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北斗卫星导航系统的应用探究

来源:原创论文网 添加时间:2018-12-07

摘要

  Abstract:This paper introduce the current status of the application of navigation system, analyzes the pros and cons of beidou navigation development, explores the prospect of application of beidou navigation, and looks forward to the great development space of beidou navigation system in our country.

  Keyword:beidou; navigation; location; time signal;

  从20世纪进入21世纪, 卫星导航经历了从初出茅庐到发展壮大的过程, 并从以卫星导航为主要应用主体演变为定位、导航、授时与移动通信和因特网等信息载体融合的新时期。如今, 全球卫星导航系统已经跟用水用电一样不可或缺, 成为国民经济的重要基础设施, 并从根本上改变着人们的生产方式、生活方式和社会生存生态方式, 影响极其广泛深远。

北斗卫星导航系统的应用探究

  1、导航系统的概况

  全球卫星定位导航系统有定位、授时及导航、测绘等功能, 具有众多军事及商业用途, 目前的情形是美国、俄罗斯、欧盟、中国“四分天下”而各有特点。这四大导航系统各具特色:美国GPS最早投入使用, 系统精确度最高, 应用市场最为广泛;俄罗斯格洛纳斯号称抗干扰能力最强;欧洲伽利略号称系统定位精度最高;北斗是唯一可以发短报文的导航系统。

  1.1、全球定位系统GPS (Global Positioning System)

  全球定位系统GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。该系统自1973年起步, 1978年首次发射卫星, 1994年建成, 覆盖全球范围。该系统由24颗卫星组成, 定位精度10米, 目前正在使用中, 并且新一代系统正在研制。目前, 许多国家使用GPS终端设备, 包括我们国家也在使用。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

  但GPS的本质是美国军用系统, 一旦美国发现其他国家使用GPS可能有害或侵犯美国利益时, 美国会立即改变密码, 禁止其使用。因此, 我们可以利用GPS, 但不能依赖GPS。

  1.2、全球卫星导航系统GLONASS (格洛纳斯)

  由前苏联从80年代初开始建设, 采用FDMA编码技术, 后由俄罗斯空间局管理。GLONASS空间星座由24颗卫星组成, 定位精度水平方向16米、垂直方向25米。目前, GLONASS系统的主要用途是导航定位, 当然与GPS一样, 也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域。但由于卫星使用寿命和俄罗斯空间局资金紧张等问题, 目前处于有限使用中, 编码正升级为CDMA技术。

  1.3、伽利略定位系统GALILEO

  欧洲联盟于2001年3月正式启动了一项名为“伽里略计划”的卫星信息系统研发方案, 由30颗卫星组成, 定位精度1米。2003年中国加入欧盟伽利略计划联合执行体, 从此我国不仅是该计划的参与者, 而且成为该系统的拥有者之一。但是后来由于各种原因, 合作并不是很愉快, 中国被排除在核心项目之外, 这更激发了我国独立自主建设导航系统的决心。

  2012年10月12日, 欧洲发射第三、第四颗伽利略导航卫星, 组成卫星网络, 发挥了地面精确定位的功能。但目前仍处于建设中。

  1.4、北斗导航系统

  我国的北斗卫星导航系统于1994年开始研发, 2003年开通使用, 用了不到十年时间, 采用具有自主知识产权的双星定位模式, 这主要是考虑当时国家经济、技术实力等条件, 第一步建设覆盖我国本土的北斗卫星试验系统, 这就是“北斗一号”系统。

  为满足我军民用户对无源导航定位需求, 2004年8月, 国务院、中央军委批准建设第二代卫星导航系统, 命名为“北斗二号”系统, 实现了我国自主的无源导航定位。北斗二号计划在2020年前发射35颗卫星, 形成全球性的定位导航系统, 比GPS还多5颗。多出的5颗是在赤道上空的同步卫星, 实现通信功能。截止到2018年7月29日, 已成功发射34颗。

