北斗定位导航技术的应用及展望

史恒林 李媛州 王子强

摘要：作为能够与美国GPS技术相抗衡的全球卫星导航系统——北斗卫星导航系统，有着巨大的应用市场和发展前景。本文介绍了在新的时代背景下，北斗技术对于我国的战略优势以及应用前景。

关键词：北斗 导航定位 精确制导

中图分类号：U666 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

引言

北斗卫星导航系统分为北斗导航试验系统（北斗一号）和北斗卫星导航系统（北斗二号）两部分，是我国正在自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。

目前，全球共有四套全球卫星导航系统：中国的北斗二号（在建）、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo。随着GPS在我国各行各业甚至是国防领域越来越广泛的应用，我们对GPS的依赖性也越来越强，这时我国的经济及国家安全机密都有可能通过GPS技术泄露给其他国家。我国已经充分认识到发展本国的卫星导航系统不仅仅是经济发展的需要，更是关系到保障国家战略安全的重要一环。

我国已于2012年完成了北斗卫星导航系统对亚太部分地区的信号覆盖并正式提供卫星导航服务。根据规划，我国将在2020年完成北斗二号的建设，届时将实现覆盖全球的卫星导航功能，并在2020年前全部淘汰单一GPS信号设备，对有潜在干扰和破坏的GPS信号设备停用，分几年几个阶段，分别通过试装、改装、新建等几个步骤，完成北斗或北斗兼容平台及设备的普及。

1.北斗技术简述

北斗卫星导航试验系统（北斗一号）的工作原理：地面站发送信号经由两颗同步定点卫星发送给用户，用户对信号做出响应，经两颗卫星发送到地面站，根据信号在地面站、卫星、用户之间的往返来测定用户的位置，地面站将位置信息通过卫星发送给用户，从而实现定位。如图1所示。

图1北斗一号工作原理图2三球交汇定位原理

北斗卫星导航系统（北斗二号）是在北斗卫星导航试验系统（北斗一号）的基础上进行研制，采用无源定位机制，由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段采用东方红-3号卫星平台，由5颗静止轨道（GEO）卫星、27颗中地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜同步轨道（IGSO）卫星组成。地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。用户段由北斗用户终端，以及与其它全球导航卫星系统兼容的终端组成。35颗卫星在高空中以固定的周期环绕地球，地面上任何一点都可以在任何时间接收到4颗以上的卫星信号。因为卫星的位置是精确已知的，所以在定位的过程中很容易就可以知道卫星到用户的距离。利用三维坐标距离方程，只需利用3颗卫星组成三个方程，解出X、Y、Z就可以知道用户的精确位置（三球交汇定位原理）。但是实际中考虑到卫星的时钟和用户端的时钟可能会有误差，这样在进行定位的方程中就会有四个未知数，即X、Y、Z和时间差。所以在定位的过程中需要第四颗卫星，用四个方程进行求解，这样就能得到用户端的经纬度和高程。如公式1所示。

在实际的工作过程中，用户端可以轻易地锁定四颗以上的卫星。这样用户端就会根据卫星的分布挑选出误差最小的四颗卫星用作定位，从而实现精确定位。由于大气中的对流层和电离层对信号的影响较大，为提高定位精度普遍采用差分定位技术，建立地面基准站来进行卫星观测，利用已知的基准站的精确坐标与观测值进行比较来得出一组修正数，用户端接收到基准站发布的修正数与自身的观测值进行比较，消去大部分的误差之后得到一个比较准确的位置坐标。

北斗卫星导航系统虽然在性能方面还无法与美国的GPS相比，但是仍然具备GPS没有的优点。比如具备简短的报文通信功能和双向报文通信能力；受地形地貌影响小，不存在GPS的林下无信号的情况（GPS卫星只有几十瓦的发射功率）并且满足既定位又报告位置的要求且响应时间为1秒。

2.北斗的战略优势

2.1北斗的技术优势

核心技术的国产化

精确武器制导是新时期导航应用的又一重大发展，它使军事抢险样式发生了重大转变。对于导弹、炸弹和炮弹这些武器系统的杀伤力来说，命中精度提高1倍相当于加大8倍的爆炸力，正是因为新型导航系统具有很高的精度，才使精确制导武器得以迅速发展。北斗系统的诞生使我国的精确制导武器摆脱了对于GPS技术的依赖。

并且北斗不只是简单的取代了GPS而已，其独有的短信报文功能是世界上任何一个国家的导航系统所不具备的，它可以一次传输达到120个汉字的信息。这在远洋航行中具有重要的应用价值。GPS只是接收型的定位系统，用户只需要接收信号就能够实现定位。很多直升机安装有GPS但是在重大灾害和突发事件的面前接收型定位原理的GPS大大限制了它的应用范围。GPS只是解决了“我在哪里”的问题，而北斗不仅能够知道“我在哪里”还能够告诉别人“我在哪里，情况如何”。因此，GPS在技术层面上无法取代北斗。

