北斗卫星导航系统建设和应用现状

摘 要 ：北斗卫星导航系统是中国国防力量及社会经济的重要基础性建设，是中国综合国力及科技发展水平的重要标志之一。北斗系统的应用涉及到国家各个领域。介绍了北斗卫星导航系统建设的最新进展，分析了在国内外市场的应用现状，提出了系统建设和推广应用的一些具体建议。

1 引言

2014年11月17日至21日，国际海事组织海上安全委员会第94次会议在英国伦敦召开，会议审议通过了认可我国北斗卫星导航系统作为国际海事无线电导航系统(World Wide Radio Navigation System， WWRNS)的航行安全通函。这意味着继美国的GPS和俄罗斯的GLONASS后，中国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System， BDS)已成为第三个被联合国认可的海上卫星导航系统，标志着向其目标迈出的重要一步。

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，致力于为全球用户提供稳定、可靠、优质的卫星导航服务，服务全球、造福人类。北斗系统按照“先试验、后区域、再全球”的三步走战略稳定推进系统建设。2012年12月27日，北斗系统向亚太大部分地区正式提供区域服务，标志着“三步走”战略第二步圆满完成。

本文首先介绍了北斗系统运行现状和系统建设最新进展，然后分析了北斗系统的国内外市场应用现状，最后对系统建设和应用推广提出了一些建议。

2 北斗系统运行现状

2.1 系统现状

截止到2012年10月25日，北斗系统共发射了16颗导航卫星，除去1颗地球静止轨道卫星(，GEO)在轨维护和l颗中圆地球轨道卫星(Medium Earth Orbit， MEO)在轨试验外，其他14颗卫星组成了北斗区域卫星导航系统的导航星座。目前北斗系统空间星座由5颗GEO卫星， 5颗倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit， IGSO)卫星和4颗MEO卫星组成。星座组成如图1所示。相应的位置为：

GEO卫星的轨道高度为35786km，分别定点于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。

IGSO卫星的轨道高度为35786km，轨道倾角为55度，分布在三个轨道面内，升交点赤经分别相差120度，其中三颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118度，其余两颗卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经95度。

MEO卫星轨道高度为21528km，轨道倾角为55度，回归周期为7天13圈，相位从Walker24/3/1星座中选择，第一轨道面升交点赤经为0度。四颗MEO卫星位于第一轨道面7、8相位、第二轨道面3、4相位。

北斗系统卫星现状(北斗官网2014年9月24日公布)见表1。

北斗区域卫星导航系统发播3个频点的导航信号，分别是1561.098 MHz(B1)， 1207.14 MHz(B2)和1268.52 MHz(B3)， 其中B1I和B2I为民用信号。其中，B2I信号将随着全球系统建设逐步被性能更优的信号取代。

自正式提供区域服务以来，北斗系统保持稳定运行，服务连续稳定，实际性能全面满足设计指标，部分指标优于设计要求。

2.2 服务性能

北斗系统已实现区域服务能力，现阶段可以连续提供公开服务的区域(水平和垂直定位精度优于10m(置信度95%))如图2所示，包括55°S～55°N，70°E～150°E的大部分区域。

文献[9]对北斗系统区域基本导航定位性能进行全面的评估，结果表明：

在中国境内，北斗卫星导航系统的可见卫星数均在7颗以上，PDOP值均小于5。

北斗B1单频伪距单点定位水平精度优于6 m，高程精度优于10 m，三维点位精度优于12 m，已满足设计要求。

北斗伪距和载波相位测量精度已与GPS处在同一水平，伪距测量精度约为33cm，载波测量精度约为2mm。

3 北斗系统建设最新进展

3.1 攻破北斗全球系统建设核心技术

自2009年起，我国着手启动了北斗全球系统建设的技术攻关。目前，北斗系统建设科研团队已攻破了核心技术，预计2015年将发射4到5颗实验卫星，对一些技术进行必要的在轨验证，这些技术的地面验证目前已经基本完成。明年年底之后，我国将推动全球系统的组网建设。未来的北斗系统可靠性更高，性能将在现有基础上提高1到2倍。

3.2 全球范围内布站取得突破性进展

2014年11月30日，北斗系统首个海外监测站在巴基斯坦顺利建成并开通运行，实现了中国北斗卫星导航系统海外监测站从无到有的跨越。2014年，中国和俄罗斯在卫星导航领域开展密切合作，拟在对方境内部署卫星导航地面站，其中在俄罗斯境内建设3个北斗系统地面站。中俄这一举措打破了美国对两国在全球范围内布置导航系统地面监测站的限制，有助于提高北斗系统的服务精度，也是北斗系统进入海外市场的一种重要方式。海外地面站的建立，为推进北斗系统工程建设、改善北斗系统海外服务性能提供有力的支撑

