北斗卫星导航系统技术特征分析与应用研究

北斗卫星导航系统技术特征分析与应用研究

刘桂成

山东科技大学（泰安校区）山东泰安271000

摘要：北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，由国家自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。随着国家的日益强盛和技术上的不断成熟北斗技术的发展逐日提上日程，近几年卫星发射组网建设基本完成北斗技术的应用指日可待。本文从北斗卫星导航系统的技术特征出发，研究了北斗卫星导航系统的建设原则、精度要求，分析了北斗卫星导航系统未来发展趋势，并对北斗卫星导航系统在各领域的应用进行探究，以期对该领域的相关研究提供一定的借鉴意义。

关键词：北斗卫星；导航系统；卫星发射组网建设；应用趋势

北斗导航终端与GPS、“伽利略”和“格洛纳斯”相比，优势在于短信服务和导航结合，增加了通讯功能；全天候快速定位，极少的通信盲区，精度与GPS相当。向全世界提供的服务都是免费的，在提供无源定位导航和授时等服务时，用户数量没有限制，且与GPS兼容；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”；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。

1.北斗卫星导航系统的介绍

中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

北斗卫星导航系统由空面端、地面端和用户端三部分组成，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。

北斗三号基本系统完成建设，于2018年12月26日开始提供全球服务。这标志着北斗系统服务范围由区域扩展为全球，北斗系统正式迈入全球时代。

2.北斗系统的特点及精度要求分析

2.1北斗系统的特点

（1）北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。

（2）北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

（3）北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。

2.2北斗系统的精度要求

北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位，导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方北斗卫星导航系统。定位精度平面10米、高程10米，测速精度0.2米/秒，授时精度单向50纳秒，开放服务不提供双向高精度授时。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息其导航精度上不逊于欧美之外。

3.北斗系统的建设要求

3.1建设原则

（1）开放性原则：北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。

（2）自主性原则：中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。

（3）兼容性原则：在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。

（4）渐进性原则：中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。

3.2北斗系统的发展趋势

（1）我国卫星导航产业市场空间广阔，产业发展有望持续向好。2017年我国卫星导航产业总产值达2550亿元，同比增长20.4%，北斗贡献率达80%，相比2016年增加10个百分点。根据《国家卫星导航产业中长期规划》(以下简称《规划》)：到2020年，我国卫星导航产业规模要发展到4000亿元以上，未来三年产业规模年均复合增速将有望达16.2%，产业发展有望持续向好。

（2）北斗民品市场发展有望进一步提速。根据《规划》：到2020年，北斗及其兼容产品对国内应用市场的贡献率要达到60%，重要应用领域达到80%以上。目前国产北斗芯片已实现规模化应用，总体性能达到甚至优于国际同类产品，累计销量已突破5000万片，最低单片价格仅6元人民币，高精度OEM板和接收机天线已分别占国内市场份额30%和90%。目前国内民品市场GPS的应用仍占很大份额，随着北斗系统的不断完善和应用推广，国内民用市场有望逐步扩大。此外，随着北斗全球系统的逐步建成，我国北斗将逐步具备服务全球用户的能力，未来北斗海外民品市场也有望逐步打开，国内北斗产业将有望全面受益。

（3）军费超预期增长及军改的落地，北斗军品市场景气度有望持续提升。根据十九大报告，我国要坚持走中国特色强军之路，全面推进国防和军队现代化，到本世纪中叶把人民军队全面建成世界一流军队。强军目标的持续推进也将大概率保证我国军费的长期增长。北斗军品已成为军队不可或缺的重要装备，随着信息化的发展，未来军队对于基于北斗技术开发的军品需求有望逐步增大，北斗军品市场也将长期受益于国防支出的持续增长。此外，随着军改的基本落地，前期受影响而延迟的军品订单开始恢复，以海格通信为例，自2017年10月军改落地后，至今已陆续收到来自特殊机构客户的军工订单(含北斗军品)超14亿元，军品订单已有逐步恢复增长的态势，将有望带动北斗军品市场迎来增长良机。

