相同，衛(wèi)星星下點24小時軌跡在本服務(wù)區(qū)內(nèi)南北來回運動， 也是一種利用效率較高的區(qū)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(jiān)測站等若干地面站，用于維護北斗系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。用戶部分：由用戶及GNSS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件、其他輔助設(shè)備組成。截止2012年9月，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已發(fā)射了16顆導航衛(wèi)星，包括5顆 MEO衛(wèi)星（中高度圓軌道衛(wèi)星），5顆IGSO衛(wèi)星（傾斜地球同步軌道衛(wèi)星）和5顆GEO衛(wèi)星（地球靜止軌道衛(wèi)星）具備了亞太地區(qū)的導航定位服務(wù)能力。

北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)在導航精度方面，差分定位結(jié)果可以達到厘米，在亞太地區(qū)，導航和定位功能可以和GPS相媲美；在特殊服務(wù)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(wèi)星導航系統(tǒng)，對國防安全、經(jīng)濟安全等都非常重要。在時間系統(tǒng)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(fā)表的一篇有關(guān)北斗系統(tǒng)監(jiān)測報告中我們看到，北斗衛(wèi)星的星載鐘和GPS衛(wèi)星鐘具有相近的精度。其中科學算法發(fā)揮了重要作用，保持了衛(wèi)星鐘的相對穩(wěn)定。但是，北斗有先天性的系統(tǒng)設(shè)計問題。用戶反映使用北斗會出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，這是因為目前參與定位的幾顆靜止軌道衛(wèi)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(wèi)星幾乎全部在南方，衛(wèi)星信號易受南面高大建筑的遮擋，此外，現(xiàn)有的傾斜同步衛(wèi)星（IGSO衛(wèi)星）不可能全在可視狀態(tài)，會導致短時間衛(wèi)星信號遮蔽，中斷定位。北斗星座的布設(shè)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(xiàn)狀。在未來全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，地球靜止衛(wèi)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(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度的重要因素，隨著中國和亞太地區(qū)可視衛(wèi)星數(shù)量的增加，隨著接收機技術(shù)的進步，多徑效應影響會得到改善。北斗的設(shè)計本身就是導航系統(tǒng)的理論創(chuàng)新，包括兩種系統(tǒng)的兼容、星座的布設(shè)、局部區(qū)域的增強、通訊和導航的結(jié)合等都屬于理論上的創(chuàng)新。未來，隨著我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進，可以想象，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)一定會在系統(tǒng)維護、控制及運行方面取得全面進步。當然我們?nèi)匀恍枰诶碚摵头椒ㄉ线M一步研究，為衛(wèi)星系統(tǒng)性能的提升提供技術(shù)支撐。未來的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將布設(shè)30顆衛(wèi)星，憑借中圓軌道衛(wèi)星（MEO）的增加，中國用戶使用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)一定比使用GPS衛(wèi)星系統(tǒng)更安全、更可靠。如果將北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與其它GNSS系統(tǒng)進行融合，則穩(wěn)定性和可靠性將得到進一步增強。當北斗與其它某個衛(wèi)星導航系統(tǒng)出現(xiàn)矛盾時，我們只要進行合理判斷，就能分析出單一衛(wèi)星導航系統(tǒng)的問題。在重大工程的應用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，我認為應該建設(shè)全國統(tǒng)一的衛(wèi)星導航基礎(chǔ)設(shè)施。統(tǒng)一的衛(wèi)星導航基礎(chǔ)設(shè)施會使衛(wèi)星導航服務(wù)增值。但是，如果每個省都建設(shè)自己的北斗跟蹤站和差分站，都建設(shè)自己的基礎(chǔ)設(shè)施，必然會造成嚴重浪費，而且還會造成系統(tǒng)之間的不兼容，影響跨部門、跨行業(yè)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(tǒng)”（GPS）的研制?，F(xiàn)在，在我們頭頂上空約2萬公里處的中地球軌道，GPS系統(tǒng)部署了24顆衛(wèi)星，地面站對這些衛(wèi)星的信息數(shù)據(jù)進行捕捉、處理、解碼，并將有關(guān)信息發(fā)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(jiān)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(lǐng)95%中國衛(wèi)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(guān)鍵時刻美國人關(guān)掉GPS，或者在上面“動點手腳”，我們的戰(zhàn)略武器怎么辦？我們的飛機怎么辦？事實上，這已經(jīng)不只是想象與擔心。從2000年，第一顆北斗試驗衛(wèi)星得以發(fā)射進入太空軌道。時至今日，北斗系統(tǒng)已經(jīng)成功發(fā)射了16顆衛(wèi)星，完成服務(wù)范圍覆蓋亞太地區(qū)的目標。從當初的“最高機密”，到今日亞太組網(wǎng)，北斗已經(jīng)走過了二十多年，而它和高精度導航的研發(fā)建設(shè)剛剛開始.從技術(shù)和應用前景上看，四大系統(tǒng)各有優(yōu)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(wèi)星導航系統(tǒng)的優(yōu)勢則在于互動性和開放性。

北斗高精度接收機未來的發(fā)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(fā)展的關(guān)鍵。首先，盡量不要限制接收機的通道數(shù)量。因為，多模多頻情形下，系統(tǒng)誤差容易得到補償，所以接收機衛(wèi)星通道數(shù)要足夠多（這樣才能接收更多的衛(wèi)星）；其次，接收機要能對各類衛(wèi)星信號的底噪進行快速處理、識別和控制。理論上，多系統(tǒng)兼容接收機的定位結(jié)果應該明顯優(yōu)于單系統(tǒng)定位結(jié)果。

