北斗卫星导航系统的研究及应用

1．课题背景及研究的目的和意义

1.1课题背景

卫星导航技术从上世纪六十年代发展到如今，已经成为发展最为迅速的高新技术产业之一。卫星导航技术作为空间信息技术，在很多领域都有着非常广阔的运用，如航空、测绘、交通运输、勘探、授时等。随着全球信息技术的发展，未来全球卫星导航系统将会由以美国的GPS为核心的卫星定位系统，发展成为多星座共存的GNSS（全球导航定位系统）。
GNSS主要包括三大导航系统，分别为GPS、GLONASS与北斗系统。目前，GPS 在保持其稳定服务的同时，加快了对GPS系统星座的更新。GLONASS作为GPS出现后建立的第二个卫星导航系统，在经历资金不足的困难后，俄罗斯正开启其重建计划，现已有24颗完全工作的卫星。中国的北斗导航系统在2020年7月31日正式开通，开通以来，系统运行稳定，持续为全球用户提供优质服务，开启全球化、产业化新征程。全球范围内已经有137个国家与北斗卫星导航系统签下了合作协议。
GPS主要目的是用于为军队提供实时的高精度定位导航服务，能用于导弹的精确制导，作战平台指挥监控等。在民用方面，GPS占领了更多的市场份额，在2000年5月之后不再对其民用信号上加入干扰技术，使得其在民用段也有较好的定位效果。但是在出现战争等情况时，美国可能随时关闭对其他国家开放的信号，因此我国非常有必要发展一套自主研发的卫星导航系统。
北斗卫星导航系统于1994年正式启动，目前已发射55颗北斗卫星。

1.2研究的目的和意义

传统无线网络定位技术难以提供室内泛在高精度定位能力。移动通信网络定位技术可依托电信运营商网络进行时空信息感知，节省专用定位网络建设成本。但在 2G、3G、4G 时代，定位误差高达十米级甚至百米级，无法提供高精度时空信息。基于蓝牙、Wi-Fi、超宽带（UWB）等无线局域网络的定位技术成为早期室内定位技术发展的主流，可在小范围内提供米级甚至厘米级的定位精度，但是在城市级大范围内实现覆盖将面临极高的网络建设成本，难以成为泛在高精度室内时空信息感知的主要手段。
北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是改革开放 40 余年来取得的重要成就之一，是新中国成立 70 年来重大科技成就之一，是中国贡献给世界的公共服务产品，是举世瞩目的中国名片。北斗系统建设的重要目标之一是发展卫星导航产业，后者是战略新兴产业发展的重要领域，推动和促进中国卫星导航产业发展是发挥北斗系统经济价值的直接体现。卫星导航产业是信息时代发展迅速、前景最为广阔的高技术产业之一。
随着信息产业技术的发展，卫星导航系统已成为军用及民用不可或缺的基本设施之一，其可以迅速便捷地提供高精度的定位信息。由于卫星导航市场需求的扩大以及中国经济本身的迅猛发展，对于北斗卫星导航系统的需求也不断增长，北斗系统从问世开始，就被应用于各种研究与应用领域，因此十分有必要对北斗卫星导航进行研究。

2．该方向的研究现状及分析

2.1 GPS的发展现状

GPS的前身为子午仪卫星定位系统，但由于其无法提供高精度的定位信息，且定位时间耗时过长等多种缺陷，美国国防部开始考虑研制第二代导航卫星系统。GPS是美国国防部花费超过300亿美元耗时20年开发的第二代导航卫星系统，利用导航接收机能迅速得到用户当前的坐标、速度等相关信息。它由24颗定位人造卫星组成，分布在与赤道成55度的6个轨道平面上，每个轨道上有4颗定位人造卫星，其中一颗是备用的定位人造卫星。
GPS的计划实施经历了三个阶段：
（1）方案论证
美国国防部于1973年投入资金并开始实施全球定位系统的研制，在1973-1979年中发射了4颗导航试验卫星，研发了最初的导航接收机并建立起了地面站。
（2）系统论证
在1979年之后的八年里，美国将7 颗“Block I”卫星送入太空，并研发了多功能的接收机。试验发现GPS的定位精度大大超过了设计时的参数标准，民用段的定位误差就能在15米以内。
（3）实验生产
1989年，最初的GPS“Block Ⅱ”卫星被成功送入太空并被投入使用。1993年，GPS卫星星座的24颗定位人造卫星的组网完成并全面开始运行。
尽管GPS已取得了巨大的成功，在2000年美国军方从系统的长期运行和安全等多个方面的考虑，决定启动下一步的GPS计划——GPS 现代化进程。GPS Ⅲ作为最新一代的GPS卫星将会在使用年限、定位效果和信号抗干扰方面上有显著提高。

