北斗卫星导航系统与应用综述

北斗卫星导航系统及应用综述

0引言

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。

1 北斗卫星导航系统基本信息介绍

中国在2003年完成了具有区域导航功能的北斗卫星导航试验系统，之后开始构建服务全球的北斗卫星导航系统，于2012年起向亚太大部分地区正式提供服务，并计划至2020年完成全球系统的构建。北斗卫星导航系统和美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统及欧盟伽利略定位系统一起，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

1.1 北斗卫星导航系统的定位原理

“北斗一号”卫星导航系统的定位原理与GPS系统不同,GPS采用的是被动式伪码单向测距三维导航,由用户设备独立解算自己的三维定位数据,而“北斗一号”卫星导航定位系统则采用主动式双向测距二维导航, 由地面中心控制系统解算供用户使用的三维定位数据。“北斗”卫星是中国“北斗”导航系统空间段组成部分,由两种基本形式的卫星组成,分别适应于GEO和MEO轨道。“北斗”导航卫星由卫星平台和有效载荷两部分组成。卫星平台由测控、数据管理、姿态与

轨道控制、推进、热控、结构和供电等分系统组成。有效载荷包括导航分系统、天线分系统。GEO卫星还含有RDSS有效载荷。因此,“北斗”卫星为提供导航、通信、授时一体化业务创造了条件。“北斗”导航卫星分别在1559MH z～1610MH z、1200MH z～1300MH z两个频段各设计有两个粗码、两个精密测距码导航信号, 具有公开服务和授权服务两种服务模式[1]。

“北斗二号”导航卫星系统体制第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是: 第二代用户机可免发上行信号,不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息,而是通过直接接收卫星单程测距信号来自己定位, 系统的用户容量不受限制,并可提高用户位置隐蔽性。

图1.1北斗卫星导航定位系统定位原理图

1. 2 北斗卫星导航系统的系统组成

北斗双星导航系统主要由空间部分、地面中心控制系统和用户终端3个部分组成。空间部分由轨道高度为36000km 的2颗工作卫星和1颗备用卫星组成(一个轨道平面), 其坐标分别为(80°E, 0°, 36000km)、(140°E, 0,°36000km)、(110. 5°E, 0°, 36000km)。卫星不发射导航电文, 也不配备高精度的原子钟, 只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。卫星电波

能覆盖地球表面42%的面积, 其覆盖的经度为100°, 纬度为N81°～S81°。其轨道如图1. 2所示。

图1.2北斗双星导航系统卫星轨道

地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢,包括1个配有电子高程图的地面中心站、地面网管中心、测轨站、测高站和数十个分布在全国各地的地面参考标校站, 主要用于对卫星定位、测轨,调整卫星运行轨道、姿态,控制卫星的丁作, 测量和收集校正导航定位参量,以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。用户终端为带有定向天线的收发器,用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求,不含定位解算处理功能。根据应用环境和功能的不同, 北斗用户机分为普通型、通信型、授时型、指挥型和多模型用户机5种,其中,指挥型用户机又可分为一级、二级、三级3个等级。时间系统和坐标系统:时间系统采用UTC(世界协调时),坐标系统采用1954年北京坐标系和1985年中国国家高程系统。未来的北斗卫星导航系统(COMPASS)将由分布在3个轨道面上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)和均匀分布在一个轨道面的5颗地球同步卫星构成。非静止轨道上,每个轨道面10颗卫星,其中1颗为备用,轨道倾角为56?。卫星轨道半长轴约为2.7万km。

1.3 北斗卫星导航系统的工作过程

地面控制中心向卫星I和卫星II同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内

的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制系统[2]。中心控制系统接收并解调用户发来的信号, 然后根据用户申请的服务内容进行相应的数据处理。对定位申请,中心控制系统测出两个时间延迟: 即从中心控制系统发出询问信号,经某一颗卫星转发到达用户,用户发出定位响应信号,经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟;和从中心控制系统发出询问信号,经上述同一卫星到达用户,用户发出响应信号,经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的,可以由上述两个延迟量计算出用户到第一颗卫星的距离,以及用户到两颗卫星距离之和。从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面,和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上;另外,中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值,又知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。因此,中心控制系统利用数值地图可计算出用户所在点的三维坐标, 并与相关信息或通信内容发送到卫星,经卫星转发器传送给用户或收件人。