4.卫星发射组网建设

4.1中国卫星工程发展历程

中国卫星工程的发展历程可以分为三个阶段：

第一阶段,1958~1970年，这一阶段是卫星工程的技术准备阶段。在这一阶段中，研制了探空火箭，开展了卫星工程的基础研究工作，同时为研制卫星进行了一系列技术上、工程上和组织上的准备工作。中国发射成功第一枚液体燃料气象火箭“T-7”。1965年国家正式下达了研制人造卫星的任务，1968年2月组建了中国空间技术研究院。1970年4月24日，第一颗人造卫星“东方红一号”研制和发射成功，使中国成为世界上第五个独立研制和发射人造地球卫星的国家。

?第二阶段，1971~1984年，这一阶段是卫星工程的技术试验阶段。在这一阶段中，先后研制成功了返回式遥感卫星和试验性通信卫星。1975年11月26日，首次发射回收了返回式遥感卫星，使中国成为世界上第三个掌握卫星返回技术的国家。从1976年至1984年,相继研制发射了5颗返回式卫星,其试验和回收均获得成功。

第三阶段，1985年起至今，这一阶段是卫星工程从技术试验走向工程应用的阶段。在此阶段，返回式卫星在连续多次试验成功的基础上进人了实际应用，为国土普查、资源勘测、铁路选线等国民经济各领域提供了大量的图片和数据。同时卫星性能得到了改进，卫星在轨工作时间从起初的3天延长到15天。在此阶段的后五年，即在中国“九五”计划期间，中国卫星研制和工程管理工作有了很大提高，共研制和发射了11颗不同类型的人造卫星和第1艘“神舟”号试验飞船，发射成功率和飞行成功率均达到100%,其中6颗卫星及1艘试验飞船都是首次发射即获得试验成功，并取得很好的应用效果。

?截至2000年底，中国共研制并发射了48颗不同类型的人造卫星。目前，中国已初步形成四个卫星系列:返回式遥感卫星系列、“东方红”通信广播卫星系列、“风云”气象卫星系列和“实践”科学探测与技术试验卫星系列，“资源”地球资源卫星系列和“北斗”导航定位卫星系列也即将形成。中国研制和发射的卫星已广泛用于经济、科技、文化和国防建设各个领域，取得了显著的社会效益和经济效益。20世纪后期，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；计划在2020年前后，建成北斗全球系统，向全球提供服务。

4.2卫星发射组网建设

1994年北斗一号工程启动；2000年第1、2颗北斗导航试验卫星发射；2007年4月，我国成功发射第一颗北斗二号导航卫星，正式开始独立自主建设第二代卫星导航系统；2009年北斗工程正式启动；2012年14颗星构成的北斗二号卫星导航系统为亚太大部分地区提供导航授时服务；2017年11月，北斗卫星导航系统步入全球组网时代；2018年11月，北斗三号基本系统星座部署完成，至此我国已发射43颗北斗导航卫星；2018年12月27日，北斗系统服务范围由区域扩展为全球，北斗系统正式迈入全球时代。下面是全球北斗卫星导航系统卫星星座示意图：

图1北斗卫星导航系统卫星星座

北斗区域卫星导航系统于2011年底建成，并开始向中国及周边地区提供连续无源定位、导航、授时等试运行服务。自2011年底提供试运行服务以来，北斗系统又完成了4箭6星发射，扩大了系统覆盖范围，增强了星座稳健性，提供了系统服务精度。

北斗卫星导航系统应用研究

（1）基础产品：北斗卫星导航芯片、模块、天线、板卡等基础产品，是北斗系统应用的基础。通过卫星导航专项的集智攻关，我国实现了卫星导航基础产品的自主可控，形成了完整的产业链，逐步应用到国民经济和社会发展的各个领域。伴随着互联网、大数据、云计算、物联网等技术的发展，北斗基础产品的嵌入式、融合性应用逐步加强，产生了显著的融合效益。