2.2 北斗卫星导航系统的发展现状

中国卫星导航产业虽萌芽于20世纪70年代，但直到21世纪初一直都与发达国家有着代际的差距。上世纪70年代，美国和苏联都分别启动了GPS计划和GLONASS计划，考虑到卫星导航的重要战略意义，中国也于1984年提出了建设中国自主研发卫星导航系统的建议。初步方案是利用两个地球静止卫星实现区域定位，1989年利用演示试验证明了该方案是可行性，这使得北斗卫星导航试验系统得以在1994年正式启动。2000年，中国发射了两颗北斗试验卫星，实现了在中国地区的定位、授时等服务。2003年随着第三颗北斗试验卫星系统步入轨道，北斗卫星导航试验系统的定位精度得到提高。中国的北斗导航系统在2020年7月31日正式开通。北斗系统与美国 GPS 系统、俄罗斯 GLONASS 系统、欧洲伽利略系统一起并称全球四大卫星导航系统，为人类带来了巨大的社会和经济效益，广泛应用于航空、航海、电力、交通、测绘等领域。

3．北斗卫星定位导航系统定位原理

使用北斗导航系统能精准地定位位置，同时，北斗导航系统还能进行位置信息传输，然而，北斗导航系统有使用弊端，在某些特定区域有使用局限性。北斗卫星导航系统也称为“北斗二号”，它由导航卫星星座——空间段、测控系统——地面段和应用终端组成——用户段。如图2为北斗卫星导航系统组成示意图。北斗导航系统空间段由多个静止轨道卫星、中圆地球轨道卫星构成。北斗导航系统用户段是终端设备、应用系统等组成。北斗导航系统地面段是由主控站、地面站、运行管理设施组成。
要想使用北斗导航系统进行位置定位，首先要向空间卫星发射信号，其次卫星接收控制站信息后，通过转发器将信号进行传输，用户接收信号后要对其做出回应，再次，地面控制中心要接收信号，并对信息进行归纳和分析，最后，接收信息后，空间卫星要向用户传递数据，得到最终位置信息，不难看出，空间卫星是地面段和用户段传递信息的有效媒介，用户通过使用北斗导航系，能获取精准、可靠的位置信息。