北斗卫星导航定位系统的工作步骤如下:(1)地面控制中心向2颗卫星发送询问信号;(2)卫星接收到询问信号,经卫星转发器向服务区用户播送询问信号;(3)用户响应其中1颗卫星的询问信号,并同时向2颗卫星发送回应信号;(4)卫星收到用户响应信号,经卫星转发器发送回地面控制中心;(5)地面控制中心收到用户的响应信号,解读出用户申请的服务内容;(6)地面控制中心利用数值地图计算出用户的三维坐标位置,再将相关信息或通信内容发送到卫星;(7)卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后,经卫星转发器传送给用户或收件人。

2 北斗卫星导航系统的功能优势

北斗卫星导航系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文

通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。

2.1 北斗卫星导航系统具有的三大功能

（1）快速定位：系统可为服务区内用户提供全天候、高精度、快速实时定位（可在1秒之内完成）、服务，定位精度为20～100m；

（2）短报文通信：系统用户终端具有双向数字报文通信功能，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息；

（3）精密授时：系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与CNSS之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。

2.2 北斗卫星导航系统具备的优势

（1）同时具备定位与通信双重功能，无需其它通信系统支持，而GPS、GLONASS只能定位；

（2）覆盖范围较大，没有通信盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务；

（3）特别适合集团用户大范围监控与管理；

（4）独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计。它不仅能使用户知道自己的所处的位置，还可以告诉别人自己的位置所处的地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等；（5）自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用；（6）接收终端不需铺设地面基站，用户终端相对便宜。

（北斗卫星导航定位系统的潜力主要体现在定位通信综合领域上。目前仅需要定位的用户，对北斗的需要不迫切；对于既需要定位又需要把位置信息传递出去的

用户，北斗卫星导航定位系统是非常有用的。）

3 北斗卫星导航系统的应用

3.1 北斗卫星导航系统的应用范围

“北斗”卫星导航试验系统自2003年正式提供服务以来，在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象测报、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾和国家安全等诸多领域得到广泛应用，产生显著的社会效益和经济效益。特别是在南方冰冻灾害、四川汶川和青海玉树抗震救灾、北京奥运会以及上海世博会中发挥了重要作用。

1）在交通运输方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的“新疆公众交通导航监控系统”、“公路基础设施安全监控系统”以及“港口高精度实时定位调度监控系统”等应用推广工作，取得了良好的示范效果。

2）在海洋渔业方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的海洋渔业综合信息服务平台，为渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。

3）在水文监测方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的水文监测系统，实现多山地域水文测报信息的实时传输，提高灾情预报的准确性，为制订防洪抗旱调度方案提供重要的保障。

4）在气象测报方面，成功研制一系列气象测报型“北斗”终端设备，形成实用可行的系统应用解决方案，解决中国气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输问题。

5）在森林防火方面，“北斗”卫星导航试验系统成功应用于森林防火系统，其定位与短报文通信具有较好实际应用效果。

6）在通信时统方面，成功开展“北斗”双向授时应用示范，突破光纤拉远等关键技术，研制出一体化卫星授时系统。

7）在电力调度方面，成功开展基于“北斗”卫星导航试验系统的电力时间同步应用示范，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。

8）在救灾减灾方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。

“北斗”卫星导航系统建成后将为民航、航运、铁路、金融、邮政等行业提供更高性能的定位、导航、授时和短报文通信服务。

3.2 北斗卫星导航系统的应用特点

北斗卫星导航定位系统由空间卫星、地面主控站(控制中心)与标校站和用户终端设备三大部分组成, 它具有快速二维定位、双向简短报文通信和精密授时三大基本功能。该系统基于“二球交会”原理进行定位, 即以2颗卫星的已知位置坐标为圆心,各以测定的本星至用户机的距离为半径,形成2个球面,用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。地面控制中心存储的电子高程地图库提供1个以地心为球心,以球心至用户机的距离为半径的球面。求解圆弧线与该球面的交点, 并根据用户在赤道平面北侧的实际情况,即可获得用户的二维位置坐标[3]。北斗卫星导航定位系统主要应用特点如下[4-5] :

