江蘇省錫山高級中學(xué)（214174） 王家偉 范曉偉

2012年12月27日，中國自主建設(shè)、獨立運行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)啟動區(qū)域性正式服務(wù)，由16顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時等服務(wù)。這是北斗系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的一個里程碑，標志著我國在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)方面“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略第二步發(fā)展戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。

一、北斗系統(tǒng)概述

1. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System，CNSS〕是中國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如圖1、圖2）。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS)之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與美國的GPS、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS）、歐盟的“伽利略”（GALILEO）系統(tǒng)并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標志圖

圖2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端三部分組成。空間端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站。用戶端由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）、歐盟“伽利略”（GALILEO）等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成?？稍谌蚍秶鷥?nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具短報文通信能力。

2. 北斗系統(tǒng)建設(shè)的“三步走”

中國作為發(fā)展中國家，擁有廣闊的領(lǐng)土和海域，高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，努力探索和發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在20世紀80年代到90年代，我國結(jié)合國情，科學(xué)、合理地提出并制訂自主研制實施“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。

第一步，2000年建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，解決我國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題。第一步是試驗階段，即用少量地球同步靜止軌道衛(wèi)星來完成試驗任務(wù)，為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)積累技術(shù)經(jīng)驗、培養(yǎng)人才，研制一些地面應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等。2000年以來，中國已成功發(fā)射了4顆“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”，建成北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)（即“北斗一號”試驗系統(tǒng)）。這個系統(tǒng)具備在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時、報文和GPS廣域差分功能，并已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業(yè)、勘探、森林防火和國家安全等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

第二步，建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2012年形成區(qū)域覆蓋能力。第二步到2012年計劃發(fā)射10多顆衛(wèi)星，建成覆蓋亞太區(qū)域的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（即“北斗二號”區(qū)域系統(tǒng)）。截至2012年底，已經(jīng)發(fā)射了16顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)啟動區(qū)域性正式服務(wù)，開始向亞太大部分地區(qū)（覆蓋區(qū)域東經(jīng)55度～180度）正式提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時以及短報文通信等服務(wù)。

第三步，2020年左右，形成全球覆蓋能力。第三步到2020年，建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)向全球免費提供定位、測速和授時的開放服務(wù)，定位精度為10米，授時精度為10納秒，測速精度0.2米/秒；同時還能為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，授權(quán)提供更好的定位、測速、授時和短報文通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息的授權(quán)服務(wù)。

“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成對我國及周邊地區(qū)具有重要的應(yīng)用意義。我國及周邊地區(qū)目前使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本上是美國的GPS，作為一個航天大國來說，我國必須在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域占有一席之地，這是非常重要的。首先，有了獨立自主的星地一體化系統(tǒng)以后，我國可以進一步開發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域，并且把星地之間的一體化工作做好；而GPS系統(tǒng)在很多方面對我們并不開放，所以更無法介入其星地一體化設(shè)計。第二，“北斗”區(qū)域系統(tǒng)正式運行和提供服務(wù)以后，我國及周邊地區(qū)的用戶可以接收到除了GPS和GLONASS信號之外的新的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，從而多了一種選擇，多了一種可獲取的資源，有利于提高服務(wù)精度和質(zhì)量。

二、北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢與“獨門絕技”

1. 北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢

北斗導(dǎo)航終端與GPS、“伽利略”和“格洛納斯”相比，優(yōu)勢在于短信服務(wù)和導(dǎo)航結(jié)合，增加了通訊功能；全天候快速定位，極少的通信盲區(qū)，精度與GPS相當，而在增強區(qū)域也就是亞太地區(qū)，甚至會超過GPS；向全世界提供的服務(wù)都是免費的，在提供無源定位導(dǎo)航和授時等服務(wù)時，用戶數(shù)量沒有限制，且與GPS兼容；特別適合集團用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；獨特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機設(shè)計，可同時解決“我在哪”和“你在哪”的問題；自主系統(tǒng)，高強度加密設(shè)計，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用。

2. 北斗系統(tǒng)的“獨門絕技”

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和目前世界上三大導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS、“伽利略”和“格洛納斯”）相比，不僅具備了定位導(dǎo)航功能，還具有自己獨特的功能。