3.3 B2频点信号内容和公开服务性能规范

2013年12月27日，中国卫星导航系统管理办公室了《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件(2.0版)》和《北斗系统公开服务性能规范(1.0版)》。该版ICD对北斗B1频点空间信号接口控制文件进行了修订完善，另外，新增了北斗系统B2频点的信号内容。B1、B2双频点信号内容的公布标志着北斗系统成为世界上首个拥有两个民用频点并已经形成服务能力的卫星导航系统，可以为用户提供高精度双频服务，从而使定位精度从单频时的10米跃升至米级、甚至分米级。北斗系统由此进入多频服务供应的新时代。北斗系统公开服务性能规范是中国对广大用户的基本承诺，也是北斗系统参与国际民航、国际海事、3GPP等国际组织标准制定的先决条件，对于推广北斗在航空、航海、移动通信等领域的国际合作与应用具有重大意义。

3.4 北斗国际化发展水平获得提升

2014年10月13日，中俄签署了《中国卫星导航系统委员会与俄罗斯联邦航天局在全球卫星导航领域合作谅解备忘录》，内容涉及建立“卫星导航重大战略合作项目委员会”，并在其框架下成立卫星导航联合工作组，讨论和协调北斗与格洛纳斯系统兼容与互操作、增强系统(包括互建站)、监测评估、应用推广等领域的合作。GLONASS的在高纬度地区有应用优势，和北斗系统形成服务性能优势互补，其丰富的系统建设经验和先进的科学技术有利于推动北斗全球系统稳步发展。同时，中国和东盟、欧盟、澳大利亚等众多国家在全球卫星导航领域开展了广泛和富有成效的项目合作。通过开展广泛的国际合作交流，促进了北斗全球卫星导航系统的建设，提升了北斗的国际化发展水平。

3.5 自主北斗芯片取得重大突破

2014年，上海北伽导航科技有限公司我国首颗40纳米SoC工艺北斗多模射频基带一体化芯片“航芯一号”，标志着我国北斗导航产业大规模应用的最大瓶颈得到突破，导航芯片性能指标达到国际一流水平。这颗芯片将于2015年实现量产，进入中兴等品牌手机，并将逐步进入平板电脑、可穿戴设备、车载导航等设备，使百姓能用到更多北斗导航产品。

3.6 标准化工作全面推进

2014年4月28日，中国成立全国北斗卫星导航标准化技术委员会，从国家层面实现了北斗卫星导航标准化工作归口管理，对确立北斗系统在国家应用主导地位，扭转时空基准受制于人、依赖于人局面具有重大意义。2014年11月，首个北斗国际海事标准《船载北斗卫星导航系统(BDS)接收机设备性能标准》。目前，涉及北斗系统的基础类、工程类、应用类、行业类等一百多项标准制定工作正在稳步推进。

3.7 北斗地基增强系统工程启动建设

2014年9月11日，北斗地基增强系统工程建设工作正式启动。北斗地基增强系统是国家卫星导航高精度服务基础设施，是北斗卫星导航系统重要组成部分，是高效实现现代经济社会发展和位置服务的重要项目，对提升北斗系统服务质量，满足政府、行业和大众对北斗高精度应用需求，对创造差异化服务优势，加速推进北斗卫星导航应用与产业化具有重要意义。该工程计划分两个阶段实施2015年底前将建成框架网和部分区域加密网基准站网络，并投入运行，提供米级精度的定位服务;2018年底前将建成全国范围区域加密网基准站网络，提供米级、分米级、厘米级和后处理毫米级的高精度位置服务。

4 应用现状

4.1 北斗产业国家政策

2013年10月至今，《国家卫星导航产业中长期发展规划》和《关于促进地理信息产业发展的意见》等相关国家政策的，为北斗产业快速发展提供了强有力的政策支持。北斗系统相关产业会牢牢抓住这一产业的着力点，充分利用政策红利，发挥市场在资源配置中的决定性作用，实现快速发展。

