北斗衛星導航系統的應用研究

趙亞蓓，時建新

(1河南測繪職業學院，河南鄭州，450015; 2 中鐵七局集團廣州工程有限公司，廣東廣州，510700)

1 北斗衛星導航系統的組成及原理

北斗衛星導航系統由空間段，地面段，用戶段3部分組成，空間段由27顆中圓地球軌道衛星（MEO），5顆地球靜止軌道衛星（GEO）和3顆傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）組成。地面段包括主控站、注入站和監控站等。用戶端包括用戶端和其他與北斗兼容的用戶終端。

北斗衛星導航原理與其他國家的導航系統相似，地面段的控制中心向同步軌道上的兩顆衛星同時發射測距信號，衛星將接收到的測距信號進行放大并經衛星轉發器向用戶廣播,用戶機在接收到衛星轉發器轉發的測距信號后，將立即發出的應答信號，再由衛星轉發器轉發給地面控制中心系統，地面控制中心接收到用戶機發來的信號立即進行解調和相應的數據處理，根據信號的時間延遲，計算出測距信號經過中心站到達衛星，再由衛星轉發到達用戶機，用戶再把響應信號，經同一顆衛星轉發回中心控制系統的傳遞時間；并由此得到中心站至衛星、衛星至用戶的距離之和，再結合已知的中心控制系統和兩顆衛星的距離，進行計算得到用戶機與兩顆衛星的距離。最后地面控制中心系統再從存儲的數字化地形圖找到符合距離條件的點，利用數值地圖可計算出用戶的位置坐標。

2 北斗衛星導航系統的優點

北斗系統相比其他衛星導航系統有如下優點：北斗衛星導航系統空間段是由三種軌道衛星混合組成的星座，高軌衛星多，抗遮擋能力更強[1]。二是北斗衛星導航系統采用的是三頻定位技術，定位精度可以達到 2cm。三是由于北斗衛星導航系統融合了導航定位與通信數傳的功能，可以提供精準定位、快速導航、精確授時、短報文通信、星基增強、地基增強、精密單點定位共7類服務，是功能強大的全球衛星導航系統。

3 北斗衛星導航系統的應用

3.1 在工程測繪中的應用

（1）在線路測繪中的運用。使用北斗衛星導航系統繪制地形圖，可以快速準確地進行數據采集，繪制出更完整的地形圖。北斗導航的動態測量技術可以應用于公路工程的控制測量，進行道路中線測量和定位。進行縱斷面和橫斷面測量，繪制縱橫斷面圖，反映地面的高低起伏情況，計算土石方量等。

（2）在變形監測中的運用。利用北斗衛星導航系統對建筑物進行水平位移、沉降、傾斜等變形監測，可以快速準確獲得變形數據，預報建筑物的變形趨勢，節省了大量的人力、物力。

（3）在水下測繪中的運用。進行海洋測繪，繪制水下地形圖時，利用北斗衛星導航系統進行數據采集，可以獲得更加精確的數據，繪制出的水下地形圖更能真實反映出海底的地形地貌。此外利用北斗衛星導航系統也可以設計碼頭和航道。

（4）在隧道測繪中的運用。使用北斗導航布設大型隧道工程的地面控制網可以大幅度提高控制網的精度和可靠性[3]，并可以將北斗信號引入隧道內，實現隧道內外導航定位的無縫銜接，具體操作是在隧道外部署運營管理站，接收在軌衛星信號，采集實時星歷，在隧道內按 30m 間距部署融合基站，接收運營管理站通過光纖傳遞的衛星信號、時鐘信號、星歷信息，經過處理播發偽衛星信號，應用終端接收后進行定位、導航。

（5）在管線測繪中的運用。管線規劃得一般比較復雜，北斗衛星導航系統可以和管線信息系統相結合，進行定位和測量，并繪制出管線三維可視化圖，這樣復雜的管道系統就可以通過衛星查看。北斗導航系統在管道檢修中也能發揮很大的作用，可以及時報告管線中的異常情況，并準確定位有問題的管道路段，可以大幅度減少檢修工作的時間。

