北斗卫星导航系统发展概况及应用前景

北斗卫星导航系统TOC\o"1-3"\h\u30734简介 220804发展历史 224013建设原则 324159开放性 324085自主性 316098系统构成 34127卫星组成 518215星座构成 620676覆盖范围 1023298定位原理 1028021卫星导航原理 1128490定位精度 126191系统功能 1317532基础功能 1329715短报文通信 132951精密授时 1318290定位精度 1328174系统容纳的最大用户数 131941军用功能 1332158民用功能 1421396个人位置服务 1427051气象应用 1424299道路交通管理 146733铁路智能交通 144530海运和水运 1532278航空运输 155027应急救援 152942产业配套 1624665北斗芯片 1615024检测认证 1713926市场应用 178895国际应用 1751国内示范 1832143社会评价 18简介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间段、地面段和用户段三部分组成，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，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。发展历史卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为了更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。建设原则北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：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，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。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。系统构成北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射16颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。发射时间火箭卫星编号卫星类型2000年10月31日北斗-1A北斗1号2000年12月21日北斗-1B2003年5月25日北斗-1C2007年2月3日北斗-1D2007年4月14日04时11分长征三号甲第一颗北斗导航卫星（M1）北斗2号2009年4月15日长征三号丙第二颗北斗导航卫星（G2）2010年1月17日第三颗北斗导航卫星（G1）2010年6月2日第四颗北斗导航卫星（G3）2010年8月1日05时30分长征三号甲第五颗北斗导航卫星（I1）2010年11月1日00时26分长征三号丙第六颗北斗导航卫星（G4）2010年12月18日04时20分长征三号甲第七颗北斗导航卫星（I2）2011年4月10日04时47分第八颗北斗导航卫星（I3）2011年7月27日05时44分第九颗北斗导航卫星（I4）2011年12月2日05时07分第十颗北斗导航卫星（I5）2012年2月25日0时12分长征三号丙第十一颗北斗导航卫星2012年4月30日4时50分长征三号乙第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星（“一箭双星”）2012年9月19日3时10分长征三号乙第十四、十五颗北斗导航系统组网卫星“一箭双星”[3]

）2012年10月25日23时33分长征三号丙第十六颗北斗导航卫星[4]

2016年2月1日15时29分长征三号丙第五颗新一代北斗导航卫星[5]

卫星组成发射日期发射火箭卫星轨道类别运行状况2000.10.31CZ-3AY5北斗-1A废弃卫星轨道停止工作2000.12.21CZ-3AY6北斗-1B废弃卫星轨道停止工作2003.5.25CZ-3AY7北斗-1C地球静止轨道85.3°E正常2007.2.3CZ-3AY12北斗-1D废弃卫星轨道失效2007.4.14CZ-3AY13北斗-M1中地球轨道~21500km正常，测试星2009.4.15CZ-3CY3北斗-G235594x36036km漂移失效2010.1.17CZ-3CY2北斗-G1地球静止轨道140°E正常2010.6.2CZ-3CY4北斗-G3地球静止轨道84°E正常2010.8.1CZ-3AY16北斗-I1倾斜地球同步轨道倾角55°正常2010.11.1CZ-3CY5北斗-G4地球静止轨道160°E正常2010.12.18CZ-3AY18北斗-I2倾斜地球同步轨道倾角55°正常2011.4.10CZ-3AY19北斗-I3倾斜地球同步轨道倾角55°正常2011.7.27CZ-3AY17北斗-I4倾斜地球同步轨道倾角55°正常2011.12.2CZ-3AY23北斗-I5倾斜地球同步轨道倾角55°正常2012.2.25CZ-3CY6北斗-G5地球静止轨道58.5°E正常2012.4.30CZ-3BY14北斗-M3中地球轨道~21500km正常2012.4.30CZ-3BY14北斗-M4中地球轨道~21332km正常2012.9.19CZ-3BY15北斗-M5中地球轨道~21332km正常2012.9.19CZ-3BY15北斗-M6中地球轨道~21332km正常2012.10.25CZ-3CY北斗-G6地球静止轨道110.5°E星座构成北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上），4颗中地球轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）。