北斗导航系统应用前景探究

北斗导航系统应用前景探究

杨艺

广州南方卫星导航仪器有限公司广东省广州市510663

摘要：北斗系统是中国导航体系中优势及特点比较多的一种通讯体系，本文基于对北斗系统功能及特点的阐述，分析其在各领域中的应用现状，并进一步展望了北斗导航系统的应用前景，以期给北斗导航系统的发展带来借鉴。

关键词：北斗导航系统；应用；前景

1北斗系统功能及特点

北斗系统起步于20世纪90年代，按照系统建设“三步走”的发展战略，计划在2020年建成北斗全球系统，系统组网卫星达30颗，面向全球提供服务。截至2018年11月，北斗系统先后共发射北斗导航卫星43颗，北斗三号全球组网卫星已达19颗。目前北斗系统的服务区域为东经55°～180°、南纬55°～北纬55°之间的大部分区域，重点区域为东经70°～145°、北纬5°～55°的大部分区域，具备了覆盖我国全境及周边地区的服务能力。北斗三号全球组网基本系统计划在2018年底前开通运行，可为“一带一路”沿线国家和地区提供导航服务。

北斗系统主要由北斗导航卫星、地面卫星控制站、用户应用终端及系统三大部分组成，面向用户提供实时导航、快速定位、精确授时、短报文通信四项基本功能服务。北斗系统具有两大特色服务：一是北斗短报文通信服务，利用内嵌在北斗系统用户终端的北斗短报文通信模块与北斗卫星进行双向报文通信，集位置报告与文本报文为一体，解决用户在地面网络中断、地面网络盲区或没有任何移动通讯网络情况下的信息应急通信；二是高精度定位导航服务，利用正在建设的北斗地基增强系统，实现厘米级甚至毫米级定位，以促进地理山体环境与基础设施形变监测、搜索救援、无人驾驶、民航导航等诸多民生领域的高精度大众化融合与革新服务。

北斗系统提供开放、授权两种服务方式。目前，开放服务主要面向公众用户提供免费的定位、测速和授时服务，定位精度优于10米，测速精度优于0.2米/秒，授时精度优于20纳秒；授权服务主要面向授权用户提供更高精度的定位、测速、授时和短报文通信服务，其中北斗短报文的民用用户可以按照秒级、分钟级一次传送60—120个汉字容量的短报文信息。目前北斗系统已在交通、农业、林业、渔业、公安、电力、金融及防灾减灾等行业广泛开展了业务应用示范，行业用户终端及应用系统已成规模化发展。

2北斗导航系统的实际应用

2.1北斗卫星可以用于海洋水文的实时监测

北斗卫星系统在多个领域得到广泛应用，北斗卫星可以用于海洋水文的实时监测，可以根据需要针对目标区域的海水温度、盐度、深度等实施即时监测。北斗卫星在监测过程中主要起到信息通路的作用，岸基中心站对海面上具体的浮标系统进行有效的监控和数据传输，这个过程中可以实现即时的数据采集和传输，同时可以有效保证其准确性和科学性，此外还可以针对浮标系统的工作状态进行监测，进而判断其数据的准确性。

将北斗卫星系统应用到海洋水文实时监测过程中来，具体的工作系统主要分为两个部分，分别是浮标单元系统和岸站监控单元系统。浮标单元系统主要实施对海洋水文的监测工作，具体包括利用传感器感知海水温度、盐度、压力等，当浮标系统完成以上信息的采集以后，就会通过北斗卫星系统将数据进行传输，岸站监控单元系统负责及时接受浮标系统通过北斗卫星系统传输过来的数据。此外除了接收北斗卫星系统传输过来的信息，岸站监控单元系统还要对相关数据进行进一步处理，并针对浮标系统进行即时的监控。

