中国院士详解北斗卫星导航系统的真正威力

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• 2012-02-01 14:50
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　　可以说，上至航空航天，下至工业、渔业、农业生产和日常生活，全球卫星导航定位技术无所不在。正如人们所说的：“全球卫星导航系统的应用，仅受人类想象力的制约。”

　　中国的北斗卫星导航系统，最早有试验系统，然后有区域系统，最后是全球系统。

　　北斗试验系统2000年已建成，而不久前的2011年年底，已发射十颗卫星的北斗卫星导航系统建成了基本系统，开始正式提供试运行服务，范围覆盖我国及周边地区，按计划，2012年北斗区域系统就要建成。

解放军前卫-211集训运用北斗一号定位指挥系统。来源：中国军网

 
　　北斗试验系统目前在科学、渔业、救灾、国防等诸多领域得到了广泛的应用，而且用户逐年增加，为国家社会和经济建设作出了很大贡献。

　　比如利用北斗试验系统进行时间传递和时间同步的研究，已经在科学、金融、电力及通信中得到广泛应用。因为要保证时间的一致性非常重要，比如金融的贸易都要有时间点，错了时间点，可能原来是赚的，后来就亏了，所以金融的时间必须由我们国家自己掌握的时间系统来保障。

　　在渔业方面，利用北斗试验系统的定位来寻找将要到某个点的鱼群，渔船和鱼群交汇就可以捕到大量的鱼。它还可以确保渔船在海上安全作业，因为北斗试验系统既有定位功能，又有通信功能，当有台风或者海况不好的时候，可以及时通报情况，让渔船安全返回。

　　北斗试验系统在汶川、舟曲地质灾害的救灾过程中发挥了很大作用。北斗有定位和特有的短报文通信功能，可以及时把位置报给救灾指挥部。在灾害发生的情况下，当地作为生命线的通信设施已经被完全破坏，北斗的短报文通信功能在救灾过程中发挥了特别重要的作用。

　　当北斗建成区域系统和全球系统以后，威力将成倍增加，可以和现在的美国GPS系统发挥的作用完全一样。北斗在全球系统布设完毕以后，将和GPS、俄罗斯的格洛纳斯以及欧洲的伽利略一起形成全球卫星导航系统。

　　交通方面，北斗可以在民航航路管理和导航、飞机着陆等方面起到关键作用。在陆地交通中用途更多，将在智能交通、道路堵塞治理、车辆监控和车辆自主导航方面广泛应用。高铁也可以运用北斗系统进行道路的建设、路基沉降的监测，进行运行管理和运行安全监控。

中国的北斗导航系统精度目前还在10米左右。（资料图）

　　北斗的实时精密定位也将应用于土地和农田的整理和管理，将北斗终端装在拖拉机和收割机等农业机械上，能够以0.1米的定位精度实现对农田的精密耕作。

　　生活服务方面，手持导航终端、汽车导航等都是很平常的应用。而在校园安全方面，通过利用全球卫星导航系统构筑的安全监控网，能够保护中小学生。一旦学生戴的校徽里面加了北斗芯片，任何时候都知道他在哪里，而且这个信息可以传送给家长。

　　可以说，上至航空航天，下至工业、渔业、农业生产和日常生活，全球卫星导航定位技术无所不在。正如人们所说的：“全球卫星导航系统的应用，仅受人类想象力的制约。”

 叫板美国GPS：曝光北斗导航系统4大独门绝技

　　“认星先从北斗来，由北往西再展开。”小时候，长辈们总是教孩子们辨认北斗星，只要找到了北斗星，就找到回家的路。

　　如今，城市的灯光湮没了星光，许多人开始习惯于借助GPS系统来确定方向。由美国国防部开发的GPS卫星导航系统在全球独领风骚，已经渗透到了我们生活的各个方面。

　　虽然儿时的北斗星光已经在记忆里越行越远，但一颗新的“北斗星”却在天空中成长。2011年12月27日起，我国自主研发的北斗卫星导航系统开始在我国及周边部分地区试运行。