卫星发射日期火箭运行轨道使用状况状态北斗-M12007年04月14日长征三号甲中地球轨道，高度21559公里，倾角56.8°试验星未使用M1北斗-G22009年04月15日长征三号丙有误差的地球静止轨道，高度36027公里，倾角2.2°失控未使用G2北斗-G12010年01月17日长征三号丙地球静止轨道140.0°E，高度35807公里，倾角1.6°使用中G1北斗-G32010年06月02日长征三号丙地球静止轨道110.6°E，高度35809公里，倾角1.3°使用中G3北斗-IGSO12010年08月01日长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35916公里，倾角54.6°使用中IGSO1北斗-G42010年11月01日长征三号丙地球静止轨道160.0°E，高度35815公里，倾角0.6°使用中G4北斗-IGSO22010年12月18日长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35883公里，倾角54.8°使用中IGSO2北斗-IGSO32011年04月10日长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35911公里，倾角55.9°使用中IGSO3北斗-IGSO42011年07月27日长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35879公里，倾角54.9°使用中IGSO410北斗-IGSO52011年12月02日长征三号甲倾斜地球同步轨道，高度35880公里，倾角54.9°使用中IGSO511北斗-G52012年02月25日长征三号丙地球静止轨道58.7°E，高度35801公里，倾角1.4°使用中G512北斗-M32012年04月30日长征三号乙中地球轨道，高度21607公里，倾角55.3°使用中M313北斗-M42012年04月30日长征三号乙中地球轨道，高度21617公里，倾角55.2°使用中M414北斗-M52012年09月19日长征三号乙中地球轨道，高度21597公里，倾角55.0°使用中M515北斗-M62012年09月19日长征三号乙中地球轨道，高度21576公里，倾角55.1°使用中M616北斗-G62012年10月25日长征三号丙地球静止轨道80.2°E，高度35803公里，倾角1.7°使用中G6覆盖范围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°。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。定位原理35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。卫星定位实施的是“到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，通常称之为时延，因此，也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速，便能得到距离。每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间，而全球监测站网保持连续跟踪。[7]卫星导航原理踪卫星的轨道位置和系统时间。位于地面的主控站与其运控段一起，至少每天一次对每颗卫星注入校正数据。注入数据包括：星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的，可在几个星期内保持有效。卫星导航系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时（UTC）的几纳秒以内，UTC是由美国海军观象台的“主钟”保持的，每台主钟的稳定性为若干个10^-13秒。卫星早期采用两部铯频标和两部铷频标，后来逐步改变为更多地采用铷频标。通常，在任一指定时间内，每颗卫星上只有一台频标在工作。卫星导航原理：卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差，称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用的定位精度只有数十米量级。为提高定位精度，普遍采用差分定位技术（如DGPS、DGNSS），建立地面基准站(差分台)进行卫星观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分定位技术，定位精度可提高到米级。定位精度中国北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略之后的全球第四大卫星导航系统。定位效果分析是导航系统性能评估的重要内容。此前，由于受地域限制，对北斗全球大范围的定位效果分析只能通过仿真手段。由武汉大学测绘学院和中国南极测绘研究中心杜玉军、王泽民等科研人员进行的这项研究，在2011—2012年中国第28次南极科学考察期间，沿途大范围采集了北斗和GPS连续实测数据，跨度北至中国天津，南至南极内陆昆仑站。同时还采集了中国南极中山站的静态观测数据。为对比分析不同区域静态定位效果，在武汉也进行了静态观测。科研人员利用严谨的分析研究方法，从信噪比、多路径、可见卫星数、精度因子、定位精度等多个方面，对比分析了北斗和GPS在航线上不同区域、尤其是在远洋及南极地区不同运动状态下的定位效果。结果表明，北斗系统信号质量总体上与GPS相当。在45度以内的中低纬地区，北斗动态定位精度与GPS相当，水平和高程方向分别可达10米和20米左右；北斗静态定位水平方向精度为米级，也与GPS相当，高程方向10米左右，较GPS略差；在中高纬度地区，由于北斗可见卫星数较少、卫星分布较差，定位精度较差或无法定位。“现阶段的北斗已经实现区域定位，但还不具备全球定位能力，北斗与GPS在定位效果上的差异，主要是由卫星数量和分布造成的。”武汉大学中国南极测绘研究中心副主任王泽民教授说，“截至文中研究数据采集结束时，北斗系统在轨卫星数为11颗。上个月，我国成功发射了新一代北斗导航卫星，北斗系统在轨卫星数达到了17颗。随着北斗系统全球组网拉开帷幕，相信今后的实测数据一定会更加精彩。”系统功能基础功能短报文通信北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。可以达到一次传送达120个汉字的信息。在远洋航行中有重要的应用价值。精密授时北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。定位精度水平精度100米（1σ），设立标校站之后为20米（类似差分状态）。工作频率：2491.75MHz。