北斗卫星导航系统的应用研究

2022-03-07赵亚蓓时建新

电子测试 2022年24期

赵亚蓓，时建新

(1河南测绘职业学院，河南郑州，450015; 2 中铁七局集团广州工程有限公司，广东广州，510700)

1 北斗卫星导航系统的组成及原理

北斗卫星导航系统由空间段，地面段，用户段3部分组成，空间段由27颗中圆地球轨道卫星（MEO），5颗地球静止轨道卫星（GEO）和3颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）组成。地面段包括主控站、注入站和监控站等。用户端包括用户端和其他与北斗兼容的用户终端。

北斗卫星导航原理与其他国家的导航系统相似，地面段的控制中心向同步轨道上的两颗卫星同时发射测距信号，卫星将接收到的测距信号进行放大并经卫星转发器向用户广播,用户机在接收到卫星转发器转发的测距信号后，将立即发出的应答信号，再由卫星转发器转发给地面控制中心系统，地面控制中心接收到用户机发来的信号立即进行解调和相应的数据处理，根据信号的时间延迟，计算出测距信号经过中心站到达卫星，再由卫星转发到达用户机，用户再把响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的传递时间；并由此得到中心站至卫星、卫星至用户的距离之和，再结合已知的中心控制系统和两颗卫星的距离，进行计算得到用户机与两颗卫星的距离。最后地面控制中心系统再从存储的数字化地形图找到符合距离条件的点，利用数值地图可计算出用户的位置坐标。

2 北斗卫星导航系统的优点

北斗系统相比其他卫星导航系统有如下优点：北斗卫星导航系统空间段是由三种轨道卫星混合组成的星座，高轨卫星多，抗遮挡能力更强[1]。二是北斗卫星导航系统采用的是三频定位技术，定位精度可以达到 2cm。三是由于北斗卫星导航系统融合了导航定位与通信数传的功能，可以提供精准定位、快速导航、精确授时、短报文通信、星基增强、地基增强、精密单点定位共7类服务，是功能强大的全球卫星导航系统。

3 北斗卫星导航系统的应用

3.1 在工程测绘中的应用

（1）在线路测绘中的运用。使用北斗卫星导航系统绘制地形图，可以快速准确地进行数据采集，绘制出更完整的地形图。北斗导航的动态测量技术可以应用于公路工程的控制测量，进行道路中线测量和定位。进行纵断面和横断面测量，绘制纵横断面图，反映地面的高低起伏情况，计算土石方量等。

（2）在变形监测中的运用。利用北斗卫星导航系统对建筑物进行水平位移、沉降、倾斜等变形监测，可以快速准确获得变形数据，预报建筑物的变形趋势，节省了大量的人力、物力。

（3）在水下测绘中的运用。进行海洋测绘，绘制水下地形图时，利用北斗卫星导航系统进行数据采集，可以获得更加精确的数据，绘制出的水下地形图更能真实反映出海底的地形地貌。此外利用北斗卫星导航系统也可以设计码头和航道。

（4）在隧道测绘中的运用。使用北斗导航布设大型隧道工程的地面控制网可以大幅度提高控制网的精度和可靠性[3]，并可以将北斗信号引入隧道内，实现隧道内外导航定位的无缝衔接，具体操作是在隧道外部署运营管理站，接收在轨卫星信号，采集实时星历，在隧道内按 30m 间距部署融合基站，接收运营管理站通过光纤传递的卫星信号、时钟信号、星历信息，经过处理播发伪卫星信号，应用终端接收后进行定位、导航。

（5）在管线测绘中的运用。管线规划得一般比较复杂，北斗卫星导航系统可以和管线信息系统相结合，进行定位和测量，并绘制出管线三维可视化图，这样复杂的管道系统就可以通过卫星查看。北斗导航系统在管道检修中也能发挥很大的作用，可以及时报告管线中的异常情况，并准确定位有问题的管道路段，可以大幅度减少检修工作的时间。

3.2 在农业领域中的应用

北斗卫星导航系统在农业领域主要应用于无人驾驶的农机、农作物的耕种、病虫害的防治，施肥、进行土壤养分及分布调查等农田信息的采集、监控特种作物种植区、无人机植保等应用。

具有控制技术的农机，借助北斗卫星导航系统应用于农作物的播种、生长和收获整个过程，并能对作业过程进行24小时动态监测，实现农机作业数据整合和分析。此外，农机还可以在夜间工作，能够减少能源消耗和肥料使用量。在农业航空作业中，利用飞行器对指定作业区域的农作物喷洒农药、施肥等，可以通过北斗卫星导航系统进行实时定位，自动进行航迹规划，不仅节省了劳动力，减轻了劳动强度，还不浪费农药、化肥等物资。

3.3 在电力行业中的应用

主要包括电网时间基准统一、电站环境监测、电力车辆监控等高精度北斗服务。

（1）电力系统时间同步。在电力系统中安置北斗精密授时系统，能够进行远程时间的校准和控制，提高室内时间的管理效率，实现与国际时间的统一。

（2）电力作业监控。通过北斗短报文服务功能，利用终端数据传输平台与通信设备搭建沟通网络，与作业人员进行实时数据交互，制定针对性作业方案，具有十分重要的现实意义。利用北斗卫星导航系统的实时定位功能，可以了解作业小组的实时位置、作业状态等，可以做到远程随时指挥、把控他们。