　　中国驻藏边防巡逻队配卫星定位。图为连长向新战士讲解新配发的卫星手持机的使用方法。
 

　　这颗“北斗星”不仅能够帮助我们确定方向，还能准确告诉我们自己处在地球的哪个位置，帮助我们快捷到达目的地，告诉我们精准的时间，甚至还能在没有信号的荒僻之地借助卫星发送短信。

　　这些还只是这颗“北斗星”基本功能，可以期待，随着下游的应用产品不断研发，借助这颗“北斗星”，我们的生活将更加方便快捷、多姿多彩。

　　●南方日报记者李秀婷

　　1出身世家：定位精度可媲美GPS

　　或许你已经习惯于通过街旁网、人人网、大众点评网等社交生活网站进行签到，搜寻附近的餐厅、银行、酒店，评价品尝到的美食……

　　这些已经渗透到我们日常生活的LBS（Location Based Service）服务离不开卫星导航系统的定位、通信功能。

　　说起导航系统，人们熟悉的是美国GPS全球定位导航系统，GPS目前在中国拥有庞大的用户群，而北斗是直接冲着GPS来的。

　　2011年底，北斗导航系统开始试运行，我国民用市场拥有了自己的导航系统，这也意味着我国正式成为继美国和俄罗斯之后第三个具有成熟的卫星导航系统的国家。

　　这颗“北斗星”其实是由10颗北斗导航卫星组成，在2007年到2011年底陆续发射完毕。

 目前，北斗系统试运行服务大体范围在东至日本、西至印度东部、南到澳大利亚、北至蒙古国的区域内。按计划，到2020年，将建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统，届时北斗定位导航将覆盖全球。

　　据北斗卫星导航系统总工程师孙家栋透露，随着北斗系统的发展，其用户范围将拓展到国家的电力、金融、通信等各个领域，与普通百姓的生活密切相关。

　　2011年7月27日5时44分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第九颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。新华社记者金立旺摄

　　“北斗志在将中国用户从GPS手中抢回来”，北斗卫星导航系统工程副总设计师李祖洪认为，到了2020年肯定每个人的生活离不开北斗。

　　中国社科院国际问题专家叶海林对此表示，中国这么庞大的经济圈，拥有了自己的全球定位系统后，就有可能将这一市场夺回来。“但这有一个前提，就是我们要提供同样水平的服务。”

　　其实这一点在技术上并不困难。作为我国自主研发的卫星导航系统，北斗的全球导航精度比起导航界的巨头GPS已经不相上下。而在增强区域也就是亚太地区，北斗的精度甚至会超过GPS。

　　在试运行阶段，北斗导航的位置精度为平面25米，高程30米，测速精度为每秒0.4米，授时精度为50纳秒。到今年年底，导航精度能达到10米左右，到完全建成时，定位精度能达到厘米。

　　尽管建设北斗导航系统要发射多颗卫星，需要投入大量的财力、人力、物力，在北斗试运行的新闻发布会上，中国仍宣布，北斗将面向全球提供免费服务，而且用户数量上和GPS一样没有限制。

　　既然GPS目前已经满足了大多数民间用户的需求，而且一直以来都是免费提供，为什么还要投入那么多经费开发“北斗”系统？

　　北京环球信息应用开发中心韩春好教授用了“天下并没有免费的午餐”这一句谚语来回答这个问题。“尽管我们使用的GPS可以免费接收它的信号，但并没有人能保证你的使用将永远不收费。”2独门绝技：信号盲区能发送短信

　　尽管在导航市场地位上一时还无法超越GPS，但北斗也有自己取胜的独门绝技——“短报文”功能正是一大亮点。

　　“短信服务是北斗卫星导航系统的特色，也是我们的优势。”中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其表示。