4．北斗卫星定位导航系统的应用

4.1 基于北斗卫星定位导航系统的自动驾驶实验平台

2020年中北斗系统的全球定位系统组网完成，目前越来越多基于北斗定位平台的研究正蓬勃兴起。自动驾驶领域是北斗系统一个重要的研究方向和组成部分。但是自动驾驶领域在不同的场景中会根据不同的控制策略搭建各自控制系统架构。如在公路上自动驾驶车辆速度较快，考虑系统的硬件水平与反应速度，会考虑采用大数据结合人工智能算法进行车辆的行驶控制。这种控制系统，硬件投入很大，控制策略复杂， 对网络传输带宽的服务质量要求很高。而对一些园区物流送货车的控制，考虑车辆行驶速度不高，每天行驶路线固定，考虑成本因素，很多情况下可以绕过北斗定位系统，采用车辆的循迹移动控制。在农机设备自动行驶控制领域，农机设备的行驶速度比较低，场地虽然复杂，但有规律可循，因此需要有针对性的在北斗平台中开发农机设备的控制算法，与此类似的还有一些矿山的工程设备。 综上所述，每种场景的特殊性决定了采用的车辆自动行驶算法不尽相同，而且目前新的自动驾驶控制算法不断出现，也不断改良，自动驾驶控制系统的架构不断更新，研究起来也需要不断进行组合。
基于北斗系统的自动驾驶实验平台是实现了一种在儿童电瓶车基础上进行改进的自动驾驶算法实验平台，在此平台上可以验证自动驾驶控制算法的原型。首先通过北斗定位系统获取小车当前的位置信息作为原始参数。之后，根据陀螺仪对车身状态的感知，考虑车身的仰角俯角等信息，对小车的具体位置信息进行矫正，这个操作主要考虑提高小车控制的精准度。根绝小车下一个目标点，采用 PID算法根据已知参数进行控制指令的运算。将指令发送至转向电机，进行车辆行驶的轨迹控制。同时，通过获取角度传感器的反 馈信息，根据实际距离目的点的偏差，进行控制指令的运算。循环上述 PID 控制过程，直至小车到达目的点。
不同的 ARM开发板可以支持不同的功能，如果换上比较高端的 ARM开发板，可以实现更多的功能仿真，例如加装雷达或者红外探头，可以进行车辆简单避障算法的测试。加装摄像头之后，可以结合人工智能和大数据算法进行机器学习，实现对周边物体的感知和判断。加装安卓屏，通过对安卓屏进行开发，实现人机交互功能，对自动行进的小车进行更多的参数控制，提供更多的控制选项；借助4G或5G通信甚至可以实现目 前主流的车联网架构，通过车联网体系，进行公路无人驾驶方面的尝试。\

4.2 “北斗+5G”融合发展

传统无线网络定位技术难以提供室内泛在高精度定位能力移动通信网络定位技术可依托电信运营商网络进行时空信息感知，节省专用定位网络建设成本。但在2G、3G、4G时代，定位误差高达十米级甚至百米级，无法提供高精度时空信息。基于蓝牙、Wi-Fi、超宽带（UWB）等无线局域网络的定位技术成为早期室内定位技术发展的主流，可在小范围内提供米级甚至厘米级的定位精度，但是在城市级大范围内实现覆盖将面临极高的网络建设成本，难以成为泛在高精度室内时空信息感知的主要手段。
近年来，随着科技的不断进步，人们对导航定位的要求越来越高，促使着导航定位技术的不断革新。然而在很多场景下，传统的卫星定位技术并不能很好地解决定位问题，包括精度要求不满足、定位结果不连续、定位时间过长等。一种基于北斗导航定位系统和5G定位技术的联合定位系统可以用来解决上述问题，系统主要由5G定位网络、时间同步设备和接收终端三部分组成。
在北斗与5G通信导航深度融合带来服务增强北斗与移动通信网可在信号、信息、设施、应用等层面深度融合，实现互相增强，形成增量效应。北斗系统可以为5G移动通信网络提供高精度的时空基准，赋能通信网络，提高运行效率与安全性。例如：
1）北斗精确授时可为通信网络提供纳秒级甚至亚纳秒级的网络时间同步，提升运行的安全性、稳定性、自主可控；
2）北斗可为5G网络提供高精度的终端位置信息，辅助通信网络提高移动管理效率和天线波束管理准确性，增强网络运行效率；
3）北斗还能为5G网络提供室外广域的高精度时空信息感知能力，为万物互联提供精确的时空信息支撑，为5G服务的产业化应用提供重要抓手。
5G网络作为北斗系统的信息高速传输通道和室内定位信号补充，为卫星定位导航服务带来从源到端的服务保障，将时空信息从“泛在的、精确的”提升至“可信的、安全的、智慧的”。例如：
1）5G网络可转发北斗卫星的导航电文、概略位置、时间信息和频率信息等至用户终端，通过A-BDS技术辅助终端减少捕获时间，提高接收灵敏度；
2）北斗系统的地面差分增强系统也能与5G网络相结合，使通信网络作为改正数等增强信息的高速实时传输通道，提高终端定位精度；
3）5G网络还可以作为卫星在室内、山区和地下等遮挡环境下的定位信号补充，与卫星融合实现室内外无缝定位导航。