3.2 在農業領域中的應用

北斗衛星導航系統在農業領域主要應用于無人駕駛的農機、農作物的耕種、病蟲害的防治，施肥、進行土壤養分及分布調查等農田信息的采集、監控特種作物種植區、無人機植保等應用。

具有控制技術的農機，借助北斗衛星導航系統應用于農作物的播種、生長和收獲整個過程，并能對作業過程進行24小時動態監測，實現農機作業數據整合和分析。此外，農機還可以在夜間工作，能夠減少能源消耗和肥料使用量。在農業航空作業中，利用飛行器對指定作業區域的農作物噴灑農藥、施肥等，可以通過北斗衛星導航系統進行實時定位，自動進行航跡規劃，不僅節省了勞動力，減輕了勞動強度，還不浪費農藥、化肥等物資。

3.3 在電力行業中的應用

主要包括電網時間基準統一、電站環境監測、電力車輛監控等高精度北斗服務。

（1）電力系統時間同步。在電力系統中安置北斗精密授時系統，能夠進行遠程時間的校準和控制，提高室內時間的管理效率，實現與國際時間的統一。

（2）電力作業監控。通過北斗短報文服務功能，利用終端數據傳輸平臺與通信設備搭建溝通網絡，與作業人員進行實時數據交互，制定針對性作業方案，具有十分重要的現實意義。利用北斗衛星導航系統的實時定位功能，可以了解作業小組的實時位置、作業狀態等，可以做到遠程隨時指揮、把控他們。

（3）電力系統防災監測。由于各方面因素的影響，有時輸電線路桿塔會出現傾斜，對電力系統的正常運行造成很大的威脅，為了防止電力系統災害的發生，可以安置報警裝置，利用北斗衛星導航系統，對其進行全天候、精準監控，當輸電線桿塔一旦出現傾斜的情況時，報警器迅速變紅，指揮中心的相關人員可根據報警器的位置快速定位故障點，并啟動自檢功能，對該設備進行數據采集、存儲、通信、信號處理等，判斷其是否能正常工作，指導維修人員制定維修方案，確保電力系統的正常運行。北斗衛星導航系統還可通過分析變電站的地質變化和實際運行情況，對異常沉降作出預測，并反饋于指揮中心，在第一時間作出反應，制定處理措施，保障了人們的生活安全。如圖1所示。

圖1 電力災害監測

（4）電力線路巡檢。在國道、水利和鐵路等現代交通網絡中，需要進行電力線路巡檢保障運輸的正常進行。由于北斗衛星定位系統的實時設備定位管理、監控功能，在電力傳輸線路定位巡檢時，可以實時對無人機飛行路徑進行監控，幫助無人機快速監測地形數據，進行數據收集、分析，并根據周邊環境制定合理的方案，提高遠程運行監測、數據分析能力。

為了實現智能化高精度巡檢，達到厘米級定位，可為無人機安裝RTK 模塊，結合地圖系統，搭載激光雷達，對電力線路設備元件進行空間點云數據采集，獲取設備的基本信息，為開展檢修工作提供數據支持。

3.4 在減災救災領域的應用

北斗衛星導航系統在減災救災領域的應用，主要包括對災害的預警、災害情況的上報、通信指揮救災以及高樓、橋梁、水壩水庫等建筑的監測等應用。

由于北斗衛星導航系統能夠進行全天候、實時三維高精度測量，并借助大數據、人工智能等信息化技術手段，可以準確快速獲取具體的受災地區位置，還可以對高樓、橋梁、水壩水庫等建筑實時跟蹤監測，為減災工作提供了許多便利。利用北斗衛星導航系統的實時定位功能，實現災害的預警，受災人員可以及時發送災情信息、快速上報等；利用其短報文功能，出現災情，進行快速應急通信，救援人員可以與指揮機構、受災人員進行溝通交流[4]、指揮調度等，這樣同時解決了定位和通信的問題，大大提高了災害應急救援反應速度和決策能力。