（2）交通：交通运输业是支持国民经济、社会发展和人民生活的命脉，北斗卫星导航系统是助力实现交通运输信息化和现代化的重要手段，对畅通、高效、安全、绿色的现代化交通运输体系的建立具有十分重要的意义。主要包括陆地应用，如车辆自主导航、车辆跟踪监控、车辆智能信息系统、车联网应用、铁路运营监控等；航海应用，如远洋运输、内河航运、船舶停泊与入坞等；航空应用，如航路导航、机场场面监控、精密进近等。随着交通的发展，高精度应用需求加速释放。

（3）金融：金融行业计算机网络时间同步，涉及国家政治经济民生安全，自主北斗应用势在必行。金融管理部门通过使用北斗授时功能，实现金融计算机网络时间基准统一，保障金融系统安全稳定运行。主要包括金融计算机网络时间基准统一、金融车辆监管等应用。

（4）农业：中国是农业大国，北斗卫星导航技术结合遥感、地理信息等技术，使得传统农业向智慧农业农业加快发展，显著降低了生产成本，提升了劳动生产率，提高了劳动收益。金融行业计算机网络时间同步，涉及国家政治经济民生安全，自主北斗应用势在必行。金融管理部门通过使用北斗授时功能，实现金融计算机网络时间基准统一，保障金融系统安全稳定运行。主要包括金融计算机网络时间基准统一、金融车辆监管等应用主要包括农田信息采集、土壤养分及分布调查、农作物施肥、农作物病虫害防治、特种作物种植区监控、以及农业机械无人驾驶、农田起垄播种、无人机植保等应用，其中农业机械无人驾驶、农田起垄播种、无人机植保等应用对高精度北斗服务需求强烈。

（5）林业：林业是北斗系统应用较早的行业之一。林业管理部门利用北斗应用进行林业资源清查、林地管理与巡查等，大大降低了管理成本，提升了工作效率。主要包括林区面积测算、木材量估算、巡林员巡林、森林防火、测定地区界线等应用。其中巡林员巡林、森林防火等使用了北斗特有的短报文功能。特别是在国家森林资源普查中，北斗卫星导航技术结合遥感等技术，发挥了重要作用。而随着中国林区实行集体林权改革，北斗系统也在勘界确权上得到广泛应用。

（6）渔业：渔业是北斗短报文特色服务普及较早应用广泛的行业。我国是渔业大国，海洋渔业水域面积300多万平方公渔业的渔船与渔民众多。主要包括渔船出海导航、渔政监管、渔船出入港管理、海洋灾害预警、渔民短报文通信等等应用。特别是在没有移动通信信号的海域，使用北斗系统短报文功能，渔民能够通过北斗终端向家人报平安，有力保障了渔民生命安全、国家海洋经济安全、海洋资源保护和海上主权维护。

（7）公安：反恐、维稳、警卫、安保等大量公安业务，具有高度敏感性和保密性要求，推广应用北斗系统势在必行。基于北斗的公安信息化系统，实现了警力资源动态调度、一体化指挥，提高了响应速度与执行效率。主要包括公安车辆指挥调度、民警现场执法、应急事件信息传输、公安授时服务等应用。其中，应急事件信息传输使用了北斗特有的短报文功能。

（8）防灾减灾：防灾减灾领域，是北斗应用较为突出的行业应用之一。通过北斗系统的短报文与位置报告功能，实现灾害预警速报、救灾指挥调度、快速应急通信等，可极大提高灾害应急救援反应速度和决策能力。主要包括灾情上报、灾害预警、救灾指挥、灾情通信、楼宇桥梁水库等监测等应用。其中，救灾指挥、灾情通信使用了北斗特有的短报文功能，楼宇桥梁水库等应用利用了高精度北斗服务。

结语：

当火箭载着卫星划破苍穹，冲进太空的那一时刻，那一抹绚丽阳尾火，就是北斗人奋斗的色彩。从制订计划到研发成功付出了一代代人的心血，攻克难关，劈波斩浪，留下了一串串脚踏实地，求真务实的科研脚印，更洒下了无数无悔青春华章的汗水，北斗成功了，中国的导航系统成功了，有了我们自己的导航系统我们的国家将更加繁荣昌盛。

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