（1）絕技一：精準授時，精度達兩千萬分之一秒

精確授時，即向地球報告最精確的時間，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所能提供的主要功能之一。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上裝置了我國自行設(shè)計研制的原子鐘，有了它，衛(wèi)星就具有了精準的授時功能，精度可以達到兩千萬分之一秒，火車調(diào)度、銀行結(jié)算、航空航天工業(yè)等方方面面都離不開它；不僅在我們的生產(chǎn)生活中，精準的授時功能在軍事上更是不可或缺，巡航導(dǎo)彈之所以能夠完成精確打擊，就是通過衛(wèi)星定位和高精確授時來對目標進行鎖定。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精準授時功能可以打破GPS壟斷，通過自主設(shè)備授時具有國家安全層面的重大意義。

（2）絕技二：短報文功能，信號盲區(qū)能發(fā)送短信

除了精準的授時功能，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具有一個其他導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的獨特功能——短報文功能。短報文功能與目前的手機短信功能相類似，用戶可以通過終端發(fā)送一條長度為120個字的信息。短報文通信可以完成位置的報告和指揮調(diào)度的一些功能，目前世界上的三大導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS、“伽利略”和“格洛納斯”）都不具備這樣的功能。通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文功能，用戶不僅自己能知道自己在哪兒，還能讓別人知道自己在哪兒，因此這短短的120個字在很多時候是救命的法寶。假如你去探險，你進入了一個陌生的森林、高山或沙漠地區(qū)，然后你迷路了，且不知道往哪兒走，別人也不知道怎么去救你的時候，你就可以利用“北斗”終端發(fā)短信，讓你使用的“北斗”系統(tǒng)的主站知道你的位置，并知道你所發(fā)生的事情?！氨倍贰毕到y(tǒng)發(fā)短信的獨特本領(lǐng)在手機信號穩(wěn)定的城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)可能意義不大，但對于在沒有手機信號或手機信號盲區(qū)的海上、沙漠、深山等荒僻地區(qū)的人們來說將可以派上大用場，可以解決救援、搶險救災(zāi)、應(yīng)急指揮中的定位與通信難題。

三、北斗系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用

1. 軍事應(yīng)用

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的軍事應(yīng)用功能與GPS類似，如：飛機、導(dǎo)彈、水面艦艇和潛艇的定位導(dǎo)航；彈道導(dǎo)彈機動發(fā)射車、自行火炮與多管火箭發(fā)射車等武器載具發(fā)射位置的快速定位，以縮短反應(yīng)時間；人員搜救、水上排雷定位等。“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)也可應(yīng)用于主動進行各級部隊的定位，除了可供各級部隊自身定位導(dǎo)航外，高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統(tǒng)掌握部隊位置，并傳遞相關(guān)命令，執(zhí)行部隊指揮與管制及戰(zhàn)場管理。

2. 民事應(yīng)用

（1）個人位置服務(wù)

當你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的手機或車載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置找到你要走的路線。你可以向當?shù)胤?wù)提供商發(fā)送文字信息告知你的要求，如查詢最近的停車位、餐廳、旅館或其他你想去的任何地方，服務(wù)商會立即根據(jù)你所在的位置，幫你找到需要的信息。然后，將一張地圖發(fā)送到你的手機上，甚至還會為你提供酒店房間、餐廳或停車位預(yù)定等增值服務(wù)。

（2）精密授時

精確的時間同步對于涉及國家經(jīng)濟社會安全的諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)的有效運行都依賴于高精度時間同步。在移動通信中需要精密授時以確保基站的同步運行，電力網(wǎng)為有效傳輸和分配電力，對時間和頻率提出了嚴格的要求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時服務(wù)可有效應(yīng)用于通信、電力和金融系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

