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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 2 6 6 0 4 1)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：P 2 2 8 文 献标志 码：A 文章编 号：1 0 0 8 9 2 6 8(2 0 0 8)0 2 0 0 2 6 0 5 1 前 言 我国自行研制的“北斗卫星导航定位系统”(简 称“北斗 系统”)从 2 0 0 4年 4月 正式运 营、全面对 民 用用户开放至今，整个系统运行稳定，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 GP S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，改 变 国 外 的卫 星导航 定位 系统 独 占我 国卫 星 定 位导 航 应 用市 场的局 面。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 26 收稿 日期：2 0 0 7 1 2-1 3 组成，它具有快速二维定位、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 一 ：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 7 O。1 4 5。，北 纬 5。5 5。，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 d)为 2 O re(不 设 标 校站 区域 1 0 0 m)，双 向授 时精 度 2 0 n s(单 向授 时精度 1 0 0 n s)，与 G P S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 5 s，二类用户 2 s，三类用户 1 S。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 GNS S Wo r l d o f Ch i n a 2 0 0 8 2 维普资讯 http:/ 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。系统般用户 1次 可传输 3 6 个汉字，经核 准的用户利用连续传送方 式 1次最多可传送 1 2 0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 G P S、GL ON AS S系 统)并 不具备。4)系统 有源 定位 体制使 用 户定位 的隐蔽 性、实 时性较 差，用 户容 量受 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。北斗 系统的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，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 G P S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 1 S，即用 户 终 端 机 最 快可在 l s 后完成 定位。这 1 S 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 问一 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 5 4万次的服务：一类用户机(适 合于单人携带使 用)1 0 0 0 0 2 0 0 0 0个，5 1 0 mi n 服务一次；二类用户 机(适 合 于车辆、舰船 使用)5 5 0 0个，1 0 6 0 s 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 2 0 0 8 2 全 球 定 位 系 统 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，通信服务超过千万条，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，已取得了明显的经济效益 5 。但是，北斗系统作为我 国自行研制 的、具有鲜 明应用特点的卫星导航定 位系统，总 的来说，目前 的实 际应 用并 不 理想。主要表 现在：1)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。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 G P S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 GP S系统进行竞争 的。3)用户终端设备研制开发滞后，跟不上应用需 求 27 维普资讯 http:/ 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 2 0 0 2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。用户终端设备生产方式存在 的高成本是影 响北斗 系统推广应用的问题之一。4)北斗民用市场的 自由化和无序竞争，影响了 北斗系统应用市场的健康发展 由于国家没有北斗系统 民用开发规划和应用 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 28 关 涟元 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，而 中国的这项 产业 目前 大多数 在 经营国外的产品，大量用户成为 了外国产品的消费 者。北斗系统应用研发与服务的企业 只有寥寥几 家，用 户少 得可怜。