（3）电力系统防灾监测。由于各方面因素的影响，有时输电线路杆塔会出现倾斜，对电力系统的正常运行造成很大的威胁，为了防止电力系统灾害的发生，可以安置报警装置，利用北斗卫星导航系统，对其进行全天候、精准监控，当输电线杆塔一旦出现倾斜的情况时，报警器迅速变红，指挥中心的相关人员可根据报警器的位置快速定位故障点，并启动自检功能，对该设备进行数据采集、存储、通信、信号处理等，判断其是否能正常工作，指导维修人员制定维修方案，确保电力系统的正常运行。北斗卫星导航系统还可通过分析变电站的地质变化和实际运行情况，对异常沉降作出预测，并反馈于指挥中心，在第一时间作出反应，制定处理措施，保障了人们的生活安全。如图1所示。

图1 电力灾害监测

（4）电力线路巡检。在国道、水利和铁路等现代交通网络中，需要进行电力线路巡检保障运输的正常进行。由于北斗卫星定位系统的实时设备定位管理、监控功能，在电力传输线路定位巡检时，可以实时对无人机飞行路径进行监控，帮助无人机快速监测地形数据，进行数据收集、分析，并根据周边环境制定合理的方案，提高远程运行监测、数据分析能力。

为了实现智能化高精度巡检，达到厘米级定位，可为无人机安装RTK 模块，结合地图系统，搭载激光雷达，对电力线路设备元件进行空间点云数据采集，获取设备的基本信息，为开展检修工作提供数据支持。

3.4 在减灾救灾领域的应用

北斗卫星导航系统在减灾救灾领域的应用，主要包括对灾害的预警、灾害情况的上报、通信指挥救灾以及高楼、桥梁、水坝水库等建筑的监测等应用。

由于北斗卫星导航系统能够进行全天候、实时三维高精度测量，并借助大数据、人工智能等信息化技术手段，可以准确快速获取具体的受灾地区位置，还可以对高楼、桥梁、水坝水库等建筑实时跟踪监测，为减灾工作提供了许多便利。利用北斗卫星导航系统的实时定位功能，实现灾害的预警，受灾人员可以及时发送灾情信息、快速上报等；利用其短报文功能，出现灾情，进行快速应急通信，救援人员可以与指挥机构、受灾人员进行沟通交流[4]、指挥调度等，这样同时解决了定位和通信的问题，大大提高了灾害应急救援反应速度和决策能力。

北斗卫星导航系统还可以用于防洪救灾，通过在合适的位置布设传感器，实时收集水位、流速等信息，形成实时区域水情图，实时分析判断决堤点、危险地段，提前安全撤离，从而提高了工作效率[5]。北斗卫星导航系统还有其他减灾救灾的应用，如可以用于山体滑坡监测，桥梁抖动监测、大楼摇摆监测等，一旦监测到，可以及时向监测中心发布预警，从而减少损失[6]，如图2所示。

图2 灾害检测

3.5 在交通领域的应用

北斗卫星导航系统在交通领域中的应用包括海、陆、空中的应用，如船舶的停泊与靠岸，内河航运、远洋运输、车辆的导航系统、智能信息系统及运营跟踪监控等，航线的导航、机场的跟踪监控、精密进近等。

（1）交通运输方面。利用北斗卫星导航系统开发的智能交通，可以实时对车辆进行定位，如果超速，就会报警，语音提示。实时获取车辆位置附近的环境信息，判断道路阻塞、事故等交通情况[6]，实时指导驾驶员走最优路线，借助开发的软件实时监控驾驶员以及乘客的情况。还可以利用北斗卫星导航系统的差分服务，将定位精度提升至亚米级，提供车道级别的导航服务[7]，在复杂路口提供车道指引，当车辆不小心偏航或者驶入错误车道时，可及时进行提醒和变道引导，从而实现车道级别的导航，还可在实线处、违法拍照处进行相应提醒，避免压实线、变道等交通违法操作。

北斗卫星导航系统还可以为中欧班列的安全高效运行保驾护航。在中欧班列上，在每个集装箱上安装北斗定位终端，实时记录列车的运行数据，跟踪监控班列的运行情况，由于北斗的服务区域已经由国内及周边扩展至全球，所以即使出现信号盲区，也可以先把运行信息进行缓存，当信号恢复后再传输，这样保证了信息的完整性。

（2）交通监管方面。当海上发生事故时，利用北斗卫星导航系统的无线电测定功能，事故人员利用北斗用户终端向北斗卫星发送定位请求，由运控站测算事故人员的实时位置信息，大大缩短了营救时间[8]。如果出现车辆碰撞的交通事故时，北斗卫星导航系统还可以通过对碰撞时车辆间相对位置关系的分析，对交通事故作出责任鉴定与分析，大大提高了交通事故的处理效率。

（3）交通通信服务方面。北斗卫星导航系统还能提供双向通信服务，在出海的船只上安装北斗终端，当出现遇险的情况时，救援人员和遇险人员可以通过北斗卫星导航系统进行实时交流，使救援人员快速了解遇险情况，制定出救援方案，大大缩短了海上遇险人员的救援时间。

4 北斗卫星导航系统的应用展望及存在的问题

随着日趋完善的电子地图，极大地提高了北斗卫星定位导航技术的实用性，在未来的发展中，利用互联网、移动通信网将会产生更多、更好的产业服务，有效推动北斗卫星定位导航技术的发展，提高其应用水平。比如在电信业务中应用北斗的位置服务，可以大大扩大手机短信服务业务的市场规模。

目前在北斗卫星导航系统的快速发展中，还存在一些问题亟待解决。首先，由于卫星定位信号无法穿透建筑物等实体，北斗卫星导航系统在连续实时高精度定位、水下导航等领域不能得到充分的应用。其次，由于导航信号容易受到障碍物的遮挡、反射，存在多路径效应，以及电离层、对流层对信号的干扰，这些都将会一定程度上降低其定位的精度和可靠性。