北斗导航卫星系统在水利行业的应用与展望

庞治国 吕 娟 路京选 张朋杰

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心（水旱灾害防御中心），北京 100038）

0 引 言

随着全球气候变化的日益加剧，水旱灾害等极端事件频发，水库大坝等工程安全风险陡增，对人类社会的生存与发展构成了严重威胁。为有效应对灾害的突发性、异常性和不确定性[1]，应用包括北斗技术在内的信息化、数字化、智能化技术进行雨水工灾情监测，是提高水利行业应对突发灾害监测预警和应急处置能力的必然选择。

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是国家重要的空间基础设施。国家高度重视北斗系统的建设和应用，在多个重要文件中明确要求推进北斗系统大规模深化应用。2020 年7 月31 日北斗系统成功全球组网后，为全球用户提供了全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，产生了显著的经济效益和社会效益。

水利建设是人类生存和发展的重要基础，是国家安全和民生福祉的重要保障。水利工作涉及面广、任务重、要求高，需要高效、精准、智能的管理和服务，北斗系统可为水利行业提供强大的技术支撑，为智慧水利和数字孪生水利建设提供重要的时空基准和高精度的位置和通信服务。本文立足北斗系统的功能角度，从定位、导航、短报文、北斗遥感几个方面粗浅梳理了北斗系统在水利行业的应用场景现状，并从深化水利北斗系统应用领域、规模及其与新技术融合等方面进行展望，以期为水利行业深化北斗系统应用提供参考与借鉴。

1 北斗系统水利应用现状

水利行业应用全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）技术已久，最初主要是面向水利工程建设[2]，主要依赖美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）产品。随着我国北斗系统的建设发展，从2002年开始，北斗系统短报文功能首先在水文测报业务中得到使用，2020 年北斗系统全面建成并开通服务后，其在水利工程精密变形监测、水文测量、水利巡检、水旱灾害调查等其他水利业务领域的应用逐步得到加强。此外，北斗系统作为GNSS的重要组成部分，为GNSS遥感技术发展提供了丰富的数据源，本文也将探讨北斗遥感在水利行业的应用研究现状。

1.1 定位功能场景

北斗系统的定位精度已经达到了5 m甚至更优，在局部地区可以达到2～3 m的定位精度。此外，北斗地基增强系统通过地面基准站网，利用卫星、移动通信、数字广播等播发手段，在服务区域内可提供1～2 米级、分米级、厘米级实时高精度导航定位服务。目前，我国已经建成了全球规模最大、密度最高、自主可控和全国产化的北斗地基增强系统“全国一张网”，覆盖超过4 500 座GNSS 星基/地基增强站，全面保障高精度定位服务的稳定、可靠。北斗系统定位功能在水利行业的应用主要面向水利工程建设，为设计、测量、施工、监理、验收、运行等环节提供位置服务；此外，最为典型的应用是针对大坝、高边坡等运行期的精密变形监测。

1.1.1 水库大坝变形监测

我国水库大坝数量多、规模大、地形地质条件复杂，变形、沉降问题突出，对当地人民的人身安全和周边经济的发展构成了巨大威胁。变形是水库大坝抵御库水位等环境量荷载能力的综合反映，变形监测设施缺失不利于掌握水库大坝的工作性态和安全状况，严重影响大坝运行风险的预测预警。现有传统人工监测费时费力，传统自动化监测实施成本太高，均难以大范围推广实施。北斗系统提供的高精度位置服务为水库大坝的变形监测提供了一种新思路，通过在水库大坝工程构建地面监测站网实现对大坝等重点区域实时位移变形监测，及时发现大坝的变形趋势，预警可能存在的安全隐患，从而采取及时有效的措施，确保大坝水利工程的安全稳定运行。国内外学者先后基于GPS、北斗系统对大坝变形监测开展了大量研究。如姜卫平等[3]研制了GPS 变形监测软件，开展了西龙池上水库的安全监测，实现了对水库变形的实时连续、高精度及自动化监测；Xi 等[4]利用实验平台对北斗系统用于高精度形变监测的潜力进行了探索，结果表明北斗系统可以用于水库大坝形变监测；范明杰等[5]开展了水库大坝表面静动力变形北斗监测的研究，通过人工表面变形观测方法与北斗监测技术的比较表明北斗系统可适用于大坝静动力变形监测。

