论我国卫星导航的应用现状与发展

摘要 本文概括了北斗系统工作原理，总结了我国北斗系统的优势与劣势，阐述了北斗系统建设原则与发展目标，以及北斗系统目前在我国应用状况，同时对制约我国北斗系统应用与影响北斗系统发展的因素作了深刻分析，并给出关于推动我国卫星导航事业的一些建议。

关键词 北斗系统；卫星导航；发展；应用

中图分类号TN967.1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）34-0190-02

0 引言

我国的北斗导航系统在国防建设和国家经济建设中占有越来越重要的地位，它直接关系到国家安全以及经济社会的长远发展。北斗导航系统具有独特的优势和广阔的应用前景，有巨大的经济和社会价值，能充分发挥天地一体化及卫星通信、导航、遥感等专业方向齐全的优势，结合应用需求，为各军兵种、行业用户提供一体化综合集成服务，为军兵种战术作战及国家减灾、环境、通信等重点行业提供保障。

1 北斗系统原理与特点

1.1 北斗系统原理

北斗卫星定位系统由空间卫星系统、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星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。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。工作原理示意图如图1所示。

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，因此由上面两个延迟量可以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地面控制中心存储的电子高程地图查寻到用户高程值，可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户，完成对用户的定位。

1.2 北斗系统的特点

1.2.1 北斗系统的优势

北斗系统与其它卫星导航系统相比有着自己独特的优势，主要表现在以下几个方面：

1）同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持。北斗系统与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。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；

2）全天候快速定位，覆盖中国及周边国家和地区，无通信盲区。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°，可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域，且无通讯盲区。相比之下，GPS结合地面无线通讯系统（GSM、集群），覆盖范围只能局限于地面基站系统所达到的地区，无法满足偏远山区、海上、跨区域大系统的应用要求；

3）融合“导航系统”和“增强系统”两大资源，服务内容更加丰富。北斗卫星导航系统中心站不仅可以保留全部北斗终端的位置及时间信息，而且可实时存储大量非常有价值的GPS数据，通过“卫星导航增强系统”为用户提供更加丰富的信息服务及精密导航定位服务；

4）自主控制，安全稳定，保密性好。北斗系统是中国自行研制、自主控制的卫星定位导航系统。在当前复杂多变的国际形势下，过分依赖国外卫星导航系统难免受制于人，对一些要害部门的用户而言，能否拥有自主控制的卫星导航系统至关重要。另外，北斗导航系统通信信号稳定，且设计有高强度加密措施，安全可靠，适合关键部门应用。

1.2.2 北斗系统的劣势

北斗系统存在的不足，主要表现在以下几个方面：

1）北斗系统隐蔽性差，系统容量有限。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，这种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，在军事上是不利的。北斗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；

2）定位终端比较复杂。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、耗电与昂贵；

3）北斗系统的实时性较差。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，1s的定位时延对飞机、导弹等高速运动的用户来说时间很长。所以对于高动态载体，该缺陷是显而易见的。

2 北斗系统建设原则与应用分析

2.1 北斗系统建设原则

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，其建设与发展遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则，具体内容为：

1）开放性：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，推动卫星导航技术与产业的发展；

2）自主性：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：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：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。

2.2 北斗系统应用状况与制约因素分析

2.2.1 北斗系统应用状况

我国的北斗系统在军事方面，可为舰艇、飞机等武器平台提供导航定位服务、协助武器系统实现精确打击、搜索营救及调度指挥等，在空降、集结、侦察、撤离、空中管制等军事行动中发挥前所未有的作用。在民用方面，当前已应用于船舶运输、公路交通、车辆导航监控、林渔业、土建工程、物理勘探、资源调查、陆地与海洋测绘、气象与海洋环境监测等众多行业及对定位、测速和授时有需求的领域。