3)政策缺位直接导致系统应用推动乏力 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，公 司的资金杯水 车 薪。4 推 动北 斗 系统 民用产 业化 发展 的 几点对策与建议 目前 北斗 卫 星导 航 定 位 系统 在 民用领 域应 用 不充分、未形成产业化的状况，引起了卫星研制、管 理、应用诸多部 门的忧心和关注。中国宇航学会卫 星应用工作委员会(筹)于 2 0 0 3年、2 0 0 4年、2 0 0 5 年和 2 0 0 6年连续 4年召开 了“北斗导航系统应用 论坛”，对 此进 行 了专题探 讨。本文综合北斗系统不同专家学者的观点，结合 自己的分析与思考，提出如下几点推动北斗系统民 用产业化发展的对策与建议 7 ：1)制定 中国北斗系统定位导航和授时政策 国家政策引导是产业发展 的关键。美 国政府 为促进 GP S的应用，曾两次以总统令 的形式，颁布 了国家关于 G P S应用 的政策，在保证其军方使用 的前提下，大力鼓励 民用、商用和科学应用。制定 中国北斗系统的定位导航和授时政策，应包括建设 GNS S W o r l d o f Ch i n a 2 0 0 8 2 维普资讯 http:/ 管理 和应 用政 策，引导我 国北 斗 系统产 业化 发展 的 方 向，规范 和繁 荣北 斗应 用市 场。北斗系统定位导航和授 时政策应 包括如下主 要 内容：a 阐明北斗系统在 国民经济和 国防建设 中的 地位；b 明确北斗系统 的建设管理和应用方针及主 管部 门；C 规划 我 国北 斗 系 统 的发 展 和 推 广 应 用 目标 以及 和 国外 的卫 星导 航定 位 系统 的关 系；d 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；e 明确北 斗 系统 的对 外关 系处理 原则 等。2)制定 中国卫星定位导航产业化的政策 在制定中国北斗系统的定位导航和授时政策 的 同时，还要 制定 切 实可行 的中 国卫星定 位 导航 产 业化的政策，建设有中国特色的卫星导航定位产业 化工业。卫星定位导航 产业化政策应包括如下主 要 内容：a 阐明卫星定位导航系统在 国家信息化中的 地 位；b 总结分析 当前卫 星定位导航应 用市场 和产 业化各相关环节中存在 的问题；C 明确国外先进卫 星定位导航系统和我 国北 斗 系统 相互 之间 的关 系；d 明确卫 星 导航 定 位 和 授 时 的 发展 目标 和 方 向；e 制定推进卫星导航定位和授时产业化的技 术 政 策；f 建立卫星导航定位服务的市场准入机制，规 定准入门槛，制定服务标准等。3)加强 和完 善卫 星 导航定 位应 用协 会 为了推进我 国卫星导航定位应用事业的健康 发展，有必要建立一个跨部 门、跨行业、有广泛基础 的卫星导航定位应用协会致力于进行卫 星导航定 位应用知识的科学普及，推动各行业卫星导航应用 交流，组 织 编制 和 评 审 有 关卫 星导 航 应 用 的标 准，研讨、探索、开拓卫星导航应用市场和国际合作，推 动实现卫星导航定位为国民经济建设、国防建设和 社会发展服务。同时，在市场竞 争中，他们将为导 航卫星应用管理部门、运营服务商、设备制造商、应 用集成商等有关部门、单位和人员，提供完善、准确 的信息渠道和交流平台。4)实施北斗系统应用典型示范工程 2 0 0 8 2 全 球 定 位 系 统 根据 北斗 导航 系统 既能 提供 导航 定位，又有 短 信通信服务的特点，首先推广北斗导航系统在通信 薄弱又急需的行业中进行应用。选择若干有北斗 导航系统应用需求、又有信息化基础的行业，如交 通、森林防火、边防、铁路、气象等作为示范，由他们 向行业 主管部门和国家发改委提出申请，由国家发 改委批准立项，出资支持北斗导航系统应用示范工 程建设。投入一定的资金，启动和实施典型示范工 程，既可为推动北斗导航系统的广泛应用产生良好 的经济和社会效益，又可为北斗二代系统应用奠定 良好 的基 础。5)组织北斗 系统用户终 端设备关键元器件技 术攻 关工 作 为实现北斗卫 星导航定位系统在 民用领域的 产业化，系统用户终端关键元器件必须解决国产化 问题。北斗系统用户终端设 备关键元器件研制要 列入国家发展计划，投入资金，组织有基础的部 门 联合攻关，以解决 系统用户机 主要元 部件依赖进 口、用户设备价格居高不下 的局面，使 系统用户机 的关键 元器 件与 北 斗系统 一样 拥有 自主知识 产权。只有这样，才能研制出性能好、价格廉 的终端用户 机，也只有这样才能使北斗系统在与 国外卫星导航 定位系统应用的竞争中取胜。5结束语 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，也是 国家科技水平 和经济实力的象征。北斗卫星导航定位 系统的建 成并投入使用，打破了美 国等发达 国家垄断卫星导 航定位技术的局面，提高了我国经济社会 的信息化 水平。北斗系统的应用涉及到 国家各个领 域。我 们期望政府高度重视北斗系统的生存发展，采取有 力措施推进 系统 应用，社会 各界携起 手来共 同努 力，打破 目前北斗系统在应用上的困局，建设具有 中国特色的北斗卫星导航定位产业化工业，使北斗 系统更好地为我国的国民经济建设服务。