4.2 中国北斗产业格局初步形成

在国家和各地政府有力政策的推动下，全国各地兴起了建设北斗产业园、建立北斗联盟的浪潮。北斗产业目前已经形成五大有鲜明特征的分布区域：以北京为中心的环渤海地区，依托国家部位、卫星研究院汇聚的优势，形成以引进技术设备、重大装备制造为主的产业格局;以西安为主的川渝陕地区，主要依托所在地航天、航空部门的技术、设备、人才等优势，发展以卫星零部件制造为主的产业格局;以上海、南京为主的长三角地区，利用资金、市场等优势，发展以芯片、天线制造为主的产业格局;以广州、深圳、中山为主的珠三角地区，依托区位、资金、机制等优势，发展以引进、组装、制造卫星导航终端产品为主的产业格局;以湖南、湖北为主的中部地区，依托测绘地理信息领域拥有的人才和技术优势，形成以高精度定位服务和地理信息采集、处理、分析为主的产业发展格局。

4.3 行业领域应用初具规模

在行业应用方面，交通领域近30万辆运输车辆批量应用;气象探空和水汽电离层监测方面开展了全面试验验证;民政、公安、海上搜救等领域已启动示范应用;国土资源、旅游、电力等行业示范项目也在积极论证。 此外，广东省打造了基于北斗的公共运营服务平台，开展城市应急管理、智能交通、综合执法、人身安全保障服务、公务用车监管等北斗应用示范;上海市结合智慧城市建设，构建了基于北斗的长三角位置服务公共平台和基础设施，开展车辆监管服务、大众位置服务和高精度定位服务等北斗应用示范;北京、江苏、新疆、湖北、云南、四川等地也在积极组织示范项目论证。

4.4 大众应用全面展开

北斗卫星导航系统正在不断加快向大众市场应用迈进的步伐。截止2014年5月，具备北斗定位功能的近4000万部智能手机已投放市场;国内20余个品牌200余款车型的BDS/GNSS车载导航仪已走向市场，目前，前装、后装市场已完成20余万台的安装和销售;随着芯片小型化、低功耗、低成本的发展，北斗将全面走向大众应用，服务大众生活[12]。

4.5 国际应用取得多项成果

2014年2月，北斗首个海外地基增强站在泰国建成，北斗系统的稳定性、精确性、高效性获得认可。中国已同东盟各国开展基于北斗卫星导航定位系统的应用合作，部分项目已在泰国、马来西亚、老挝、柬埔寨建成，取得良好效果。2014年5月，北斗首个海外组网项目――巴基斯坦国家位置服务网(CORS)一期工程顺利完成。该项目在巴基斯坦卡拉奇市建立了5个基准站和一个处理中心，组成区域北斗定位增强网络，覆盖整个卡拉奇地区，实时定位精度达到2cm，后处理精度5mm，为巴基斯坦提供实时可靠的北斗高精度定位服务。2014年11月，北斗系统正式成为第三个被联合国认可的海上卫星导航系统，为北斗国际化应用推广奠定了基础。目前，中国正在积极拓展国际合作渠道，推动北斗全球应用。

5 关于北斗系统建设和应用推广的思考

5.1 完善北斗系统管理体制

北斗系统的建设和应用推广，关乎我国国防安全和社会经济建设稳定发展。目前，上百家企业和科研机构参与北斗系统的建设和应用推广，各地北斗产业园区更是如雨后春笋般出现，众多公司盲目跟风投资北斗产业。因此，需要在现有体制基础上，进一步完善北斗系统管理体制，实现归口管理，制定科学合理的发展规划，形成政策、科研、资金合力，实现北斗产业可持续发展。

5.2 严格执行精细化质量管理

卫星导航系统是重要的空间信息基础设施，其导航和定时功能，几乎被整合到每一种当代科技的核心之中，已被广泛应用于金融、电力、交通、航空、通信等关乎社稷民生的各个领域。因此，卫星导航系统建设出现质量问题将会发生难以想象的灾难。

北斗系统建设相比GPS、GLONASS有“后发优势”，有成功经验可以借鉴，更有惨痛的失败教训引以为戒。北斗系统作为中国重要的航天工程，应严格执行工程建设精细化质量管理。北斗系统建设精细化质量管理应以提升总体设计，整体优化，有效识别与控制技术风险及快速聚焦，放大和控制关键细节的能力为核心，坚持预防为主，从源头抓起，系统管理，实施全过程精细化质量控制。只有把好质量管理关，才能避免系统建成后可能发生的灾难性故障。

6 结束语

目前，北斗卫星导航系统全球系统建设稳步推进，国内外市场应用取得丰硕成果。随着系统建设的不断推进和系统性能的不断提高，北斗卫星导航系统必将成为可与GPS相媲美的国际化卫星导航系统，造福全球，造福人类。