　　“短报文”与目前的手机短信功能相类似，用户可以通过终端发送一条长度为120个字的信息，向外界告知位置。

“北斗”井下瓦斯监测系统（资料图）

　　这在手机信号稳定的城市乡镇可能意义不大，但对经常出没于沙漠深山荒僻之地的“驴友”们来说，可谓大福音。

　　2011年9月30日，一个14人户外登山团队违规进入四川四姑娘山景区海子沟，连续12天都无法和外界取得联系，当地组织数批搜救队进山搜寻，但始终无功而返。直到“失踪”14天之后，这批驴友才走出信号盲区。

　　有了北斗的用户终端后，这样的麻烦就能轻易化解了。据了解，目前，有10万台利用“北斗一号”研发的类似“大哥大”的用户端投入市场。这种用户端虽然看起来很像砖头，但功能不容小觑。

　　“驴友”们在没有信号的偏远山区迷路、大海航行迷失，都可以利用这个“大哥大”将自己的位置发送给北斗卫星，这样，搜救队就可轻而易举将用户定位。

　　当然，北斗并不只为“驴友”们量身定做。

　　若在大海中航行捕鱼的渔民迷失了方向，在没有手机信号的情况下，可以通过北斗系统发送消息，总部就能很容易找到失踪船只。

　　若消防队员深入森林救火，进入信息盲区，没有手机信号，与外界失去了联系，怎么办？通过终端给“北斗”发送信息，搜救部队就能轻易得知被困者所在位置。

　　在汶川地震搜救时，北斗就曾经大展身手。

　　在川西北通信信号遮蔽干扰严重的复杂环境中，美国的GPS只能显示终端位置信息而无通信功能，而卫星移动电话虽可实现语音通信，但不具备定位导航功能。

　　北斗卫星导航系统同时具备空间定位、时间基准授时和短报文通信功能，解决了抢险救灾应急指挥中的定位与通信难题。

　　据统计，在救援期间，搜救部队用北斗发了74万条短信，为地震救援搭建了一个既能显示位置信息又能保持调度信息传递顺畅的指挥平台。

　　冉承其介绍，在2008年南方冰冻灾害、2010年玉树抗震救灾、舟曲泥石流救灾中，北斗卫星导航系统同样大显身手。3功底深厚：“十八般武艺”样样精通

　　除了独特的短信功能能够在救援方面大显身手外，北斗还有诸多功能，给科学研究、社会管理和日常生活提供了便利。

　　北京北斗星通导航技术股份有限公司是国内最早从事卫星导航定位业务的专业化公司之一，占据了北斗民用60%以上的市场份额。

资料图：基于“北斗”的高原地区气象监测站

　　该公司相关负责人在接受南方日报记者采访时透露，北斗目前最大的民用领域是海洋渔业，应用终端在海洋渔业领域已形成规模，入网用户已过万户。

　　他介绍，北斗能够有效帮助对渔船实施动态监控、应急救援和防台救灾。北斗在海洋渔业的应用还包括为渔船发布天气预报和预警，提供渔业信息等。

　　北斗系统用户端之一是高精度测量接收机，这个接收机非常敏感，它能感受到厘米级以下的变形，一辆重型卡车从大桥上驶过，桥梁变形多少？这微小的变形，通过肉眼肯定无法判断。而高精度测量接收机则可以精确地告诉你。

　　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，有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。

　　在交通运输部正开展的重点运输车辆监控管理、服务示范工程中，北斗系统可以重点解决“两客一危”，即客运班车、旅游包车和长途危险品运输车在运输过程中的监管和服务问题，大大提高出行安全水平。

　　北斗星通公司的上述负责人还介绍，气象领域是最早应用我国北斗系统的重要应用领域之一。中国气象局也正在组织开展基于北斗系统的大气、海洋和空间监测运行应用，还参与了奥运气象保障，取得了很好的效果。