  2、卫星导航系统的应用

  “卫星导航系统的应用只受到人们想象力的限制”已成为一句名言。实际上, 卫星导航系统真正全球化、大众化的民用市场还只是刚刚开始, 今后的路还很长很长。从卫星导航应用的角度, 主要领域涉及航空、航海、通信、金融、农业、测绘、授时、人员和财务跟踪、车辆监控管理和导航与位置信息服务等多种类型。

  2.1、航空

  由于导航系统可以提供连续精确的时间信息和位置信息, 可以引导飞机按照预定路线飞行, 明显降低航空时间和油耗, 并且可以及时将飞机飞行高度、位置、速度等信息对航空管制部门进行发送, 实现了全程自动监视, 保证了飞行安全并可以缓解空中线路拥挤状况, 为航空飞行提供了调度和飞行便利。

  2.2、航海

  卫星导航接收机广泛应用于海上船只的定位, 在卫星导航与无线通信系统手段结合集成后, 该系统就成为了位置报告系统和紧急救援系统。许多船只将导航和雷达以及其他捕鱼设备等结合起来, 便会产生巨大的经济效益。应用于海上勘探和测绘, 以及船舶引水导航及停泊靠岸, 都能提高效率, 获得良好的效益。

  2.3、授时

  卫星导航系统设备还用于作为时间同步装置, 特别是作为通信传输网络和金融交易处理定时中, 可以作为精准的定时基准。由于时间是网络同步的关键要素, 所以定时装置已成为网络同步最具应用前景的嵌入系统。

  2.4、汽车导航和位置信息服务

  卫星导航系统在车辆中的应用一直是前景很大的应用市场, 不仅如此, 随着近几年百度地图、高德地图等的应用, 位置服务和导航已经开始走进千家万户, 成为了生活中不可或缺的一部分。而在智能交通系统中, 又将车辆导航系统、车辆信息系统等结合起来, 形成了车辆导航、紧急道路求助、被盗车辆跟踪、定期保养服务等一系列功能。

  2.5、军事应用

  从军事领域的运用来看, 卫星导航是现代各种军事装备的眼睛, 在导弹精确制导、舰艇定位、整体军事战略部署都发挥着至关重要的作用。定位、通信、短报文服务作为军事运用中不可或缺的部分, 成为现代战争中的一个克敌制胜的关键。

  2.6、其他应用

  卫星导航应用还包括地理测绘、人员和财务跟踪、休闲和消费娱乐、环境监测、突发事件和灾害评估和自然资源分析的定位等。当然, 与通信系统的集成和汽车应用还是当前最大的两类市场。

  3、我国北斗导航系统的发展前景

  卫星导航系统的作用如此巨大, 美国的GPS定位系统发展的成熟度和应用的范围在全球位居前列。但是GPS卫星的控制权掌握在美国手中, 这会令使用GPS系统的其他国家处于被动地位, 影响着军事的发展和社会的稳定。作为中国军民科技融合、科技创新的重大成就, 北斗卫星导航系统是实施“中国制造2025”强国战略计划的关键一环。

  3.1、北斗导航系统服务领域和发展现状

  卫星导航的服务离不开时间和空间两大参照系统。时间、空间位置信息是重要的战略资源, 北斗系统具备授时、定位、导航和短报文服务等功能, 是我国重要的时空基础设施。只有应用北斗导航系统, 才能使我国摆脱依赖国外导航系统的状况, 开启我国时空体系独立自主的新时代。我国的能源、电力、金融尤其是国防安全等具有战略性地位的领域, 只有不依赖于国外技术, 建立基于北斗卫星导航的应用体系, 才能确保国防和经济建设健康发展。