2.2北斗卫星导航定位系统在工程测绘中的应用

北斗卫星导航定位系统-RTK技术（COMPASS-RTK）较之传统技术而言优势突出，覆盖范围广，适应性较强，凭借独特的优势广泛应用在工程测绘中，可以有效提升测绘精准度，降低人工劳动强度，便于后续相关工作开展。尤其是在北斗卫星导航定位系统-RTK技术（COMPASS-RTK）支持下，生产方法得到了不同程度上的变革，作业理念随之创新和完善，促使工程测绘行业朝着更高层次发展。

北斗卫星导航定位系统作为多种技术组合的系统，其中包括数据传输技术和RTK测量技术，以载波相位观测为依据，测量技术优势较为突出。在基准站设置一台北斗卫星导航定位系统信号接收机，实现地质连续观测，通过无线电将观测获取的信息存储和传输。流动站中，北斗卫星导航定位系统接收机可以接收卫星信号，还可以传输基准站数据信息，借助仪器软件计算三维坐标信息，提升测量精准度。此外，接收机也可以接收其他国家的卫星信号，可以采用北斗卫星导航定位系统系统和GPS导航系统高效处理数据信息，提升测量结果精准度。

2.3基于北斗模块的基坑施工监测的应用

伴随着城市建设的快速发展，地铁、超高层建筑和高铁车站等深基坑施工项目越来越多。深基坑在开挖过程中，涉及到土体、支护结构及周围建筑物的变形和沉降等相关问题，极易发生支撑失稳、渗流破坏、坑内滑坡等常见的工程事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。

基于北斗模块的基坑施工监测系统包括人机操作模块、数据采集模块、视频数据采集模块、中央处理器、预测分析模块、专家评估模块、物理模型构建模块、虚拟作动器、虚拟传感器、仿真分析模块和报警模块等。基于北斗模块的基坑施工监测系统，通过北斗短报文通讯技术进行数据的传输，全方位对基坑施工情况进行实时监测，通过系统自带的数据分析模块实现基坑情况的评估；通过物理模型的构建，对基坑施工的后续情况进行预测和仿真分析，及时发现基坑施工过程中产生的问题，也可以将各种基坑施工方案转换成参数后作用于所建立的基坑施工物理模型，实现基坑施工方案的合理选择；通过物理模型的构建，实现基坑三维可视化安全预警展现，并对超警戒参数进行分级安全预警；所有预警信息发送至相关人员的手机，同时，预警信息回传到安装在施工现场作业面的声光报警器进行声、光报警，从而实现对深基坑的实时监测预警。

工程应用表明，基于北斗模块的基坑施工监测系统安全实用，方法便捷，实时有效，避免了基坑施工监测中的安全问题，并且该系统可用于各种施工坏境现场，消除施工过程中的安全信息隐患，能够实现有效的监测和管理施工现场。

2.4北斗终端技术在车辆调度中的应用

智能交通已成为当代城市发展必不可少的新力量，实现智能交通不仅有利于城市发展经济化、高效化，更为人们的生活带来便利。为了保障智能交通稳健运行，使北斗终端技术与车辆调度有效结合，用于提升城市交通布控力度。

北斗终端技术功能强大，在车辆调度领域中利用汽车行驶记录功能，对车辆调度实时监控。能够提供车辆360小时的速度记录及里程记录，对于车辆运行路线数据进行实时反馈。在安全性方面，北斗终端具有遇险自动报警、电瓶欠压报警和断电故障报警等功能。实现主机断电故障自动上报，GPS天线，电源状态和外设状态等进行报警。对于车辆信息，驾驶员管理等方面，北斗终端可以进行车辆信息记录，驾驶员身份识别，登退签管理等工作并且实时反馈车辆行驶的疲劳记录、超速记录和疑点记录等。数据库信息反馈实现车辆远程传输数据，远程升级和远程故障诊断等。通过北斗终端技术的应用实现智慧交通的车辆调度精细化管理，满足城市化建设发展工作开展需求。

