北斗卫星导航技术研究及应用

◆令晓静

北斗卫星导航技术研究及应用

◆令晓静

（陕西省东庄水利枢纽工程建设有限责任公司 陕西 710000）

近年来，卫星导航技术发展迅速，全球有4个发展比较成熟卫星导航系统：美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统GLONASS、中国的北斗和欧盟的伽利略卫星导航系统Galileo，可不间断地为世界各地的用户提供高精度的授时、定位、导航服务，北斗是我国自主研发的卫星导航系统，将其应用于交通行业车辆定位管理系统中，可有效提高车辆运行安全性和管理水平。

GPS；GLONASS；Galileo；北斗；车辆定位管理系统

近年来，卫星导航技术的发展迅速，美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System，Galileo）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（Global Navigation Satellite system，GLONASS）和中国的北斗已经大规模的商用，取得了举世瞩目的成绩，服务于全球，为世界各地的用户提供高精度定位、导航、授时服务[1]。北斗是我国自主研发的全球第三个卫星导航系统，广泛应用于交通、农业、林业、渔业、防灾减灾、电力、金融等领域，尤其是交通运输行业，交通运输与社会发展、国民经济以及人民生活息息相关，北斗有助于实现交通运输行业现代化和信息化，对建立安全、高效、畅通、绿色的现代交通运输体系具有战略意义[2]。随着4G、云计算、大数据、物联网等技术的发展，北斗与新技术深度融合的产品层出不穷，在车辆上安装高精度定位终端设备，可以监控车辆运行轨迹，有效遏制车辆超速、偏离预定路线等问题，降低交通安全隐患，提高车辆安全运行能力和管理水平。

1 国外卫星导航系统

1.1 GPS

GPS是全球第一个卫星导航系统，起源于美国军方项目，20世纪70年代，由美国陆、海、空三军联合研制，最初应用于军事领域，主要为陆海空国防领域提供全天候、全天时、高可靠和高精度的授时、导航、定位服务，并应用在导弹发射、搜集情报以及应急通讯等方面。随着项目的完善发展，逐渐成为世界范围内受欢迎的一项重要军民两用技术。GPS的空间星座由24颗工作卫星组成，其中，21颗卫星正在工作，3颗备用卫星，位于距离地表20200公里的上空，运行在6个轨道面上，平均每个轨道平面有4颗卫星等间隔分布，轨道倾斜角为55°，运行周期为11h 58min[3]。在全球任何时间、任何地方观测者都能看到4颗以上的卫星，并根据卫星到观测者的距离计算出观测者所在位置。GPS具有信号穿透性强、覆盖率高、三维定位测速导航精度高、高效快速、可移动定位等特点，在世界范围得到广泛的应用。

1.2 格洛纳斯卫星导航系统GLONASS

70年代中期苏联开始研制GLONASS，苏联解体后，由俄罗斯继续该项目的研制，1995年完成空间星座部署，2007年为俄罗斯本土提供定位、导航服务，2009年服务于全球范围，可为世界各地的用户提供陆海空全方位空间高精度服务，广泛应用于军事和民用项目，满足时间、三维速度、三维位置信息的需求。GLONASS 的星座由分布在3个轨道平面上的24 颗中高轨道卫星组成，其中21颗卫星正在工作，3颗卫星备用，平均每个轨道平面有8颗卫星等间隔分布，位于距离地球19100公里的高空，轨道倾斜角为64.8°，运行周期为 11h 15min 44s[3]。GPS采用码分多址方式，根据调制码区分卫星；GLONASS采用频分多址方式，根据载波频率来区分不同的卫星，用不同频率的载波调制伪随机码，每颗卫星发射两个载波信号L1和L2，民用码仅调制在L1上，军用码调制在L1和L2双频上。