1.1.2 边坡变形监测

边坡变形是影响工程安全和导致地质灾害发生的关键因素，尤其是在水库大坝、河岸、山区公路等关键设施附近，边坡的稳定性直接关系到人民生命财产安全和工程设施的正常运行。传统的边坡监测方法依赖于人工观测或固定监测设备，这些方法不仅费时费力，而且难以实现实时、连续和大范围的监测。北斗系统提供的高精度位置服务为边坡监测提供了一种高效、实时的新方法。通过在边坡关键部位安装北斗系统定位监测设备，便可实时监控边坡的位移和变形情况。这一技术不仅能够精确捕捉到边坡微小的形变，还能实时传输监测数据，为灾害预警和应急管理提供坚实的数据基础。如袁有仓等[6]通过在长河坝水电站泄洪放空洞进口高边坡上安装形变监测终端，验证了基于北斗+GPS 双星系统在高边坡监测中应用的可行性和实用性。张飞跃等[7]通过建立基于北斗系统高精度定位技术的自动化监测系统，实现了溪洛渡水电站库区周围滑坡体形变的连续性自动化监测，拓宽了北斗导航定位技术在水电站库区边坡监测中的应用。

1.2 导航功能场景

北斗系统的导航功能与定位功能紧密联系在一起，基于北斗系统高精度的定位能力，导航功能可以广泛应用于水利行业各项巡检调查任务。

1.2.1 山洪灾害巡检

山洪灾害诱因复杂，因降雨引发的山洪往往伴发泥石流，成灾快，具有突发性和隐蔽性强的特点，预测和防范难度大，给人民生命财产安全带来了严重威胁。为应对严峻的山洪灾害防御形势，近年来，国家先后采取山洪灾害调查评价、监测预警系统建设、群测群防体系建设等一系列非工程措施开展山洪灾害治理工作，在防灾减灾工作中发挥了重要作用。群测群防体系适应山洪灾害点多面广、突发性、局部性、成灾快的特点，已成为山洪灾害防治工作的重要内容，也是提升基层灾害治理能力，推进基层治理现代化的重要组成部分[8]。

然而，当前我国群测群防体系尚处于初级阶段，其监测方法主要依赖于人工巡查和基础的通信设备。因此，在山洪灾害发生时如何确保群测群防员的个人安全变得尤为重要。可穿戴式北斗巡检终端的开发和应用为上述问题提供了一种切实可行的解决方案。它能够通过北斗卫星导航技术和移动网络通信技术，实时监测群测群防员的健康状态（例如心率和体温）和精确位置，从而在发生紧急情况时快速响应。这不仅增加了巡查人员在执行任务时的安全保障，还提高了山洪灾害预警和应对措施的效率和效果。此外，通过装备这些终端，群测群防员可在发现山洪灾害隐患的第一时间进行上报，使上级管理部门能够及时接收到巡检记录和隐患上报情况，进而进行风险分析和决策辅助。这种信息化、智能化的管理手段显著提升了山洪灾害的监测预警能力，进一步加强了基层治理现代化的步伐，确保了公共安全和民生福祉。

1.2.2 河湖巡检

在我国，河湖巡检是确保水资源安全、预防水灾害，以及维护生态平衡的关键工作。由于河湖系统的广泛分布和复杂性，传统的人工巡检方法面临着许多挑战，尤其是在自然条件恶劣的地区发生突发性洪水和泥石流等自然灾害时。因此，利用先进的技术来提高巡检效率和保障巡检安全变得尤为重要。北斗系统为河湖巡检领域提供了新的解决策略。近年来，通过结合北斗系统和移动通信技术，研发出了可穿戴式北斗巡检终端，不仅可以为巡检人员提供高精度的定位服务，确保他们能够精确且高效地执行复杂地区的巡检任务，还可通过其导航功能引导巡检人员遵循预设路线完成全面巡检，有效避免了遗漏或重复检查，从而显著提升工作效率和质量。此外，巡检终端能够实时监测巡检人员的生命体征和具体位置，确保他们的个人安全，并在紧急情况下迅速精准定位，向救援中心发出求助信号。北斗系统在河湖巡检中的应用，不仅极大提升了巡检工作的安全性、效率和科学性，还彰显了现代技术在传统水域管理领域的关键作用。通过确保巡检工作的高效执行，强化了河湖生态保护和水资源管理的成效，对维护生态平衡、保护人民生命财产安全，以及推动社会经济的可持续发展做出了重要贡献。