4.3 北斗卫星定位导航系统在航海定位中的应用

在航海过程中，可以用北斗导航系统进行船只位置定位，为驾驶员提供准确、实时的位置信息，让船只行驶更安全。因此，必须了解北斗导航系统在航海定位中的应用，促进航海业繁荣发展。
要分析北斗导航系统在航海中的定位应用，就要以船舶定位技术为基础，同时，获取船舶航行时的信号信息，并进行分析和对比。例如，需获取海岸基站旁的相关数据，并将获取数据全部上传至岸上系统 。
信息传输时，船舶定位技术将获取的信息上传至北斗导航卫星，北斗导航卫星会利用卫星将信息传递至控制中心。控制中心获取信息后，会利用信息融合技术将其进行整合、分析，并将处理结构上传至数据库内，以便储存和保护数据。监控系统会主动获取数据库内信息，并将处理结果展现在屏幕上，通过这种方式实时监控航行速度、航行方向。
在航海定位中北斗导航系统精准度较高，如卫星高角度提升，则北斗导航系统定位精准度越高，船只定位越准确；如卫星高角度降低，则北斗导航系统定位所显示的船只位置精确度随之下降。与GPS技术相比较，北斗导航系统获取船只位置定位稳定性略低于GPS技术，用GPS技术进行船只位置定位时，接收信息的卫星数量多于北斗导航系统。GPS 技术和北斗导航系统传输信息至卫星后，北斗导航系统传输至卫星出现较大信息波动，GPS技术则较为稳定。从定位位置信息精确度上看，GPS技术定位精确度略低于北斗导航系统。

心得体会

中国卫星导航产业经过27年的发展取得了巨大成就，在对北斗卫星导航系统演进脉络梳理的基础上，本文提炼总结了中国北斗卫星导航系统的发展道路，分析了北斗卫星导航系统在当代与各个领域的联合应用，通过本次学习我得出了以下初步结论：
（1）中国卫星导航产业是在发展中国家、后发地位以及开放竞争市场这样的发展情境下，面对卫星导航先发国家的技术封锁，以自主来源方式成功获取卫星导航源头技术，经历三次飞跃，实现了跨越式发展。
（2）中国卫星导航产业走出了一条鲜明中国特色的高技术产业发展实践创新之路，不仅填补了发展中国家自主技术来源情境下高技术产业“无路可走”的空白，而且发展道路中的关键要素都具有理论上的合理性和自洽性。从中国卫星导航产业发展道路中，可以抽象出一条对这一情境下高技术产业具有一定普适意义的发展道路，即以具有比较优势、定位为“国家重大任务”为前提，国家主导举国合力、特色创新、发现并抓住产业技术升级机遇，实现高技术产业跨越式发展的“北斗道路”。
（3）如今，信息产业技术的发展，卫星导航系统已经成为军用及民用不可或缺的基本设施之一，其可以迅速便捷地提供高精度的定位信息。由于卫星导航市场需求的扩大以及中国经济本身的迅猛发展，对于北斗卫星导航系统的需求也不断增长，北斗系统从问世开始，就被应用于各种研究与应用领域，如：自动驾驶实验平台、“北斗+5G”融合发展、在航海定位中的应用等。
北斗卫星导航系统是三大导航系统之一，卫星导航系统是卫星定位与导航的一个重要的方向，选择这个方向撰写课程报告，一则是为了深入学习了解卫星定位与导航技术，二则是为了了解我国的北斗卫星导航系统。通过阅读多篇期刊论文及硕士学位论文，我了解了北斗卫星导航系统的基本原理、形成与发展，以及在一些领域的具体应用。本次卫星定位与导航课程的学习，我接触并认识了卫星定位与导航的基础理论，并通过此次课程报告任务对北斗卫星导航系统有了更加深入的了解，收获颇多。

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