北斗卫星导航系统综述

吴 景 勤

北斗卫星导航系统综述

吴 景 勤

中国自主研发的全球卫星导航系统﹝BeiD（COMPASSNavigation Satellite System﹞以“北斗”命名。这是中国正在实施的自主发展独立运行的全球卫星导航系统。建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系,它包括北斗一号和北斗二号两代。北斗一号是已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。提供开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为10纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。北斗系统与其他系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置，非常适用于需要导航与移动数据通信场所。北斗卫星导航系统“家族”由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间部分：空间部分由卫星组成，按卫星轨道可分为以下三类：地球静止轨道卫星(GEO卫星)：卫星轨道面与赤道面重合，运行周期为24小时，卫星在赤道上空静止，在地心惯性坐标系中轨道为圆轨道。GEO卫星在区域导航服务方面具有明显优势，卫星利用率高，通讯卫星大多采用GEO卫星。中高度圆轨道卫星(MEO卫星) ：周期为12小时，是经过GPS和GLONASS系统成功运行证明性能优良的全球星座轨道。倾斜地球同步轨道卫星( IGSO卫星) ：24小时地球同步轨道，即所谓的大“8”字形轨道，中心位于赤道某设定的经度上，高度与地球静止轨道卫星相同，卫星星下点24小时轨迹在本服务区内南北来回运动， 也是一种利用效率较高的区域星座，介于GEO和MEO之间。地面控制部分：包括主控站、注入站和监测站等若干地面站，用于维护北斗系统的正常运转。用户部分：由用户及GNSS接收机、数据处理软件、其他辅助设备组成。截止2012年9月，北斗卫星导航系统已发射了16颗导航卫星，包括5颗 MEO卫星（中高度圆轨道卫星），5颗IGSO卫星（倾斜地球同步轨道卫星）和5颗GEO卫星（地球静止轨道卫星）具备了亚太地区的导航定位服务能力。

北斗区域卫星导航系统在导航精度方面，差分定位结果可以达到厘米，在亚太地区，导航和定位功能可以和GPS相媲美；在特殊服务方面，北斗有位置报告功能、有短报文通信功能。对于特殊用户，自主北斗卫星导航系统，对国防安全、经济安全等都非常重要。在时间系统方面，以前一直以为北斗的时钟精度相当薄弱。但是最近从外国人发表的一篇有关北斗系统监测报告中我们看到，北斗卫星的星载钟和GPS卫星钟具有相近的精度。其中科学算法发挥了重要作用，保持了卫星钟的相对稳定。但是，北斗有先天性的系统设计问题。用户反映使用北斗会出现中断现象，这是因为目前参与定位的几颗静止轨道卫星(GEO)在赤道上空，如果用户行使在东西方向的街道上，对北半球用户而言，地球同步卫星几乎全部在南方，卫星信号易受南面高大建筑的遮挡，此外，现有的倾斜同步卫星（IGSO卫星）不可能全在可视状态，会导致短时间卫星信号遮蔽，中断定位。北斗星座的布设决定了特殊情况下使用的困难性，目前在北半球很难摆脱这种现状。在未来全球卫星导航系统中，地球静止卫星只起到辅助或增强作用。多路径效应也是影响目前北斗卫星导航系统定位精度的重要因素，随着中国和亚太地区可视卫星数量的增加，随着接收机技术的进步，多径效应影响会得到改善。北斗的设计本身就是导航系统的理论创新，包括两种系统的兼容、星座的布设、局部区域的增强、通讯和导航的结合等都属于理论上的创新。未来，随着我国卫星导航系统建设的不断推进，可以想象，北斗卫星导航系统一定会在系统维护、控制及运行方面取得全面进步。当然我们仍然需要在理论和方法上进一步研究，为卫星系统性能的提升提供技术支撑。未来的北斗卫星导航系统将布设30颗卫星，凭借中圆轨道卫星（MEO）的增加，中国用户使用北斗卫星导航系统一定比使用GPS卫星系统更安全、更可靠。如果将北斗卫星导航系统与其它GNSS系统进行融合，则稳定性和可靠性将得到进一步增强。当北斗与其它某个卫星导航系统出现矛盾时，我们只要进行合理判断，就能分析出单一卫星导航系统的问题。在重大工程的应用和基础设施建设方面，我认为应该建设全国统一的卫星导航基础设施。统一的卫星导航基础设施会使卫星导航服务增值。但是，如果每个省都建设自己的北斗跟踪站和差分站，都建设自己的基础设施，必然会造成严重浪费，而且还会造成系统之间的不兼容，影响跨部门、跨行业用户的使用。

