北斗卫星导航定位系统应用现状分析概要

北斗卫星导航定位系统应用现状分析 唐金元, 于 潞, 王思臣 (海军航空工程学院青岛分院, 山东青岛266041 摘 要:北斗卫星导航定位系统是国家信息基础设施之一, 是实现社会信息化的重要工

具。北斗系统的应用涉及到国家各个领域。分析了北斗卫星导航定位系统的应 用特点和应用现状, 指出了制约该系统应用发展的主要因素, 并对如何推进该系统在民用领域的产业化发展提出了一些具体建议。

关键词:北斗卫星; 导航定位; 应用; 现状; 发展; 建议中图分类号:P228 文献标志码:A 2(205

1 前言 我国自行研制的“(简称“年、全面对民 用用户开放至今, 工作状态良 好, 已在测绘、电信、水利、交通运输、勘探和国家安全等诸多领域开始逐步发挥重要作 用。北斗系统作为一种新的卫星导航定位系统, 有明显的技术优势, 但也有一定的应用缺陷和不足。该系统在推广应用过程中受到了许多因素的制约, 在很多领域中的用途还未被认知。目前, 北斗系统的应用水平与国外卫星导航定位系统(如GPS 系统 相比, 还明显处于劣势; 在民用方面, 还远远未达到产业化、市场化的水平。这与该系统作为世界上第三个投入实际应用 服务的卫星导航定位系统的地位不相称。须采取有力措施, 推进北斗系统应用, 使北斗系统更好地为我国的国防和国民经济建设服务, 场的局面。用市应航导星定位卫独占我国统航定位系导星卫国外的变改． 本文分析了北斗卫星导航定位系统的应用特点和应用现状, 指出了制约该系统应用发展的主要因素, 并对如何推进该系统在民用领域的产业化发展提出了一些具体建议。

2 北斗系统应用特点 北斗卫星导航定位系统由空间卫星、地面主控站(控制中心 与标校站和用户终端设备三大部分

、双向简短报文通信和 精密授时三大基本功能。该系统基于“二球交会”原理进行定位, 即以2颗卫星的已知位置坐标为圆心, 各以测定的本星至用户机的距离为半径, 形成2个球面, 用户机必然位于这2个球面交线的圆弧

上。地面控制中心存储的电子高程地图库提供1个以地心为球心, 以球心至用户机的距离为半径的球面。求解圆弧线与该球面的交点, 并根据用户在赤道平面北侧的实际情况, 即可获得用户的二维位置坐标[1]。北斗卫星导航定位系统主要应用特点如下[2-4]:

1 系统覆盖我国全部国土及周边区域 北斗系统是覆盖我国本土及其周边地区的区域性卫星导航定位系统, 覆盖范围为东经70°～145°, 北纬5°～55°, 可以无缝覆盖我国全部国土和

周边海域, 在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性。 2 系统定位、授时精度能满足导航定位需要 北斗系统的二维水平定位精度(1 σ 为20m (不设标校站区域100m , 双向授时精度20ns (单向授时精度100ns , ,的民用精度基本相当统系 GPS与 能满足用户导航定位和授时要求。北斗系统的注册用户分为3个服务等级, 对应的定位响应时延分别为:一类用户5s , 二类用户2s , 三类用户1s 。北斗系统具有单向和双向2种授时功能, 根据不同的精度要求, 定时传送最新授时信息给用户端, 供用户完成与北斗卫星导航定位系统之间时间差的修

6 2GNSS World of China/2008. 2 3收稿日期:2007212213 正。 3 系统双向报文通信功能应用优势明显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。系统一般用户1次可传输36个汉字, 经核准的用户利用连续传送方式1次最多可传送120个汉字。这种简短双向报文通信 服务, 可有效地满足通信信息量较小、但即时性要求却很高的各类型用户应用系统的要求 。这很适合集团用户大范围监控管理和通信不发达地区数据采集传输使用。对于既 需要定位信息又需要把定位信息传递出去的用户, 北斗卫星导航定位系统将是非常有用的。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 、G LONASS 系统 并不具备。

4 时性较差, 用户容量受限 统, 。北斗了无线电隐蔽性, 这在军事上是不利的。另外, 北斗系统对地面控制中心的依赖性大, 一旦其地面中心控制系统受损, 系统就不能继续工作了; 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、耗电与贵。

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。这1s 的定位时延对飞机、导弹等高速运动的用户来说时间嫌长。北斗系统适合为车辆、船 舶等慢速运动的用户提供服务。北斗系统导航定位实时性较差, 对于高动态载体(如飞机、导弹等 , 该缺陷是显而易见的。

北斗系统是主动双向测距的询问—应答系统, 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。北斗系统可为以下用户机每小时提供54万 次的服务:一类用户机(适合于单人携带使用 10000～20000个, 5～10min 服务一次; 二类用户机(适合于车辆、舰船使用 5500个,10～60s 服务一次。 “北斗”系统的上述应用特点, 决定了该系统适合在中国全境范围内, 在测绘、电信、水利、交通运输、勘探等使用要求相对较低的民用领域进行导航定位 、报文通信和授时服务等应用。目前该系统在