城市出租车行业运行弊端严重。一方面，早晚高峰出租车用户需求量大，乘客打车困难，从而出现拒载现象影响出租车行业服务质量。另一方面，出租车驾驶员多凭经验判断乘客密度大的区域，而乘客流动性大，位置不确定指数高，易出现判断失误。导致乘客乘车不便利，驾驶员客源亦有限，从而影响工作效益。根据北斗终端数据库反馈分析，北斗终端车载系统对出租车早晚高峰时间段行车路线实时监控，将行车范围限定在指定乘客密集区内。其技术能够对每辆出租车的行驶路线、位置及有无载客情况实时，通过远程数据传输到指挥调度中心。利用北斗终端信息反馈，根据全市早高峰（7：30-8：30）、晚高峰（17：00-18：00）时间段内出租车乘客起点数量取样调研数据的反馈，对乘客密集区出租车车辆大致布控数量有所调度。

乘客以3G/4G信号传输发布用车请求，由北斗终端远程数据传送到指挥调度中心，调度中心再将乘客位置信息发送到位置最便捷的空载出租车上，驾驶员接受信息并前往所在地搭载乘客，乘客上车到达目的，最后用户反馈乘车满意度对乘车体验进行评价。

2.5基于北斗的空气质量实时监测的应用

我国城市环境空气自动监测技术起步于20世纪80年代初期，经过30多年的发展，目前，全国建有环境空气自动监测系统的城市已开展城市环境空气质量日报工作，并以各种途径向社会发布。我国城市人口密度较大，排放源种类多而且分散，污染物空间分布非均匀性强。面对日益加重的空气污染问题，公众对空气质量状况的信息需求迅速增加，这对我国城市空气质量监测网络建设和点位设置提出了新的要求。

基于北斗的空气质量检测系统，利用GPRS网络及TCP/IP协议，将终端位置、实时检测空气质量等信息上传至数据中心存储、处理，构建城市空气质量可视化三维场景，并结合城市相关污染源进行分析，生成相关分析文档，供普通客户端及决策者浏览访问。

基于北斗的空气质量实时监测系统软件由移动终端数据采集软件、桌面客户端及移动网页浏览三部分组成。数据采集软件主要具备数据采集、数据传输及其位置显现功能，实现采集点位控制与实时空气质量采集与上报。服务器根据数据标识对获取数据的有效性进行判断，剔除无效信息，空间分析对数据进行可视化处理。客户端在网络与硬件平台的支撑下，与服务器进行数据交换，获取区域监测网空气质量分布图。“基于北斗的空气质量实时监测系统”的主要功能包括：1)采集终端：实现空气质量数据采集与上传。2)移动端：通过网页浏览形式，展示区域内二维平面空气质量分布图。3)桌面端：三维可视化，对检测区域内的空气质量进行立体展示。

基于北斗定位导航系统的空气质量实时监测系统，实现了对重点区域内空气质量的移动监测及其数据可视化，通过该系统可以对道路沿线、重工业园区等重点污染源的空气温度以及空气质量PM2．5的实时性远程监测，从而提高管理人员的工作效率，更加及时准确地为公众提供空气质量预警信息和健康指引。

2.6基于北斗系统的电力通讯终端的应用

当前基于Android设计出的电力通讯终端，电力数据信息丢包问题较为严重，数据的转发和通讯数据的监测效果无法达到理想标准。提出一种基于北斗系统的电力通讯终端设计方法，利用北斗基带信息的解析单元，电力数据在线转发单元，和电力通讯终端的远程监测单元等构成通讯终端硬件部分；终端的软件部分由电力数据传送端和电力数据接收端的处理模块组成；在数据在线转发单元中，主控板会对报文的长度是否超过北斗卡最大传输电文长度进行解析，再进行数据的转发，以增强数据的转发效果；依据视频监测形式对电力通讯数据进行监测，提升监测精度；为缓解电力数据的丢包现象，基于TCP/IP协议，在传输一个数据包时，同时将一个定时打开，假设在设定计时的过程中，没有接收到应发送的数据包，那么自动将这个数据包丢弃，同时请求重新发包。通过实验证明，基于北斗系统的电力通讯终端系统在电力通讯数据的丢包控制、数据转发及电力通讯数据的监测精度和实效性方面足够满足电力系统日常需求。