北斗衛星導航系統還可以用于防洪救災，通過在合適的位置布設傳感器，實時收集水位、流速等信息，形成實時區域水情圖，實時分析判斷決堤點、危險地段，提前安全撤離，從而提高了工作效率[5]。北斗衛星導航系統還有其他減災救災的應用，如可以用于山體滑坡監測，橋梁抖動監測、大樓搖擺監測等，一旦監測到，可以及時向監測中心發布預警，從而減少損失[6]，如圖2所示。

圖2 災害檢測

3.5 在交通領域的應用

北斗衛星導航系統在交通領域中的應用包括海、陸、空中的應用，如船舶的停泊與靠岸，內河航運、遠洋運輸、車輛的導航系統、智能信息系統及運營跟蹤監控等，航線的導航、機場的跟蹤監控、精密進近等。

（1）交通運輸方面。利用北斗衛星導航系統開發的智能交通，可以實時對車輛進行定位，如果超速，就會報警，語音提示。實時獲取車輛位置附近的環境信息，判斷道路阻塞、事故等交通情況[6]，實時指導駕駛員走最優路線，借助開發的軟件實時監控駕駛員以及乘客的情況。還可以利用北斗衛星導航系統的差分服務，將定位精度提升至亞米級，提供車道級別的導航服務[7]，在復雜路口提供車道指引，當車輛不小心偏航或者駛入錯誤車道時，可及時進行提醒和變道引導，從而實現車道級別的導航，還可在實線處、違法拍照處進行相應提醒，避免壓實線、變道等交通違法操作。

北斗衛星導航系統還可以為中歐班列的安全高效運行保駕護航。在中歐班列上，在每個集裝箱上安裝北斗定位終端，實時記錄列車的運行數據，跟蹤監控班列的運行情況，由于北斗的服務區域已經由國內及周邊擴展至全球，所以即使出現信號盲區，也可以先把運行信息進行緩存，當信號恢復后再傳輸，這樣保證了信息的完整性。

（2）交通監管方面。當海上發生事故時，利用北斗衛星導航系統的無線電測定功能，事故人員利用北斗用戶終端向北斗衛星發送定位請求，由運控站測算事故人員的實時位置信息，大大縮短了營救時間[8]。如果出現車輛碰撞的交通事故時，北斗衛星導航系統還可以通過對碰撞時車輛間相對位置關系的分析，對交通事故作出責任鑒定與分析，大大提高了交通事故的處理效率。

（3）交通通信服務方面。北斗衛星導航系統還能提供雙向通信服務，在出海的船只上安裝北斗終端，當出現遇險的情況時，救援人員和遇險人員可以通過北斗衛星導航系統進行實時交流，使救援人員快速了解遇險情況，制定出救援方案，大大縮短了海上遇險人員的救援時間。

4 北斗衛星導航系統的應用展望及存在的問題

隨著日趨完善的電子地圖，極大地提高了北斗衛星定位導航技術的實用性，在未來的發展中，利用互聯網、移動通信網將會產生更多、更好的產業服務，有效推動北斗衛星定位導航技術的發展，提高其應用水平。比如在電信業務中應用北斗的位置服務，可以大大擴大手機短信服務業務的市場規模。

目前在北斗衛星導航系統的快速發展中，還存在一些問題亟待解決。首先，由于衛星定位信號無法穿透建筑物等實體，北斗衛星導航系統在連續實時高精度定位、水下導航等領域不能得到充分的應用。其次，由于導航信號容易受到障礙物的遮擋、反射，存在多路徑效應，以及電離層、對流層對信號的干擾，這些都將會一定程度上降低其定位的精度和可靠性。

5 結語

北斗衛星導航系統是我國自主研發的，其產業也成為戰略性新興產業，隨著該系統的不斷完善和發展，將會不斷涌現新的研究成果和技術應用，北斗產業鏈也會不斷完善，其服務性將得到提升，北斗衛星導航系統將會具有更大的應用空間和應用價值，發揮更大的作用。