1.2.3 水利工程巡检

在水利工程的建设和运行管理中，巡检对于保障工程的安全可靠运行起着非常重要的作用，可及时发现安全隐患，及时制止各类违法行为，确保工程正常运行。水利工程通常分布广泛且位于环境复杂地区，给巡检工作带来挑战。为及时发现安全隐患及各类违法行为，水利工程需要定期进行巡检，而且国家出台的相关法律法规都对加强水利工程巡查管理做出了明确规定。然而，传统水利工程的巡检方式大多依赖人工，需要耗费大量人力和时间，不仅无法及时掌握巡检实况，而且无法保障巡检的安全性。北斗系统的智能巡检为水利工程巡检提供了新的解决方案，可以广泛应用于水坝、水库、水闸及工程建设过程的各类水利设施。通过在巡检过程中配备穿戴式北斗高精度巡检装备，能够实时记录巡检实况，高精度追踪巡检人员的位置，并通过北斗短报文通信功能，在没有公网信号的情况下实现巡检信息的及时上报，全面确保巡检工作的及时性和准确性，同时大大提高巡检人员的安全保障。

1.3 短报文功能场景

北斗系统的短报文通信功能是其区别于其他导航系统的显著功能。用户可以利用这一功能通过北斗系统发送文本和定位信息，并在此基础上开发出专门的服务功能[9]。北斗三号的短报文服务以其全天候、全时段的运行能力著称，且具备全球覆盖性，不受地面通信基站的限制。与北斗二代相比，北斗三号的短报文容量有了显著提升，确保了在各种气象条件下通信的连续性和稳定性。这一服务在需要高效、可靠通信的行业中至关重要，尤其是在远程监控和自动化监测领域。水利行业较早就将北斗短报文功能用于水文监测数据的传输，但因数据传输容量和频率的限制，未得到大规模的应用。北斗三号成功组网提供服务以来，北斗短报文通信功能在水利行业得到有效应用，成为解决行业数据传输“最后一公里”的重要技术手段。下面以山洪灾害监测站点水文数据传输、中小水库雨水情传输、国际河流水文数据传输为例说明其应用情况。

1.3.1 山洪灾害监测站点水文数据传输

我国大陆国土面积70%的山丘区存在山洪灾害风险。2010年后，水利部在全国29个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团持续开展山洪灾害防治工作，共投入项目建设资金约400亿元。全国山洪项目新建自动雨量站56 896处、自动水位站23 633 处、自动图像视频站30 902 处，这些监测站点的建立基本解决了监测手段不足问题。然而，山洪易发河段重点部位往往处于人迹罕至的深山区，地面网络信号较弱甚至没有地面网络覆盖。此外，当极端暴雨山洪发生时会出现“断路、断网、断电”的情况，从而导致监测信息上不来，预警信息下不去的问题。采用我国自主研发的北斗短报文通信功能为解决上述问题提供了一条新的路径。通过在山洪灾害监测站点增加北斗卫星通信信道可解决公网覆盖不全和极端天气公网信号中断导致监测数据传输中断的问题，不仅大大提高了山洪灾害应对的时效性和准确性，也为灾害预警系统的优化和完善提供了技术支撑，从而在很大程度上减少了山洪灾害对人民生命财产的威胁。以2021年河南特大暴雨洪灾为例，部分地区公网通信和电力被破坏后，除621处北斗卫星双发遥测站点外其他监测站全部中断报汛[10]。依靠北斗短报文通信，救灾人员在8 d时间内共接收北斗报文数据87万余份，为暴雨洪水预警、预报、调度和抗洪抢险提供了及时准确的水文测报信息。