1)系统覆盖我国全部国土及周边区域

北斗系统是覆盖我国本土及其周边地区的区域性卫星导航定位系统,覆盖范围为东经70°～145°,北纬5°～55°,可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域,

在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性。

2)系统定位、授时精度能满足导航定位需要

北斗系统的二维水平定位精度(1δ)为20m(不设标校站区域100m),双向授时精度20ns(单向授时精度100ns),与GPS系统的民用精度基本相当,能满足用户导航定位和授时要求。北斗系统的注册用户分为3个服务等级,对应的定位响应时延分别为:一类用户5s,二类用户2s,三类用户1s北斗系统具有单向和双向2种授时功能,根据不同的精度要求,定时传送最新授时信息给用户端,供用户完成与北斗卫星导航定位系统之间时间差的修正。

3)系统双向报文通信功能应用优势明显

北斗系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信能力。系统一般用户1次可传输36个汉字,经核准的用户利用连续传送方式1次最多可传送120个汉字这种简短双向报文通信服务,可有效地满足通信信息量较小、但即时性要求却很高的各类型用户应用系统的要求。这很适合集团用户大范围监控管理和通信不发达地区数据采集传输使用。对于既需要定位信息又需要把定位信息传递出去的用户,北斗卫星导航定位系统将是非常有用的。需特别指出的是,北斗系统具备的这种双向简短通信功能,目前已广泛应用的国外卫星导航定位系统(如GPS、GLONASS系统) 并不具备。

4）系统有源定位体制使用户定位的隐蔽性、实时性较差,用户容量受限北斗系统是主动式有源双向测距二维导航系统, 在地面控制中心进行用户位置坐标解算。北斗系统的有源定位工作方式使用户定位的同时失去了无线电隐蔽性,这在军事上是不利的。另外,北斗系统对地面控制中心的依赖性大,一旦其地面中心控制系统受损,系统就不能继续工作了;用户设备必须包含发射机,因此其

在体积、重量、功耗和价格方面远比GPS接收机来得大、重、耗电与贵。北斗系统从用户发出定位申请, 到收到定位结果,整个定位响应时间最快为1s，即用户终端机最快可在1s后完成定位。这1s的定位时延对飞机、导弹等高速运动的用户来说时间嫌长。北斗系统适合为车辆、船舶等慢速运动的用户提供服务。北斗系统导航定位实时性较差,对于高动态载体(如飞机、导弹等),该缺陷是显而易见的。北斗系统是主动双向测距的询问)应答系统,系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此,北斗系统的用户设备工作容量是有限的。北斗系统可为以下用户机每小时提供54万次的服务:一类用户机(适合于单人携带使用)10000～20000个,5～10min服务一次;二类用户机(适合于车辆、舰船使用)5500个,10～60s服务一次。

“北斗”系统的上述应用特点,决定了该系统适合在中国全境范围内,在测绘、电信、水利、交通运输、勘探等使用要求相对较低的民用领域进行导航定位、报文通信和授时服务等应用。目前该系统在军事领域的应用,受到了一定的制约。3.3 北斗卫星导航系统的应用现状

北斗卫星导航定位系统运营以来,在军民用领域上发挥了重要作用,迄今为止,已为用户提供定位服务超过亿次,通信服务超过千万条,在森林防火、水利防汛、交通运输等民用、军用领域产生了显著的社会效益。所研制的黑龙江大兴安岭森林防火信息系统、澜沧江上湄公河船舶调度管理系统和郑州铁路局铁路机车到站报点系统等北斗系统应用示范工程,已取得了明显的经济效益[6-7] 。

但是,北斗系统作为我国自行研制的、具有鲜明应用特点的卫星导航定位系统, 总的来说,目前的实际应用并不理想。主要表现在:

1)系统应用不充分,与世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位不

相称

北斗系统工作容量可达百万户,而目前注册在线的终端用户却不足千分之一, 卫星资源闲置严重。该系统的快速定位、双向报文通信和精密授时0功能,特别是双向报文通信功能未得到充分应用,该导航定位系统在许多民用领域中的用途还未被认知。中国工程院戚发韧院士经过对北斗系统进行详实的调研后提出:中国研制成功的第一个拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统,目前在民用领域资源利用并不充分,几近闲置。他在调研报告中明确写到:北斗系统本应拥有上百万用户的能力,目前却只有几千个用户,国家投入几十亿元,但利用很不充分,造成了资源的严重浪费。北斗卫星导航定位系统目前在民用领域应用不充分、未形成产业化的现状,与该系统作为世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位很不相称。

2)用户终端设备价格偏高,在市场上无法与GPS系统形成竞争

北斗系统目前的有源定位技术体制决定了其用户终端设备需能收能发,在技术应用上有通信功能,应用优势明显,这是无可怀疑的。但这种体制也使用户终端制造成本增加,加上终端设备用户少,所以目前市场价格偏高,多数用户难以接受。用户终端设备价格昂贵的北斗系统在市场上是无法与GPS系统进行竞争的。

3)用户终端设备研制开发滞后,跟不上应用需求

北斗系统用户终端设备研制开发严重滞后于系统建设。究其原因,一是用户终端设备研制起步较晚,没有做到与系统建设同步研发;二是用户终端研制难度大,没有集中力量对其重点进行攻关,各研制单位各自为战,技术上不交流,形不成合力;三是国内器件、部件生产基础差,而进口芯片价格昂贵。在2002年北斗系统开始试运行时,系统民用终端设备尚不成熟。至今国内仍有十几家单位在投入

资金研制北斗用户终端,但提高性能价格比的成效并不大,有的单位甚至不得不退出研发。目前能生产北斗系统民用终端的厂商有五、六家,产品价格较高,各有优缺点。北斗系统民用终端设备生产厂商各自为战的研制生产方式,在当前用户量不大、生产批量上不去的情况下,成本下不来;而成本下不来,市场用户就上不去,形成一个恶性循环。用户终端设备生产方式存在的高成本是影响北斗系统推广应用的问题之一。

4) 北斗民用市场的自由化和无序竞争,影响了北斗系统应用市场的健康发展

由于国家没有北斗系统民用开发规划和应用市场准入机制,市场完全是无序的自由竞争,一些企业单位对北斗系统市场认识和估计过于乐观,为早日抢到市场,自发投入不少资金开发北斗民用终端。到目前为止,真正获得成功、设备产品质量较好的厂家只有几个。有一些企业单位在产品技术质量还不成熟的情况下, 就急于推销自己的产品收回投资,采用低价竞争方式抢占市场,结果是实际运行故障频发用户服务又跟不上,动摇了用户选用或继续使用北斗系统的信心,增加了对北斗系统应用的怀疑情绪,影响了北斗系统健康发展和推广应用。

3.4 北斗卫星导航系统应用的主要制约因素

目前, 影响、制约北斗系统在民用领域获得广泛应用的因素主要是[8] :

1) 系统用户终端设备价格昂贵

前面已分析到,造成北斗系统用户终端设备价格昂贵的主要原因,一是目前系统本身所采用的有源定位技术体制,二是终端设备生产量少、关键元器件依赖进口使生产成本居高不下。关于北斗系统的技术体制改进和完善问题,已在中国第二代卫星导航系统的研制计划中基本得到了考虑。在后续分析的推动北斗系统民用产业化发展的对策与建议中,提出国家应投入资金,组织有关部门联合攻关,