  北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行, 并与其他卫星导航系统兼容互操作的全球卫星导航系统。自北斗导航系统提供服务以来, 其在各行各业的应用已经逐步完善和推广, 形成了一系列的产业体系。首先在军事上得到了广泛的应用, 比如在汶川抗震过程中, 深入灾区时北斗的短报文服务发挥了至关重要的作用, 甚至在某些地区成了唯一的联络方式。其次在其他相关行业也得到了广泛地推广, 形成了基础产品、应用终端、系统应用和运营服务比较完善的应用产业体系。在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、森林防火、通信系统、电力调度、救灾减灾等诸多领域, 正在产生广泛的社会和经济效益。

  3.2、北斗导航系统发展的影响因素

  3.2.1、有利因素

  一是有政府大力支持, 将加快基础设施的建设和应用的推广, 尤其是在军事领域的应用, 将推动北斗导航系统长足发展。具体表现在:对民间初期应用的客户进行财政补贴;对生产GPS导航设备的相关企业强制要求附带北斗卫星导航终端设备;对国内研发北斗导航系列产品的企业进行补贴或其他政策优惠, 大力推广北斗卫星导航系列产品的应用。二是社会的需求拉动, 导航定位的需求将在未来一段时间内长期存在, 潜在的社会需求将为北斗的发展提供一个非常大的空间。三是技术创新保障, 导航定位的技术为北斗的发展提供了有力保障。

  3.2.2、不利因素

  (1) 北斗卫星导航系统目前仍处在全球组网建设当中, 我国北斗卫星应用产品的研制与开发尚处于初级阶段, 未形成规模效应, 研发生产投入较为分散, 北斗卫星导航及应用的整个产业链还不是很成熟。

  (2) 国内对相关行业和技术认识

  市场的需求是影响北斗发展的重点, 市场的大小关系到北斗发展的快慢, 人们对于北斗的总体印象还是较为模糊的, 由于美国GPS导航设备民间应用领域久, 有一定的技术积累, 占得市场份额较重。市场上很多导航定位设备还都是以GPS为主, 兼容北斗导航定位系统的, 这对于北斗打开国内市场还是有非常大的影响。

  3.3、北斗导航系统应用行业发展前景

  从2012年底北斗系统投入区域服务以来, 三年间以北斗为核心推动力的我国卫星导航产业取得了喜人的成就和进步。自主的北斗系统的建设和投入运营, 与利用国外的GPS和GLONASS最大的不同, 是北斗的产业体系。由于有自主系统的整体性推动和二十多年的卫星导航应用基础, 很快达到日臻完善的境地。尤其是在产业链的整体形成和完善方面, 取得了前所未有的长足进步。据前瞻产业研究院《2019-2023年中国卫星导航与位置服务产业市场前瞻与应用前景预测分析报告》数据显示, 2017年中国卫星导航与位置服务产业总体生产总值达到2550亿元, 同比增长20.4%。

  随着各级政府鼓励北斗卫星应用产业发展政策的不断出台, 给北斗卫星应用提供了产业化契机, 我国北斗应用产业正进入快速发展时期, 在交通运输、数字城市、智能感知等新兴领域快速发展。北斗卫星应用技术呈现出从单一导航应用为主向导航和移动通信、互联网等融合应用转变, 从终端应用为主向产品与服务并重转变三大趋势, 并不断拓展出新的北斗应用领域, 推动产品性价比不断提高, 使北斗应用产品形成规模化快速发展。可以说, 卫星导航的生命期就像上个世纪90年代的互联网一样, 正要步入一个快速发展的旺盛期, 而且今后的路还很长很长。按照《国家卫星导航产业中长期发展规划》, 我国卫星导航产业规模在2020年将超过4000亿元, 我国未来的北斗卫星应用市场有着巨大的发展空间。

  参考文献
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  [2]谢钢.全球导航卫星系统原理——GPS、格洛纳斯和伽利略系统[M].北京:电子工业出版社, 2015.
  [3]智研咨询.2018-2024中国北斗卫星应用市场专项调研及投资前景分析报告[R].
  [4]新思界产品研究中心.2018-2022年高精度GNSS行业市场现状及投资前景预测报告[R].

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