1.3.2 中小水库雨水情信息传输

水库的水位、降雨量等水文数据是水利部门增加有效预见期、提前预警、实现水库安全度汛的关键信息。据统计，我国水库雨水情自动测报比例不到40%，有些县（市、区）通信网络条件差，有线、无线、公共网络无法覆盖，水文数据的及时传输得不到保障。因此，对现有的中小水库雨水情监测站点采取北斗短报文通信技术进行升级改造显得尤为重要。这不仅能够提升水库信息化管理水平，实现管理的规范化、标准化，而且对确保水库的安全长效运行至关重要。特别是在公共网络信号缺乏或不稳定的地区，北斗短报文通信功能可作为主要手段传输采集到的雨水情信息及关键工程监测数据（如变形、渗压、渗漏等）。同时，在台风暴雨频发、极端天气现象常见的地区，将北斗系统短报文通信作为数据传输的应急备用通道，不仅提高了信息报送的可靠性，还显著增强了应急情况下的监测预警能力。

1.3.3 国际河流水文数据传输

我国共有跨境河流（湖泊）110 多条（个），涉及19 个流域国家（其中14 个为接壤国），影响人口近30 亿人（含中国），约占世界人口的一半。开展国际河流开发利用具有重大战略意义，不仅关系我国可持续发展的全局性问题，也影响中国与周边国家的区域合作、安全和稳定。然而，国际河流周边的基础设施条件较差，人烟稀少，加之建立通信网络的难度大、成本高，运营商缺乏动力去构建覆盖整个流域的通信网络，而仅在人口集中的城镇地区部署网络，这会导致大部分区域无法获得通信网络信号，进而给水安全监测数据的传输带来了难题，因此迫切需要一种不依赖地面基础设施的通信手段。同时，国际河流的水文数据往往涉及敏感信息，通过常规的公共网络传输存在着信息泄露和被窃取的风险。北斗系统短报文功能提供了一个有效的解决方案，能够在没有地面网络支持的情况下实现监测数据及时和有效传输。通过对北斗系统短报文进行加密处理，可以确保水文数据传输的安全性，有效防止数据泄露，为国际河流的水安全监测提供了一种安全、可靠的通信手段。

1.4 北斗遥感

GNSS 除了向全球用户提供导航、定位及授时服务外，还持续向地表发射大量的L 波段信号，这些信号在遇到地球表面（如陆地、海洋或冰面）时会产生反射，且这些反射信号包含了关于反射表面特性的丰富信息。GNSS 遥感正是通过分析从地球表面反射回来的信号，来遥测和研究地球环境。由于GNSS 反射测量（Global Navigation Satellite System-Reflectometry，GNSS-R）是一种被动遥感技术，不需要自己发射电磁波，而是利用已有的卫星信号作为辐射源，因此具有低功耗、低成本、低干扰等优点。同时，由于GNSS 卫星数量众多、分布广泛、覆盖全球，因此GNSS-R 具有高时空分辨率、高重访频率等优点，当前GNSS-R 技术已广泛应用于海洋学、水文学、冰川学、农业和气象学等多个领域。北斗系统作为GNSS的一部分，具有全球覆盖的能力，因此其反射信号也可以用于全球范围内的环境监测和地球观测。北斗遥感技术继承了GNSS 遥感技术的所有应用领域，并且由于其独有的信号结构和服务特征，在一些应用领域尤其是亚太地区的环境监测和地球观测方面展现出了独特优势。针对水利行业，本文将重点介绍北斗遥感技术在水位监测、土壤水分测定及大气水汽观测这3 个关键要素上的应用和潜力。