（3）氣象應(yīng)用

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已在氣象領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上組建的地球大氣觀測系統(tǒng)是一種重要的觀測技術(shù)，可完成對大氣、海洋和空間環(huán)境的觀測，以及對環(huán)境中重要的風、云、電進行觀測。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星氣象應(yīng)用的開展，可以促進我國天氣分析和數(shù)值天氣預(yù)報、氣候變化監(jiān)測和預(yù)測，也可以提高空間天氣預(yù)警業(yè)務(wù)水平，提升我國氣象防災(zāi)減災(zāi)的能力。除此之外，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的氣象應(yīng)用對推動北斗導(dǎo)航衛(wèi)星創(chuàng)新應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)拓展也具有重要的影響。

（4）應(yīng)急救援

衛(wèi)星導(dǎo)航已廣泛用于沙漠、山區(qū)、海洋等人煙稀少地區(qū)的搜索救援。在發(fā)生地震、洪災(zāi)等重大災(zāi)害時，救援成功的關(guān)鍵在于及時了解災(zāi)情并迅速到達救援地點。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除導(dǎo)航定位外，還具備短報文通信功能，通過衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可及時報告所處位置和受災(zāi)情況，有效縮短救援搜尋時間，提高搶險救災(zāi)時效，大大減少人民生命財產(chǎn)損失。

（5）精細農(nóng)業(yè)

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式由傳統(tǒng)粗放式耕作轉(zhuǎn)為精細管理成為可能，通過將衛(wèi)星導(dǎo)航和地理信息相結(jié)合并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可有效提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、降低成本、保護環(huán)境。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位服務(wù)，可有效支持現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，充分利用農(nóng)業(yè)資源，保護生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

（6）各類交通運輸應(yīng)用

① 道路交通管理。衛(wèi)星導(dǎo)航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車輛上安裝衛(wèi)星導(dǎo)航接收機和數(shù)據(jù)發(fā)射機，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內(nèi)自動轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。這些位置信息可用于道路交通管理。例如，指示車輛走暢通的道路，限制進入擁擠的道路，或通告司機前方擁堵的情況，建議走車輛較少的路線。如果車輛超速行駛而發(fā)生交通事故，則撞車時的速度、位置和時間信息均會被記錄在上，作為判斷是否違章的依據(jù)；如果車輛被盜或被搶，衛(wèi)星導(dǎo)航會很快發(fā)現(xiàn)并跟蹤其位置，使盜賊無處藏身。

② 鐵路智能交通。衛(wèi)星導(dǎo)航將促進傳統(tǒng)運輸方式實現(xiàn)升級與轉(zhuǎn)型。例如，在鐵路運輸領(lǐng)域，通過安裝衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，可極大縮短列車行駛間隔時間，降低運輸成本，有效提高運輸效率。未來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將提供高可靠、高精度的定位、測速、授時服務(wù)，促進鐵路交通的現(xiàn)代化，實現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度向智能交通管理的轉(zhuǎn)型。

③ 海運和水運。海運和水運是全世界最廣泛的運輸方式之一，也是衛(wèi)星導(dǎo)航最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，使海上和水路運輸更為高效和安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導(dǎo)航定位和安全保障。同時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報文通信功能將支持各種新型服務(wù)的開發(fā)。

④ 航空運輸。當飛機在機場跑道著陸時，最基本的要求是確保飛機相互間的安全距離。利用衛(wèi)星導(dǎo)航精確定位與測速的優(yōu)勢，可實時確定飛機的瞬時位置，有效減小飛機之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實現(xiàn)自動盲降，極大提高飛行安全和機場運營效率。通過將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的有效結(jié)合，將為航空運輸提供更多的安全保障。

⑤ 特殊貨物運輸監(jiān)管。通過衛(wèi)星導(dǎo)航，可實現(xiàn)對貴重貨物或危險品運輸?shù)倪h程跟蹤與監(jiān)管，是現(xiàn)代物流業(yè)的新應(yīng)用。為確保特殊貨物在交通運輸各個環(huán)節(jié)中的安全，客戶希望了解貨物在運輸途中的有關(guān)情況。安裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的車輛，支持實時查詢貨物位置或到達信息，通過與相關(guān)設(shè)備的配合，在車輛偏離預(yù)定路徑、發(fā)生盜搶、交通事故等意外情況下，可支持車輛位置及有關(guān)情況的報告，實現(xiàn)有效的全過程運輸監(jiān)管。