参考文献：1 唐金元，尚新强，刘水 卫星 导航 系统机载接收设备 M 青岛：海军航 空工 程学 院青 岛分 院，2 0 0 5：7 2 8 6 2 唐金 元，王翠珍，尚新强“北斗 一 号”系统 与 G P S系 统 的应用 比较 J 船用导航 雷达，2 0 0 7，(1)：1 7 3 杨军，曹 冲 我 国北 斗卫 星导航 系统应 用需求 及 2 9 维普资讯 http:/ 4 3 5 3 效益分析 J 3 武汉 大学学 报(工学版)，2 0 0 4，2 9(9)：7 7 5 7 78 边少锋，李文魁 卫 星导航系统 概论 M 北京：电 子 工业 出版社，2 0 0 5：1 6 9 1 7 5 周 露，刘宝忠 北 斗卫 星定 位系统 的技术特 征分析 与应用 J 全球定位 系统，2 0 0 4，2 9(4)：1 2 1 6 6 3 7 3 8 3 杨振荣 北 斗导航应 用进入关键 阶段 J 中 国航 天，2 0 0 6，(3)：4 5 陈建成 北斗卫星定位导航系统 的发展应用关键在政 府政策 J 3 卫星应用，2 0 0 7，1 5(2)：1 8 2 5 窦长江 北斗导航卫星应用产业化研究 J 3 全球定 位 系统，2 0 0 6，3 1(5)：4 6 4 8 Ap pl y i ng Cu r r e nt S i t u a t i o n Ana l y s i s o f Be i do u S a t e l l i t e s Na v i g a t i o n Po s i t i o ni n g S y s t e m TANG J i n y u a n，YU Lu，W ANG S i c he n (Qi n g d a o Br a n c h o f Na v a l Ae r o n a u t i c a l En g i n e e r i n g I n s t i t u t e，Qi n gd a o 2 6 6 0 4 1，Ch i n a)Ab s t r a c t：Be i d ou s a t e l l i t e s n a v i g a t i on po s i t i o ni ng s y s t e m i s o ne of ou r c ou nt r y s ba s i c i nf or ma t i o n e s t ab l i s hme nt s I t a l s o i s a n i m p o r t a n t f a c i l i t y of r e a l i z i ng i nf or ma t i o n c o mm u ni t yThe u s a ge o f Be i d o u s y s t e m c o nc e r ns ou r c o un t r y S ma ny f i e l ds App l yi ng c ha r a c t e r i s t i c s a nd c ur r e nt s i t ua t i o n o f Be i d o u s a t e l l i t e s na v i ga t i o n po s i t i o ni ng s ys t e m a r e a n a l y z e d i n t hi s p a p e r，ma i n f a c t o r s o f r e s t r i c t i ng s y s t e m S d e ve l o pi n g a r e p oi nt e d ou t，a nd a d v i c e s o f a c c e l e r a t i ng s ys t e m S i n du s t r y de ve l o pi n g i n c i v i l f i e l d s a r e a l s o p ut f o r wa r d Ke y wo r d s：Be i d o u s a t e l l i t e s；na v i ga t i o n p os i t i on i ng；a pp l i c a t i o n；c u r r e n t s i t ua t i o n；d e v e l o pi ng；a d V i c a 作者简介：唐金元(1 9 6 5 一)，男，海军航 空工程学院青岛分院教授。现从事航 空通信与导航领域 的 教学和科研 工作。(上接 第 1 5页)An Ada pt i v e Bl i nd Be a m f o r mi ng Al g o r i t hm i n GPS Re c e i v e r ZHANG Hu a，GUO Ha i xi a (X a n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Na v i g a t i o n T e c h n o l o g y；Xi a n S h a n x i 7 1 0 0 6 8)Ab s t r a c t：An a d a pt i ve b l i nd b e a m f or mi ng a l go r i t hm i n GPS r e c e i v e r i s s t u di e d i n t hi s p a pe r The a l go r i t h m i s b a s e d o n a n e w de s p r e a d e r a nd t h e on e s t a ge c o ns t a n t m o du l u s a r r a y Th e b e a m f o r m e r a i ms a t t h e GPS s i g n a l o f i n t e r e s t a n d r e j e c t s j a mme r s wi t h o u t e x p l i c i t d i r e c t i o n o f a r r i v a l(DOA)i n f o r ma t i o n o f a n y o f t h e s e s i g n a l s A c o mp u t e r s i mu l a t i o n i l l u s t r a t e s t h e a n t i-j a m p e r f o r ma n c e Ke y wo r d s：GP S；b e a m-f o r mi n g；a n t i j a m 3 0 作者简介：张 骅(1 9 7 8 一)，男，2 0 0 6年 1 2月博士毕业于西北工业大学电子信 息学院，现在 西安导 航技术研 究所博士后 工作站从事智能抗干扰天线方面的研究。郭海侠(1 9 7 7 一)，女，工程师，现在西安导航技 术研 究所天线室从事卫星导航抗干扰天线 方 面 的研 究。GNS S Wo r l d o f Ch i n a 2 0 0 8 2 维普资讯 http:/