系统容纳的最大用户数540000户/小时。军用功能“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：运动目标的定位导航；为缩短反应时间的武器载具发射位置的快速定位；人员搜救、水上排雷的定位需求等。这项功能用在军事上，意味着可主动进行各级部队的定位，也就是说大陆各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统，除了可供自身定位导航外，高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执行有相当大的助益。换言之，大陆可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。民用功能个人位置服务当你进入不熟悉的地方时，你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。气象应用北斗导航卫星气象应用的开展，可以促进中国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测，也可以提高空间天气预警业务水平，提升中国气象防灾减灾的能力。除此之外，北斗导航卫星系统的气象应用对推动北斗导航卫星创新应用和产业拓展也具有重要的影响。道路交通管理卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用于道路交通管理。铁路智能交通卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。例如，在铁路运输领域，通过安装卫星导航终端设备，可极大缩短列车行驶间隔时间，降低运输成本，有效提高运输效率。未来，北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精度的定位、测速、授时服务，促进铁路交通的现代化，实现传统调度向智能交通管理的转型。海运和水运海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一，也是卫星导航最早应用的领域之一。在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备，使海上和水路运输更为高效和安全。北斗卫星导航系统将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。同时，北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。北斗卫星定位系统示意图航空运输当飞机在机场跑道着陆时，最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。利用卫星导航精确定位与测速的优势，可实时确定飞机的瞬时位置，有效减小飞机之间的安全距离，甚至在大雾天气情况下，可以实现自动盲降，极大提高飞行安全和机场运营效率。通过将北斗卫星导航系统与其他系统的有效结合，将为航空运输提供更多的安全保障。应急救援卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。在发生地震、洪灾等重大灾害时，救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。北斗卫星导航系统除导航定位外，还具备短报文通信功能，通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况，有效缩短救援搜寻时间，提高抢险救灾时效，大大减少人民生命财产损失。指导放牧2014年10月，北斗系统开始在青海省牧区试点建设北斗卫星放牧信息化指导系统，主要依靠牧区放牧智能指导系统管理平台、牧民专用北斗智能终端和牧场数据采集自动站，实现数据信息传输，并通过北斗地面站及北斗星群中转、中继处理，实现草场牧草、牛羊的动态监控。2015年夏季，试点牧区的牧民就能使用专用北斗智能终端设备来指导放牧。产业配套北斗芯片2012年12月27日，国家正式宣布北斗卫星导航系统试运行启动，标志着中国自主卫星导航产业发展进入崭新的发展阶段。其中，卫星导航专用ASIC硬件结合国产应用处理器的方案，成为北斗卫星导航芯片一项重大突破。该处理器由中国本土IC设计公司研发，具有完全自主知识产权并已实现规模应用，一举打破了电子终端产品行业普遍采用国外处理器局面。卫星导航终端中采用的导航基带及射频芯片，是技术含量及附加值最高的环节，直接影响到整个产业的发展。在导航基带中，一般通过导航专用ASIC硬件电路结合应用处理器的方案来实现。此前的应用处理器多选用国外公司ARM处理器芯片核，需向国外支付IP核使用许可费用的同时，技术还受制于人，无法彻底解决产业安全及保密安全问题。而通过设立重大专项应用推广与产业化项目等方式，北斗多模导航基带及射频芯片国产化现已实现，中国人自己的应用处理器也在北斗多模导航芯片中得到规模应用。BD/GPS多模基带芯片解决方案中，卫星导航专用ASIC硬件结合国产应用处理器打造出了一颗真正意义的“中国芯”。该应用处理器为国内完全自主开发的CPU/DSP核，包括指令集、编译器等软件工具链以及所有关键技术，均拥有100%的中国自主知识产权。其拥有国际领先水平的多线程处理器架构，可共享很多硬件资源，并在提供相当多核处理器处理能力的同时，节省芯片成本。而基于该国产处理器卫星导航芯片方案的模块，是全球体积最小的BD/GPS双模模块，具有定位精度高、启动时间快及功耗低等特点。与单纯的北斗芯片厂商相比，手机芯片厂商对终端定位有着更深刻的理解，包括：基站辅助卫星定位技术、多种定位方案的融合、定位芯片与应用处理器或基带处理器的集成等。积极扶持国内手机芯片厂商进入北斗芯片研发领域，并积极研发综合定位解决方案，壮大完善北斗产业链。鼓励国内手机芯片厂商开展与北斗芯片厂商的多样化合作，共同推进手机终端北斗定位技术的应用。检测认证2012年8月3日，解放军总参谋部与国家认证认可监督管理委员会在北京举行战略合作协议签约仪式。中国将用3年时间建立起一个“法规配套、标准统一、布局合理、军民结合”的“北斗”导航检测认证体系，以期全面提升“北斗”导航定位产品的核心竞争力，确保“北斗”导航系统运行安全。北斗导航系统“北斗”导航定位系统已经有11颗卫星在轨运行，拥有12万军民用户。到2020年前，“北斗”导航定