在利用多系統(tǒng)定位的時候，接收機軟件還應該具有容錯功能。當某顆衛(wèi)星或某幾顆衛(wèi)星出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jié)果異常，導致災難性的結(jié)果。如果解決不好這個問題，多系統(tǒng)兼容不僅沒有優(yōu)勢，反而會成為劣勢。所以，多系統(tǒng)的兼容共用是一個新課題，在理論研究上一定要下功夫。現(xiàn)在我們的理論準備并不十分充足，以前大家更多關(guān)注GPS，解決GPS的問題，現(xiàn)在國際上提倡多系統(tǒng)兼容共用，究竟如何兼容，缺乏基礎(chǔ)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(wèi)星系統(tǒng)出現(xiàn)問題或者某顆衛(wèi)星出現(xiàn)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(wèi)星的其他狀態(tài)問題，則更容易排除故障，在數(shù)據(jù)融合時候不至于把問題數(shù)據(jù)融合到導航定位結(jié)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(huán)節(jié)。比如飛機導航過程中，如果把問題數(shù)據(jù)融合進去，問題數(shù)據(jù)就可能使解算結(jié)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(shè)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(nèi)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(yè)就會面臨極大的競爭。原因是目前國內(nèi)接收機芯片的價格高、性能不穩(wěn)定，沒有市場競爭力。但是只要ICD一天不公開，北斗系統(tǒng)就不會是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗導航系統(tǒng)也不會有生命力。試想如果其他國家都不能使用北斗的衛(wèi)星信號，不能制造北斗的衛(wèi)星產(chǎn)品，北斗怎么能號稱全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)？

據(jù)悉,我國各部門為衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做了非常好的規(guī)劃。除了政策和標準，還準備設(shè)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(wù)。鼓勵創(chuàng)新，鼓勵中國產(chǎn)品和企業(yè)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(tǒng)在高精度研發(fā)方面的進展。但是，國家鼓勵創(chuàng)新，鼓勵中國衛(wèi)星導航企業(yè)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(shè)立多個衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)中心和分析中心，這在北斗衛(wèi)星導航建設(shè)初期也許是必要的。但是國外的數(shù)據(jù)分析中心一般是自然生成的，不是國家指定的，因為有數(shù)據(jù)需求，市場就會有研究機構(gòu)和企業(yè)提供相關(guān)服務(wù)，而且主動性、延續(xù)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(wèi)星導航數(shù)據(jù)中心進行考核。把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)上，全世界的用戶都可以對其產(chǎn)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(wù)體系。我們鼓勵企業(yè)和各個研究中心自主生成數(shù)據(jù)中心，如果生產(chǎn)的數(shù)據(jù)好、軟件做得好、創(chuàng)新能力強，提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)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(nèi)的數(shù)據(jù)分析中心是國家撥款并指定的，不是自主生成的，相關(guān)科研機構(gòu)的積極性和主動性沒有完全發(fā)揮出來，這是其一。其二，有一個現(xiàn)象，國外生產(chǎn)衛(wèi)星導航芯片的企業(yè)一開始的時候也和目前的中國一樣，像雨后春筍一樣出現(xiàn)幾百家，現(xiàn)在就只剩下幾家。國內(nèi)現(xiàn)在做衛(wèi)星導航的企業(yè)有上千家，號稱掌握芯片關(guān)鍵技術(shù)的也有近十家，發(fā)展到一定階段會出現(xiàn)大浪淘沙。希望我們的芯片能夠和國外產(chǎn)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(fā)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(shù)，北斗的ICD文件一公布，國外公司很快就會生產(chǎn)出高水平的北斗衛(wèi)星導航接收終端。于是，未來的衛(wèi)星導航終端市場競爭十分激烈，國內(nèi)企業(yè)要有緊迫感。另外，我認為應該把中國的衛(wèi)星導航企業(yè)推向國際。國內(nèi)現(xiàn)在生產(chǎn)高精度接收機的企業(yè)，雖然都熱衷于研發(fā)北斗產(chǎn)品，也有不少產(chǎn)品問世，但經(jīng)過測試性能穩(wěn)定的很少，都存在這樣或那樣的問題。國內(nèi)企業(yè)必須加快研發(fā)速度。要想在這個領(lǐng)域里能夠產(chǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展。我們必須要下功夫，考慮產(chǎn)品的細節(jié)和穩(wěn)定性，實實在在地研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗產(chǎn)品或兼容產(chǎn)品。企業(yè)要把北斗產(chǎn)品做得更強，前期大量的研發(fā)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(yè)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(yè)也需要提升自身的“供血”能力。表現(xiàn)在，聯(lián)合高校加強產(chǎn)學研結(jié)合實踐，加大核心研發(fā)技術(shù)的投入力度，加快科研成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的進程，拓展市場等諸多方面。以南方測繪為代表的國內(nèi)企業(yè)，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(wěn)健，還是要靠自身的體制。

知識之窗

3S技術(shù)及其應用

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

遙感技術(shù)(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(zhì)的性質(zhì)和運動狀態(tài)的技術(shù)。全球定位系統(tǒng)(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(shù)據(jù)提供空間坐標,從而建立實況數(shù)據(jù)庫及在圖像圖形數(shù)據(jù)庫中用圖像顯示平臺和傳感器的位置與觀測值的技術(shù)。

地理信息系統(tǒng)(GIS)

地理信息系統(tǒng)是一個關(guān)于空間信息輸入,儲存和管理,分析應用與結(jié)果輸出的計算機化系統(tǒng).它除了具有數(shù)據(jù)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(wù),能實現(xiàn)快速準確的空間分析和動態(tài)監(jiān)測研究。