四十年前，美国军方开始了被称作“全球定位系统”（GPS）的研制。现在，在我们头顶上空约2万公里处的中地球轨道，GPS系统部署了24颗卫星，地面站对这些卫星的信息数据进行捕捉、处理、解码，并将有关信息发至用户终端机——这样，GPS给全球提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。如今，GPS在我们生活中已然不可或缺——飞机、汽车、船舶用它来导航；公安、金融、消防部门用它来监控、报警；而不少路痴朋友们驾车出行，也往往得有它来壮胆伴行……在GPS占领95%中国卫星导航定位市场的今天，一种想象不免令人时常不安——假如在关键时刻美国人关掉GPS，或者在上面“动点手脚”，我们的战略武器怎么办？我们的飞机怎么办？事实上，这已经不只是想象与担心。从2000年，第一颗北斗试验卫星得以发射进入太空轨道。时至今日，北斗系统已经成功发射了16颗卫星，完成服务范围覆盖亚太地区的目标。从当初的“最高机密”，到今日亚太组网，北斗已经走过了二十多年，而它和高精度导航的研发建设刚刚开始.从技术和应用前景上看，四大系统各有优劣，假如说GPS胜在成熟，伽利略胜在精准，那么格洛纳斯的最大价值就在于抗干扰能力强，而我国的北斗卫星导航系统的优势则在于互动性和开放性。

北斗高精度接收机未来的发展，首先是要把多模多频的问题解决好，北斗、GPS、Galileo和GLONASS多模多频兼容是发展的关键。首先，尽量不要限制接收机的通道数量。因为，多模多频情形下，系统误差容易得到补偿，所以接收机卫星通道数要足够多（这样才能接收更多的卫星）；其次，接收机要能对各类卫星信号的底噪进行快速处理、识别和控制。理论上，多系统兼容接收机的定位结果应该明显优于单系统定位结果。

在利用多系统定位的时候，接收机软件还应该具有容错功能。当某颗卫星或某几颗卫星出现异常时，接收机软件不但能甄别问题，而且要求能够自动控制异常数据对导航定位的影响；而且这类异常影响控制应该具有实时性。因为，对于许多高速行驶的载体，如果不能实时控制异常误差的影响，1秒钟的延时都可能导致定位结果异常，导致灾难性的结果。如果解决不好这个问题，多系统兼容不仅没有优势，反而会成为劣势。所以，多系统的兼容共用是一个新课题，在理论研究上一定要下功夫。现在我们的理论准备并不十分充足，以前大家更多关注GPS，解决GPS的问题，现在国际上提倡多系统兼容共用，究竟如何兼容，缺乏基础研究和深入的思考。高精度接收机更重要的是要有甄别功能。如果某个卫星系统出现问题或者某颗卫星出现问题，接收机应该能够迅速诊断，并及时排除。如果能够判断出问题类型，如时钟问题，轨道问题，或者卫星的其他状态问题，则更容易排除故障，在数据融合时候不至于把问题数据融合到导航定位结果中去。排除故障，控制异常影响是提高导航定位的安全性的重要环节。比如飞机导航过程中，如果把问题数据融合进去，问题数据就可能使解算结果崩溃，导致严重的定位错误，进而导致飞行安全问题。所以在接收机设计时就要充分考虑“完好性”，这是接收机必须要有的一个功能。国内很多专家认为ICD（北斗空间信号接口控制文件）不能公开，害怕一旦公开ICD文件，企业就会面临极大的竞争。原因是目前国内接收机芯片的价格高、性能不稳定，没有市场竞争力。但是只要ICD一天不公开，北斗系统就不会是全球卫星导航系统，北斗导航系统也不会有生命力。试想如果其他国家都不能使用北斗的卫星信号，不能制造北斗的卫星产品，北斗怎么能号称全球导航定位系统？