2008年北京奥运会期间，北斗系统在交通、场馆安全的定位监控方面发挥作用。但该系统最为引人注目的表现，是在汶川地震救灾中。当时，中国卫星导航定位应用管理中心紧急调拨1000台“北斗一号”终端机配备给一线救援部队。中国自主研制的“北斗一号”卫星终端，在四川汶川地震造成通信中断的情况下，提供给救灾部队携带，以进行导航定位。由此可见，北斗导航系统在经济安全与国计民生的重要领域中正在发挥越来越显著的作用。

2.2.2 北斗系统应用局限性

尽管北斗系统近几年来应用得到推广，但是与GPS系统相比，北斗的应用还相当有限，主要表现在：

1）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。据有关方面数据显示，目前在我国整个卫星导航市场上，北斗系统注册在线的终端用户不足设计容量的千分之一，卫星资源闲置严重，系统效益远未充分发挥，与我国投入巨资发展北斗卫星导航定位系统的期望有较大差距；

2）北斗系统目前的技术体制决定了用户终端的价格偏高，缺乏竞争力。北斗用户终端成本昂贵，目前市场价格居高，多数用户难于接受。同样应用功能的用户终端产品，北斗终端要比“GPS终端＋短信”价格高出许多倍，导致近几来北斗终端消费提高不是很大。以近5年来我国卫星导航终端消费情况比对表为例（如表1）。

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3）北斗系统的用户终端设备严重滞后，跟不上应用需求。主要是由于关键器件部件生产基础差，没有与系统建设同步组织好力量攻关。北斗系统终端研制难度大，这种竞争方式耗时较长，以致在北斗系统建成运行时，民用终端设备尚不成熟；

4）政策缺位直接导致系统应用推动乏力。北斗卫星作为一种新技术新业务，尽管近两年来各大媒体或市场上关于北斗的新闻已有所增加，但宣传力度仍有待加强。广大用户特别是信息化人员，对其知之甚少，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；

5）卫星定位导航市场包括北斗民用市场的完全自由化和无序竞争，延缓了北斗应用市场的健康发展。由于国家对北斗系统民用的开发规划和北斗应用市场准入机制还不够完善，导致市场无序的自由竞争，一些企业单位对北斗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。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，影响北斗系统健康发展和推广应用。

2.3 推动我国卫星导航应用产业发展的几点建议

1）从吸引用户角度出发，应当尽可能提高系统性能。如信号选择和设计上要考虑定位的稳定性，星座设计上要考虑自主导航，应当完善相应的增强和辅助设施；

2）明确北斗系统的建设管理和应用方针及主管部门。例如可由军委指定的部门负责北斗系统的规划建设和管理；建立中国卫星导航定位应用协会协调各部门间的关系；

3）明确一些鼓励和支持北斗系统研制开发应用的经济和技术措施。如在近期如何加大政府对北斗系统终端开发、系统应用集成和重要应用项目的资金支持；如何鼓励北斗系统终端设备研发和应用需求的创新；

4）明确北斗系统的对外关系处理原则。允许北斗民用设备出口，允许先在周边国家开展民用应用，有利于扩大北斗的用户数量和推进北斗系统的发展完善；

5）建立市场准入机制，规定准入门槛，制定服务标准。卫星定位导航服务是对经济和社会的重要的基础服务，应视同通信信息服务一样规范管理。应强调和培育服务品牌名牌，不能像销售一般消费品一样，只顾及眼前利益。短期的销售行为只会把市场搞乱，使用户受损失。

3 结论

根据系统建设总体规划，按照三步走的发展战略，中国北斗卫星导航系统将于2012年前具备亚太地区区域服务能力，2020年左右，建设成由30余颗卫星、地面段和各类用户端构成的、覆盖全球的定位导航系统。北斗卫星导航系统复杂，它的建设应用，将实现中国航天从单星研制向组批生产、从保单星成功向保组网成功、从以卫星为核心向以系统为核心，从面向行业用户向面向大众用户的历史性转型，开启中国航天事业的新征程。

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