　　北斗还能管“公车私用”。2011年9月，广州市1万辆公车安装上了“北斗车载电子监控系统”。广州市公车使用管理信息系统采用我国自行研发的北斗卫星定位系统，这是我国北斗卫星民用化的第一个大型项目。

　　凡是装了“北斗”系统的公车，在节假日的时候都是放在单位里面的。比如在周六、周日，有人要开公务车，车内系统会提醒“今天是休息日，如果要使用的话要办理手续”。而且车启动之后，监督系统就会自动生成信息发给监督系统的管理员。

　　授时，即向地球报告最精确的时间，是卫星导航系统所能提供的主要功能之一。一旦GPS授时出现问题，我国的手机网络、广播电视网、电网都将受到极大的影响。打破了GPS垄断，通过自主设备授时具有国家安全层面的重大意义。

　　目前，一些企业研发的授时机可以达到几十纳秒的精度，这样在手表里安装相关的芯片即可实现通过北斗来授时。“北斗手表”的时间精度在千万分之一秒，且永远不需要校时。

 4开放接口：北斗终端将与GPS兼容

　　在宣布北斗系统开始试运行时，我国也同时发布了北斗卫星导航系统的空间信号接口控制文件（ICD文件）。

　　冉承其解释，这个文件主要是用来约束、规范和定义北斗卫星与地面接收终端之间的信号接口或特征，其中还包含北斗导航卫星发射信号的方式、频率等相关参数，有了这些数据，开发北斗终端时才有据可依。

图为海南琼海谭门渔民林庆鉴在操作北斗卫星导航系统。 杨旭摄

　　这就相当于政府提供了一个操作系统，而下游的企业就可以根据这个操作系统，来开发出各种各样不同功能的应用软件，投放到市场上使用。

　　随着试运行和ICD文件的开放，原有GPS产业链上各环节企业的介入，一场激烈的竞争将在下游研发和应用领域展开，未来大规模的应用也即将到来。

　　北斗星通公司市场营销部的相关负责人对记者透露，目前主要客户来自海洋渔业、水文水利、陆海运输、安全生产、地质灾害监测等行业，公司提供产品，给用户建立系统应用的平台，实现长期的运营服务。

　　在市民中使用最广泛的终端当属导航设备。业内人士估计，与GPS兼容的导航设备将会在2012年研发成功，2013年逐步上市，会先在特殊行业进行装备，随后会在汽车导航等主要民用领域铺开。周边国家的推广应用也会在2013年以后逐步展开。

　　对于已经使用GPS终端作为导航系统的用户，如果改用北斗系统，是不是还要另外购买北斗导航终端呢？专家称，不用担心，北斗导航系统的兼容开发模式，已经替你免去了这部分支出。

　　冉承其表示，“我们在提供试运行服务时，国内相关企业已经开始着手从事北斗应用终端的研发以及北斗和GPS兼容终端的研发，也就意味着使用GPS终端的用户可以单独使用北斗，也可以使用北斗和GPS兼容使用的终端。”

　　中国全球定位系统技术应用协会咨询中心主任曹冲则告诉记者，北斗导航不会取代GPS，而是与之互补。兼容北斗和GPS的终端，类似于“一机双卡”的手机，可在一台导航仪上自动切换，从而提高定位精度。

　　正在初步构建的物联网，也离不开北斗的帮忙。北斗星通股份有限公司相关负责人崔红涛表示，北斗具备的定位和通信功能是物联网的关键环节。

　　虽然北斗有欲迎头赶上的趋势，但北斗卫星导航系统工程副总设计师谭述森仍冷静地表示，与美国GPS卫星导航系统相比，北斗在未来的设计应用上还存在很多难点。

　　GPS在问世的近30年里积累了大量的空间实验数据，而其中最重要的太阳光压变化对于卫星所产生影响的数据，已经建立起数据模型。“而中国的北斗系统还处于起步阶段，还需要在摸索中前进。”谭述森表示。