据悉,我国各部门为卫星导航产业的发展做了非常好的规划。除了政策和标准，还准备设立几个重点实验室，包括理论研究、导航精密定位和大众服务。鼓励创新，鼓励中国产品和企业走向市场、走向国际。这是国家未来要解决的几个大问题，从目前情况来看，很多体制和机制上的缺陷制约着北斗系统在高精度研发方面的进展。但是，国家鼓励创新，鼓励中国卫星导航企业提升核心竞争力，走向市场、走向国际的步伐和力度正在逐步加大。

国家准备投资设立多个卫星导航数据中心和分析中心，这在北斗卫星导航建设初期也许是必要的。但是国外的数据分析中心一般是自然生成的，不是国家指定的，因为有数据需求，市场就会有研究机构和企业提供相关服务，而且主动性、延续性和探索性更强。今年12月，国际IGS中心将对武汉大学的一个北斗卫星导航数据中心进行考核。把数据发到网上，全世界的用户都可以对其产品进行检核和分析，如果符合标准，明年就将纳入全球IGS服务体系。我们鼓励企业和各个研究中心自主生成数据中心，如果生产的数据好、软件做得好、创新能力强，提供的数据和服务完备，国家就会认可并且提供相应的支持，国际上都是这么做的。国内的数据分析中心是国家拨款并指定的，不是自主生成的，相关科研机构的积极性和主动性没有完全发挥出来，这是其一。其二，有一个现象，国外生产卫星导航芯片的企业一开始的时候也和目前的中国一样，像雨后春笋一样出现几百家，现在就只剩下几家。国内现在做卫星导航的企业有上千家，号称掌握芯片关键技术的也有近十家，发展到一定阶段会出现大浪淘沙。希望我们的芯片能够和国外产品相抗衡，改变有机无芯的局面。这是我们需要重点解决的问题，在2020年前国家会在芯片开发方面有重大投入。国外也在抓紧研制北斗芯片，Trimble公司早就在研究北斗的底噪、电文格式、星座，早早地下功夫，储备人才和技术，北斗的ICD文件一公布，国外公司很快就会生产出高水平的北斗卫星导航接收终端。于是，未来的卫星导航终端市场竞争十分激烈，国内企业要有紧迫感。另外，我认为应该把中国的卫星导航企业推向国际。国内现在生产高精度接收机的企业，虽然都热衷于研发北斗产品，也有不少产品问世，但经过测试性能稳定的很少，都存在这样或那样的问题。国内企业必须加快研发速度。要想在这个领域里能够产生国际影响，能够引导国际潮流，并有所作为，就不能只顾眼前效益，忙眼前的事，而不考虑十年二十年之后的产业发展。我们必须要下功夫，考虑产品的细节和稳定性，实实在在地研发具有自主知识产权的北斗产品或兼容产品。企业要把北斗产品做得更强，前期大量的研发和投入，包括芯片、实验性的研究都要有国家政策的支持，最近几年，交通部、北斗在线等很多部门、单位和企业也都申报了不少国家专项资金的支持。在取得国家政策和资金支持的同时，企业也需要提升自身的“供血”能力。表现在，联合高校加强产学研结合实践，加大核心研发技术的投入力度，加快科研成果向产业化转化的进程，拓展市场等诸多方面。以南方测绘为代表的国内企业，这么多年来就证实了这一点：打铁要靠自身硬。政府的支持只是强心剂，但要想跑得远、走得稳健，还是要靠自身的体制。

知识之窗

3S技术及其应用

3S技术是遥感技术(RS).全球定位系统(GPS)及地理信息系统(GIS)的总称。

遥感技术(RS)是指从远距离高空外层空间的各种平台上,利用各种波段的传感器,通过摄影或扫描,信息感应,识别地面物质的性质和运动状态的技术。全球定位系统(GPS)是具有高精度,全天候的实时定位和能力,可为遥感实况数据提供空间坐标,从而建立实况数据库及在图像图形数据库中用图像显示平台和传感器的位置与观测值的技术。

地理信息系统(GIS)

地理信息系统是一个关于空间信息输入,储存和管理,分析应用与结果输出的计算机化系统.它除了具有数据库的基本功能之外,还具有强大的空间分析和辅助决策功能,可为宏观决策进行管理和服务,能实现快速准确的空间分析和动态监测研究。