1.4.1 水位监测

水位监测是雨水情监测预报“第三道防线”中的重要内容，精确、实时的水位监测在洪涝灾害中至关重要，可提前预警并帮助决策者采取紧急措施，以最大程度减少损失并保护人们的生命和财产安全[11]。虽然雷达水位计、超声波水位计和水尺等传统水位监测技术已经被广泛应用于工程领域，但在实际应用中常常受到成本较高和空间分辨率有限的约束。北斗遥感技术通过捕捉并分析北斗卫星发出的信号及其在水面的反射信号，为水位的自动化、高精度和持续监测开辟了新路径。这种方法能够实现全时段的水位监测，不仅极大地扩展了监测范围，还提升了监测数据的准确性，有效补充和提高了传统水位监测技术的局限性。许多研究已经通过验证和实际操作，证明了这种技术在监测水位变化方面的效果与可信度。如Zhang 等[12]探讨了使用北斗信号进行码级海面高度测量的理论，并通过在中国进行的沿海实验证明了北斗反射信号在水面高度测量的可行性。Jin 等[13]利用北斗星座系统L2、L6、L7 3 个信号的信噪比估计了海平面变化。杭斯加等[14]通过在湖面和海面开展的岸基实验，证实了利用中国北斗系统倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星反射信号进行载波相位测高的高精度可行性，其中通过与实地测量对比的均方根误差（RMSE）分析揭示了厘米级的测高精度，并指出卫星仰角变化率对提升测高结果精度的重要性，为全球导航卫星系统反射信号在水域测高应用提供了新的见解。

1.4.2 土壤水分监测

土壤水分亦称土壤含水量，主要是指土壤包气带中的水分含量，土壤水分通过蒸发控制地表向大气输送的水汽和能量，进而影响气候变化，也控制着降雨对地表径流的分配进而影响着地表水文过程，其本身也是植被生长的重要影响因素。因此，土壤水分是连接全球水循环和能量循环的关键状态变量，土壤水分监测对于气候变化、洪水预警、干旱监测、农作物估产等方面都有着极其重要的意义。最传统的土壤水分监测方法，如烘干称重费时费力；现有的自动化监测，如频域反射仪和宇宙射线中子仪等成本太高，两者均难以大范围推广实施。卫星遥感反演是大范围土壤水分监测的有效手段，但其精度很差且时间间隔较长，难以满足高精度土壤水分动态监测的需求。北斗遥感为土壤水分监测提供了一种新思路，其采用L 波段电磁波，相较于高频段信号，受大气、植被等因素的影响更小，与土壤水分的相关性更强。此外，反射计能够高频次地接收导航卫星的反射信号，极大缩短了土壤水分监测的时间间隔。所以北斗遥感是土壤水分高精度动态监测的有效手段。为此，国内外学者先后对北斗遥感土壤水分监测开展了大量研究。杨磊等[15]提出了一种支持向量回归辅助的北斗地球静止轨道卫星反射信号土壤水分反演方法，并通过实测数据验证该方法相对误差小于3%。杨昌智[16]基于北斗C3 和C59 两颗地球静止轨道卫星的信号提出了不同的单星反演模型，经验证，两模型监测结果的回归决定系数均大于0.65，RMSE均小于2%。孙波[17]从信息熵的角度融合GNSS 反射信号中不同频段信号所含的不同土壤信息，构建了单天线模式下北斗系统基于单星双频段熵融合的土壤水分反演模型。

1.4.3 大气水汽观测

受海陆位置特征和季风气候影响，我国水旱灾害频发，对人类生产生活存在严重的影响。引起水旱灾害发生的主要原因在于降水时空分布不均，研究水汽含量，分布及变化规律对降水发生及灾害天气形成、演变过程具有重要意义，有助于短临降水、水旱灾害等极端天气的监测与预报预警[18]。传统探空与遥感监测方法分别具有时空分辨率低和容易受天气影响、精度较差的特点，难以进行高精度大范围的时空水汽监测。北斗系统作为我国自主研发、独立运营的全球卫星导航系统，具有抗遮挡能力强、高精度数据服务等优势。对流层误差作为北斗高精度定位服务中的误差源之一，在定位过程中需要计算并剔除此误差，而对流层误差主要是由干燥气体与水汽造成的，因而北斗系统可作为新型的水汽探测方法。通过获取地面北斗接收机中卫星信号产生的天顶对流层延迟量对测站上空水汽进行高精度探测，对水汽变化可能造成的降水情况进行预测，从而对可能发生的水旱灾害提前预案。由于北斗系统建成时间相对较晚，对于北斗水汽监测的研究相对GPS较少。Li 等[19]利用北斗系统对可降水量反演精度展开评估，与GPS 相比RMSE 为2 mm，证明北斗系统水汽探测的可靠性。Lu等[20]验证了北斗系统在近实时水汽反演中的可行性与稳定性，其反演精度略低于GPS 数据。郑志卿等[21]验证了多系统结合的水汽探测方法相较于单系统可以获取更加准确、可靠的水汽数据。在现有研究中，北斗系统水汽监测的精度与可行性在区域应用中已得到验证，进一步的发展趋势是北斗结合其他卫星系统与多源水汽数据产品进行融合，实现高精度、高时空分辨率的水汽监测，推动新的降水预测模型的构建，实现近实时、高精度降水预报。