3北斗导航系统的应用发展

3.1北斗导航系统发展的影响因素

（1）有利因素分析

一是有政府大力支持，将加快基础设施的建设和应用的推广，尤其是在军事领域的应用，将推动北斗导航系统长足发展。具体表现在：对民间初期应用的客户进行财政补贴；对生产GPS导航设备的相关企业强制要求附带北斗卫星导航终端设备；对国内研发北斗导航系列产品的企业进行补贴或其他政策优惠，大力推广北斗卫星导航系列产品的应用。二是社会的需求拉动，导航定位的需求将在未来一段时间内长期存在，潜在的社会需求将为北斗的发展提供一个非常大的空间。三是技术创新保障，导航定位的技术为北斗的发展提供了有力保障。

（2）不利因素分析

①北斗卫星导航系统目前仍处在全球组网建设当中，我国北斗卫星应用产品的研制与开发尚处于初级阶段，未形成规模效应，研发生产投入较为分散，北斗卫星导航及应用的整个产业链还不是很成熟。

②国内对相关行业和技术认识市场的需求是影响北斗发展的重点，市场的大小关系到北斗发展的快慢，人们对于北斗的总体印象还是较为模糊的，由于美国GPS导航设备民间应用领域久，有一定的技术积累，占得市场份额较重。市场上很多导航定位设备还都是以GPS为主，兼容北斗导航定位系统的，这对于北斗打开国内市场还是有非常大的影响。

3.2北斗导航系统应用行业发展前景

从2012年底北斗系统投入区域服务以来，三年间以北斗为核心推动力的我国卫星导航产业取得了喜人的成就和进步。自主的北斗系统的建设和投入运营，与利用国外的GPS和GLONASS最大的不同，是北斗的产业体系。由于有自主系统的整体性推动和二十多年的卫星导航应用基础，很快达到日臻完善的境地。尤其是在产业链的整体形成和完善方面，取得了前所未有的长足进步。据前瞻产业研究院《2019-2023年中国卫星导航与位置服务产业市场前瞻与应用前景预测分析报告》数据显示，2017年中国卫星导航与位置服务产业总体生产总值达到2550亿元，同比增长20.4%。

随着各级政府鼓励北斗卫星应用产业发展政策的不断出台，给北斗卫星应用提供了产业化契机，我国北斗应用产业正进入快速发展时期，在交通运输、数字城市、智能感知等新兴领域快速发展。北斗卫星应用技术呈现出从单一导航应用为主向导航和移动通信、互联网等融合应用转变，从终端应用为主向产品与服务并重转变三大趋势，并不断拓展出新的北斗应用领域，推动产品性价比不断提高，使北斗应用产品形成规模化快速发展。可以说，卫星导航的生命期就像上个世纪90年代的互联网一样，正要步入一个快速发展的旺盛期，而且今后的路还很长很长。按照《国家卫星导航产业中长期发展规划》，我国卫星导航产业规模在2020年将超过4000亿元，我国未来的北斗卫星应用市场有着巨大的发展空间。

未来，还将积极开展国内国际交流合作，扩大北斗导航系统应用的新空间。致力于发展经济，积极参与合作，深化北斗应用和空间信息国际合作及应用，共享卫星导航发展成果，培育和引进更多卫星导航领域的人才和企业。

同时，还需进一步深度参与卫星导航系统研发，促进卫星导航的广泛应用，加快形成多维一体、协同推进、跨越发展的北斗卫星导航系统发展格局。

结语：综上所述，随着两颗全球组网卫星顺利升空，我国成功完成北斗三号基本系统星座部署。作为我国改革开放40年来取得的重要科技成就之一，北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的重要空间基础设施，能提供全天候的精准时空信息服务。随着我国北斗导航技术在各领域中应用的不断成熟，其还将迎来一片光明前景。

参考文献：

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