1.3 伽利略卫星导航系统Galileo

Galileo是由欧盟研制的全球第一个民用卫星导航系统，2002年正式启动实施伽利略计划，2016年开始投入运行，2019年全面建成提供服务，实现完全非军方组织管理和控制，提供全球范围内的高可靠性、高精度导航、定位、授时服务。Galileo系统已完成卫星星座的部署，由30 颗中圆地球轨道卫星组成，包括24颗提供服务的导航卫星及6颗备用卫星，轨道高度约为23222公里，运行于倾角为56度的3个圆形轨道平面上，每个轨道面上有8颗工作卫星和2颗备用卫星，绕地球一周需要14h 22min 42s[4]。Galileo采用高精度星载原子钟和BOC调制方法，容易实现与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统的兼容与互操作，卫星在两个频段发送民用信号，信号接收效果更好，定位导航精度更高。此外，还支持搜索与救援服务SAR功能，搜救中心接到求救信号后，系统反馈响应信息给求救者，增强求救者等待救援的信心[5]。

2 北斗卫星导航系统

2.1 概述

北斗是由我国独立研制运行的卫星导航系统，继美国、俄罗斯之后全球第三个导航定位系统，可以为世界各地的用户提供高精度的定位授时导航服务[4]。北斗系统的发展经历了三个阶段：1994年启动北斗一号建设，由四颗地球静止轨道卫星构成，北斗一号是探索性的第一步，中国卫星导航系统实现从无到有，成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有自己卫星导航系统的国家，采用有源定位体制，初步满足中国本土及周边的定位导航授时需求。2004年启动北斗二号建设，2012年完成14颗卫星发射组网，由4颗中圆地球轨道卫星（MEO）、5颗倾斜地球轨道卫星（IGSO）和5颗地球静止轨道卫星（GEO），创建中国独有的中高轨混合星座架构，北斗二号兼容北斗一号的技术体制，新增无源定位体制，服务于亚太地区。2009年启动北斗三号，2020年完成北斗三号混合导航星座建设，由3GEO+3IGSO+24MEO组成，向前兼容有源和无源定位体制，为全球用户提供服务[5]。

2.2 定位原理

北斗卫星导航系统的定位方法是几何学的三球交汇原理。卫星发射导航电文和测距信号，某一时刻地球上的用户能够同时接收到三颗以上卫星信号，接收到的导航电文中包含卫星的位置信息，然后测量出三颗卫星和用户之间距离，分别以三个导航卫星为球心，接到信号的卫星到用户的距离为半径画球，得到三个圆球，用户位置一定在三球交汇点上，三个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点，另一个点就是用户所在位置，通过星历解算出卫星的空间坐标[5]。

2.2 北斗系统的特点

北斗支持国际卫星导航系统通用服务，除了定位、测速、授时、导航服务RNSS和国际搜救服务SAR外，还有自己的独特之处。第一，独创了GEO（俗称吉星）、IGSO（俗称爱星）、MEO（俗称萌星）三种轨道卫星组成混合星座架构，集成不同轨道的优势，具有覆盖全球、突出区域、功能丰富等优点，覆盖范围广，抗遮挡能力强。第二，北斗是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统，使用三频信号可构建更复杂模型消除电离层延迟的高阶误差，提高载波相位模糊度的解算效率和载波收敛速度，提升服务准确性[6]。第三，独创了通导一体化设计，采用通信和导航相结合体制，通过GEO吉星、MEO萌星向亚太区域和全球用户提供短报文通信服务SMS，SMS功能使用方便、价格便宜，在渔业和救灾中获得广泛应用。第四，美欧俄等系统独立建设卫星导航系统和星基增强系统，中国基于北斗高轨卫星的资源优势，向民航等生命安全高价值用户提供一体化星基增强服务SMBS，实现功能融合和集约高效。第五，支持地基增强、星基增强、精密单点定位等方式，只有Galileo和北斗提供特色高精度服务PPP，实现静态厘米级、动态分米级的高精度服务[11]。