2 展 望

北斗系统的定位导航和短报文功能在水文监测、灾害预警和水资源管理等关键水利领域的有效应用，证明了北斗系统是提升水利行业智能化和精细化管理水平的重要技术力量。水利北斗的成功实践不仅彰显了其在传统水利应用中的价值，而且也为其在水利新质生产力要求下的深化应用奠定了坚实的基础。随着积极落实党中央、国务院关于加快北斗规模应用决策部署，统筹发展和安全，创新北斗水利应用场景和模式，推进定位、导航和授时（Positioning，Navigation and Timing，PNT）设备提档升级，系统推进水利北斗规模应用，北斗系统在水利行业的应用发展将呈现出以下几个显著趋势。

2.1 水利北斗应用领域和场景不断拓展

随着北斗系统技术的不断成熟和完善，其在水利行业的广泛应用预示着新的发展机遇，水旱灾害防御、水资源管理、水文信息监测传输、水利工程建设和安全运行管理、河湖监管、水土保持监测监管，以及水利工程综合勘察设计规划等诸多业务领域和场景都对北斗系统提出了应用需求。例如，通过利用北斗系统提供的精准定位服务，可以实现对水利基础设施的实时监控和维护，确保其稳定运行；利用其时间同步功能，可以在洪水预警系统中实现更加准确的时间控制和数据同步，提高预警的准确性和效率。此外，北斗技术在提升水资源利用效率、推动水资源保护和节水措施的实施等方面也展现出巨大潜力，通过精确的地理信息系统定位，可以优化灌溉系统，减少水资源浪费，促进农业节水；在城乡供水方面，利用北斗系统进行管网的实时监控和管理，可以有效减少漏损，提高供水系统的效率和可靠性。

2.2 水利北斗应用规模不断扩大

随着相关标准规范的制定和完善，北斗系统内的成熟业务，如北斗短报文服务、水利巡检、智能碾压监控等，正迈向商业化发展的新里程。这一进程不仅标志着北斗技术在市场接受度和技术成熟度上的显著提升，也预示着其在水利行业的广泛应用和推广。商业化的步伐将极大地提高水文监测和灾害预警系统的通信效率，优化水利设施的巡检管理，以及提升水利工程建设的质量和安全。这些变化预计将推动水利行业的数字化和智能化转型，提高水资源的管理效率和利用率，为实现水安全和促进可持续发展贡献重要力量。

2.3 水利北斗新技术融合应用不断增强

北斗系统与最新技术的融合将是未来发展的重点之一。特别是北斗与人工智能（AI）、4G/5G 通信技术、星网（链）通信技术及遥感技术的结合，将极大地丰富水利行业的应用场景，提高数据处理的效率和准确性。这种技术融合不仅能够提供更加全面和深入的水资源监测数据，还能优化灾害预警和应急响应流程，为水利行业带来更加智能化、高效化的管理解决方案。

总之，通过扩展应用场景、推动业务商业化及增强跨领域协同与融合，北斗系统在水利行业的应用前景将更加广阔。这不仅能加速北斗技术在水利行业的普及和应用，还能促进水利行业的科技进步和效率提升。未来，随着技术的进步和应用的深入，北斗系统将在智慧水利建设中发挥更加重要的作用，成为水利行业不可或缺的技术支撑。