解决北斗系统用户终端设备关键元器件国产化问题。

2) 系统应用缺乏国家政策的有力支持

北斗系统是国家花费巨资建设起来的的军、民两用区域性卫星导航定位系统。作为一个新兴产业,北斗系统要发展壮大,与国家政策的支持是分不开的。但是,我国至今缺少一个对国家安全有着重要意义的有关卫星导航定位产业的国家级政策,当然更缺少相应的管理办法和运营措施。这影响了企业和科研部门对北斗导航系统应用的投入,直接导致了用户终端产品品种少、水平低、价格贵。卫星导航应用产业已成为全球信息化产业中发展最快的产业之一,而中国的这项产业目前大多数在经营国外的产品,大量用户成为了外国产品的消费者。北斗系统应用研发与服务的企业只有寥寥几家,用户少得可怜。

3) 政策缺位直接导致系统应用推动乏力

北斗卫星已经升空5年,可它作为一种新技术新业务,很少有人大力去普及推广,广大用户特别是信息化人员,对其知之甚少,在各种媒体和市场上,也难以找到相关的宣传资料。很多企业和用户,甚至不知道谁是民用卫星导航产业的主管部门。北斗系统在应用系统的开发试验上,需要大量的资金投入,开发运营企业难以在资金上长久维持,用户就更做不到花费巨资,为自己建设应用小平台。没有国家资金的介入,公司的资金杯水车薪。

4 北斗卫星导航系统与GPS功能特点的比较

1．覆盖范围：北斗卫星导航系统主要覆盖我国本土的区域性、全天候导航系统。覆盖范围东经约70°～140°，北纬5°～55°。GPS是覆盖全球的、全天候导航系统；

2．卫星数量和轨道特性：北斗卫星导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球

同步卫星，卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°轨道面赤道角距60°；

3．定位原理：北斗卫星导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据；

4、定位精度：北斗卫星导航系统为三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码已由16m提高到6m，C/A码已由25～100m提高到12m，授时精度约20ns；

5、用户容量：北斗卫星导航系统由于是主动双向测距的询问—应答系统。用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率，因此，北斗卫星导航系统的用户容量是有限的。GPS是单向测距系统。用户只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此，GPS的用户容量是无限的。

5 北斗卫星导航定位系统存在的问题与不足

1．定位服务区是区域性的。不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位；

2．同时容纳的用户数量有限。北斗卫星导航系统同一时间要接收地面用户群发来的信息，用户群的个体数量是受限制的；而GPS只发信号，多少用户接收都没关系，数量可以无限；

3．无法为快速移动物体提供准确的定位服务。北斗卫星导航系统用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球同步卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此，对于高速运动体，加大了定位的误差，军事方面

应用受到限制；

4．主控站位置容易暴露受攻击、干扰。北斗卫星导航系统是基于中心控制系统和卫星而进行的工作，且定位解算由中心控制系统完成，对中心控制系统依赖性强。一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作。而GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行；

5．管理复杂、层次多，容易出错。地面控制中心要同时分析处理几万到几十万的用户资料，判断密码、定位、以及返回的情报，而且这些用户单位所属各不一样，应急的级别也不一样，处理起来决不是容易的事；

6．地面用户的设备体积大、造价高。

6 提高北斗卫星导航系统的建议

提高北斗卫星导航系统的性能，可以从以下几点着手。第一，扩大北斗卫星定轨观测网，提高广播星历精度；第二，优化北斗卫星导航电文内容，便于用户接收使用；第三，播发北斗与其他系统之间的时差信息，扩大北斗的应用市场；第四，研发北斗卫星自主导航技术，提高抗毁能力；第五，研发MEMS化北斗卫星，建设全新北斗星座。

7 结语

北斗卫星导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉，且能实现一定区域的导航定位、通信等多种用途，可满足我国当前陆、海、空运输导航定位的需求，是一个相对成功的、实用的、投资少的起步系统。但同时应清楚的认识到，北斗卫星导航系统仅是我国自主设计建立的简易导航系统，还存在很多的不足之处。因此，必须在发展北斗卫星导航系统的基础上，借鉴国外GPS、GLONASS 的成功经验，开发具备先进性、适用性、军民两用、抗干扰性、抗

继毁性等特征的，适合我国国情的更加完善的卫星导航定位系统。