3 北斗系统的应用

3.1 需求分析

东庄水利枢纽工程位于泾河下游峡谷末端礼泉县叱干镇东庄村、淳化县车坞乡河段处，施工区域主要包含坝区配套施工区，水垫塘、二道坝及厂房等施工区，导流工程围堰施工区，110kV施工变电站，施工供水和配水管网，龙塬基地等约覆盖20km²范围。施工区地处山区，地形高、低落差大，道路蜿蜒曲折且有多急弯路段，施工区内运行的车辆主要以大型工程车为主，受自然条件及道路制约，对施工区内车辆行驶安全构成很大隐患。为有效管控施工区内车辆，亟需建设一套车辆监控管理系统，对进入施工区范围的车辆进行管理，保障车辆运行过程中的安全，以满足公司业务要求及未来发展的需要。

3.2 工作原理

车辆监控管理系统由后端管理平台和车载终端设备构成，以北斗卫星导航技术为基础，结合物联网、地理信息系统（GIS）和4G技术，对车辆运行状态进行信息化管理和全过程监管，充分实现车辆综合信息的动态监管，进一步提高车辆的监控和应急指挥调度能力，有效提高车辆管理水平和管理效率，降低运行成本，保障车辆运行过程中的安全性。后端管理平台完成数据接收、数据处理、数据存储以及业务应用等工作，通过后台可以监控所有车辆运行信息；车载终端能实时接收卫星信号，并将卫星检测到的车辆的状态信息（经度、纬度、时间、方向、速度）、设备情况和报警信息等周期性地传到基站，基站将接收到的信息通过无线公网传给数据中心，数据中心将信息进行加工整理后供管理人员查阅，完成系统对车辆的监控管理工作。

3.3 系统功能

依据工程建设对施工车辆的管理要求，对行业内主流设备厂家进行询价，经过综合分析，选用途星车辆定位管理系统，对施工区内运行的工程车辆安装车载定位设备，利用车辆管理平台软件进行管控。系统具有以下功能：第一，对车辆进行实时定位，支持GPS/北斗等多种定位系统，定位精确度为1米，车载终端每15秒将车辆位置、方向、速度上报平台一次；第二，可设定电子围栏限定行车范围，支持圆形、举行、多边形等区域，当车辆驶出设定的区域范围时，将触发超越设定区域报警，监控中心第一时间接到越界报警；第三，根据实际路况分段设置不同限速阀值，超速管理更精确，当车辆超速行驶时，终端设备会立即发出超速报警数据到监控中心；第四，实时跟踪车辆并记录车辆历史行驶轨迹，可查询一年内历史行驶轨迹记录，支持手动回放车辆行驶路线；支持百度、高德等多种GIS地图，可随意切换查询方式，并预留丰富的软硬件接口，方便维护、升级和扩展，针对山区部分区域信号弱的情况，可搭载自行开发的BIM/GIS平台实现更准确的定位；第六，当车辆处于信号盲区或出现短暂的网络阻塞时，终端会自动存储信息，待信号覆盖良好时，自动把盲区所存储的数据补发到数据交换中心；第七，可提供行驶报表、位置报表、超速报表、停车报表、里程报表、点火报表等多种报表查询，均可导出Excel文件。

5 结束语

北斗卫星导航系统是我国为了经济社会发展和国家安全需要，独立开发、自主建设的全球卫星导航系统，可为全球用户提供全天候、全天时、高精度的导航定位授时服务[12]。北斗系统按照“三步走”战略的实施，循序渐进，不断发展，逐步实现从覆盖我国、到覆盖亚太区域，再到服务于全球，多年来，北斗一直坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则，注重与世界主流卫星导航系统如GPS、GLONASS和Galileo等系统的兼容与互操作，未来北斗将不断建设完善，更好地服务于全球用户。将北斗应用在车辆定位管理系统，实现对车辆在行使、作业全过程的监管，为车辆的安全行驶和科学管理提供保障。

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