军事领域的应用, 受到了一定的制约。 3 北斗系统应用现状与主要制约因素 3. 1 北斗系统应用现状 北斗卫星导航定位系统运营以来, 在军民用领 域上发挥了重要作用, 迄今为止, 已为用户提供定位服务超过亿次, ,千万条过超务通信服 在森林防火、水利防汛、交通运输等民用、军用领域产生了显著的社会效益。所研制 的黑龙江大兴安岭森林防火信息系统、澜沧江上湄公河船舶调度管理系统和郑州铁 路局铁路机车到站报点系统等北斗系统应用示范工程, [5-6]。

、具有鲜, 总的来说, 目前。主要表现在: 系统应用不充分, 与世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位不相称

北斗系统工作容量可达百万户, 而目前注册在线的终端用户却不足千分之一, 卫星资源闲置严重。该系统的“快速定位、双向报文通信和精密授时”功能, 特别是双向报文通信功能未得到充分应用, 该导航定位系统在许多民用领域中的用途还未被认知。中国工程院戚发韧院士经过 对北斗系统进行详实的调研后提出:中国研制成功的第一个拥有自主知识产权的北 斗卫星导航系统, 目前在民用领域资源利用并不充分, 几近闲置。他在调研报告中明确写到:北斗系统本应拥有上百万用户的能力, 目前却只有几千个用户, 国家投入几十亿元, 但利用很不充分, 造成了资源的严重浪费[7]。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, 与该系统作为世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位很不相称。

2 用户终端设备价格偏高, 在市场上无法与GPS 系统形成竞争 北斗系统目前的有源定位技术体制决定了其用户终端设备需能收能发, 在技术应用上有通信功能, 应用优势明显, 这是无可怀疑的。但这种体制也使用户终端制造成本增加, 加上终端设备用户少, 所以目前市场价格偏高, 多数用户难以接受。用户终端设备价格昂贵的北斗系统在市场上是无法与GPS 系统进行竞争的。

用需求应跟不上 ,滞后发研制开设备端户终用 3． 7

22008. 2/全球定位系统

北斗系统用户终端设备研制开发严重滞后于系统建设。究其原因, 一是用户终端设备研制起步较晚, 没有做到与系统建设同步研发; 二是用户终端研制难度大, 没有集中力量对其重点进行攻关, 各研制单位各自为战, 技术上不交流, 形不成合力; 三是国内器件、部件生产基础差, 而进口芯片价格昂贵。在2002年北斗系统开始试运行时, 系统民用终端设备尚不成熟。至今国内仍有十几家单位在投入资金研制北斗用户终 端, 但提高性能价格比的成效并不大, 有的单位甚至不得不退出研发。目前能生产北斗系统民用终端的厂商有五、六家, 产品价格较高, 各有优缺点。北斗系统民用终端设备生产厂商各自为战的研制生产方式, 在当前用户量不大、生产批量上不去的情况下, 成本下不来; 而成本下不来, 市场用户就上不去, 形成一个恶性循环系统推广应用的问题之一。

4 , 影响了市场准入机制, 市场完全是无序的自由竞争, 一些企业单位对北斗系统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。到目前为止, 真正获得成功、设备产品质量较好的厂家只有几个。有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, 增加了对北斗系统应用的怀疑情绪, 影响了北斗系统健康发展和推广应用。3. 2 北斗系统应用主要制约因素 目前, 影响、制约北斗系统在民用领域获得广泛应用的因素主要是:

1 系统用户终端设备价格昂贵前面已分析到, 造成北斗系统用户终端设备价格昂贵的主要原因, 一是目前系统本身所采用的有源定位技术体制, 二是终端设备生产量少、关键元器件依赖进口使生产成本居高不下。

关于北斗系统的技术体制改进和完善问题, 已在中国第二代卫星导航系统的研制计划中基本得到了考虑。在后续分析的推动北 斗系统民用产业化发展的对策与建议中, 提出国家应投入资金, 组织有关部门联合攻关, 解决北斗系统用户终端设备关键元器件国产化问题。

2 系统应用缺乏国家政策的有力支持 北斗系统是国家花费巨资建设起来的的军、民两用区域性卫星导航定位系统。 作为一个新兴产业, 北斗系统要发展壮大, 与国家政策的支持是分不开的。但是, 我国至今缺少一个对国家安全有着重要意义的有关卫星导航定位产业的国家级政策

, 当然更缺少相应的管理办法和运营措施。这影响了企业和科研部门对北斗导航系统 应用的投入, 直接导致了用户终端产品品种少、水平低、价格贵。卫星导航应用产业已成为全球信 息化产业中发展最快的产业之一, 者, 。

北斗卫星已经升空5年, 可它作为一种新技术新业务, 很少有人大力去普及推广, 广大用户特别是信息化人员, 对其知之甚少, 在各种媒体和市场上, 也难以找到相关的宣传资料。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。北斗系统在应用系统的开发试验上, 需要大量的资金投入, 开发运营企业难以在资金上长久维持, 用户就更做不到花费巨资, 为自己建设应用小平台。没有国家资金的介入, 车薪。金杯水资公司的． 4 推动北斗系统民用产业化发展的