2.2北斗的战略优势

导航战

在战时和战场区域对GPS的利用和反利用、阻止和保护构成了所谓的导航战。由于GPS是美国研制和掌握的系统，在美军和其敌对方进行对抗时，可使用的导航技术不完全对称。

1996年美军开始实施导航战计划，其内容和目标为：保护美国及其盟国对GPS的军事应用；防止敌对方利用GPS保持民用无线电导航的和平利用。阻止敌对方利用GPS与美军对抗是导航战的主要目标之一，它的内容是让敌对方在战场区域或者在美军规定的时间与区域GPS不能工作。

据报道，在1999年的科索沃战争和2002年的阿富汗战争中，美军在南联盟和阿富汗全境都停止了GPS的使用，致使对方损失惨重。

如果我们没有自己的卫星导航系统，就相当于在国防安全上给自己埋下了一颗定时炸弹。在美军导航战的背景之下，用美军的技术与美军进行对抗，后果可想而知。

3.北斗技术的应用及展望

3.1车辆导航

GPS车辆导航技术在现代社会几乎成了出门上路的必需品，这使得越来越多的人对于GPS技术有着越来越强的依赖性。北斗卫星导航系统的出现不仅使得国人在导航产品上有了新的选择，也让中国人解除了对于GPS技术的依赖性。特别是在国防安全上，将北斗技术应用在装甲车辆上，不仅能够提高作战效率、降低成本，也有效保证了车辆的行驶安全。

3.2车辆跟踪与调度

车辆跟踪与调度技术与车辆导航有所不同：车辆导航技术是将车辆位置和行驶路线信息显示给车辆驾驶员，而车辆跟踪与调度技术只是将这些信息提供给监控中心和调度管理人员。将这项技术结合车辆导航并通过北斗系统在我国相关领域中实现，不仅可以让车辆知道自己在什么位置，也方便指挥中心对其下达命令。

3.3航空航海的导航

GPS由于全球覆盖和精度很高，可以显著改善交通密集区的导航性能和边远区及越洋航路的覆盖，从而提高航行的安全与效率。但是从我国交通运输安全的角度看，GPS要用作导航系统还是有安全隐患的。在必要时，美国军方可以关闭或者降低GPS民用的性能，而并不需要民用部门的认可。

北斗系统的出现使我国打破了美国在这一导航领域近乎于垄断的局面。

3.4空中交通管制

空中交通管制系统是空域系统的组成部分，是为保障空中交通安全和高效运行而设置的。为了适应空中交通不断发展的要求，在新出现的卫星导航、卫星通信和数据通信的基础上，国际民用航空组织制定了CNS/ATM系统的概念，并且领导国际民用航空从20世纪90年代初开始逐渐向CNS/ATM系统过渡。

卫星导航是CNS/ATM的核心系统之一，它不仅是实现导航和ADS（先进设计系统）的基础，而且在通信的网络同步中也发挥着重要的作用。

3.5授时功能

北斗卫星导航系统和美国的GPS导航系统一样，为用户提供授时服务。随着全球一体化的进程，统一的时间标准显得更加重要，尤其是在机器与机器之间的对话和对机器的控制领域。例如，调频通信，发射机信号载频每秒要跳变几百次或者上千次，接收机只有知道载频变化的规律和跳变发生的时间才能正常接收；在抢险指挥所，众多来源的情报消息只有在附有时间标记的前提下才能相关、融合与链接起来，形成目标航迹。

3.6通信技术

北斗定位导航系统所独有的双向报文通信功能使北斗不仅解决了“我在哪里”的问题，还能让别人知道“我在哪里，情况如何”。 2008年四川汶川特大地震后，普通地面通信完全中断，救灾人员无的放矢。“北斗一号”卫星导航定位系统由于不受通讯信号和空间距离的影响，一台主指挥机进行卫星定位之后，可连接多部类似于手机的“北斗一号”终端机，终端机每次可编写40多字的短信发送到指定手机上。这项功能确保了救灾指挥部与灾区的救灾部队的随时联系，为救灾指令的通畅做出了巨大的贡献。

4.结论

作为我国首个拥有自主知识产权的卫星导航系统和世界第三个被联合国认可的海上卫星导航系统，北斗卫星导航系统拥有着不可限量的应用前景。拥有北斗技术，使我国的导航定位技术不再受制于人，不用再“看别人的脸色来办事”。随着北斗技术的发展和北斗导航应用的规模化建设，北斗将迎来规模化、国际化、社会化的重大历史机遇。

参考文献：

[1] 李跃.导航与定位（第2版）——信息化战争的北斗星[M]. 北京：国防工业出版社，2008

[2] 谢军，刘天雄.《北斗导航卫星的发展研究及建议》[J].数字通信世界，2013（8）.

[3] 王征.《一体化联合抢险与标准化》[J].船舶标准化工程师，2006（5）.

[4]曹晨，段大江.《新型的电子战与赛博战》[J].航空知识，2011（10）.