北斗卫星定位应用（精选7篇）
0引言
北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。北斗卫星导航系统基本信息介绍
中国在2003年完成了具有区域导航功能的北斗卫星导航试验系统，之后开始构建服务全球的北斗卫星导航系统，于2012年起向亚太大部分地区正式提供服务，并计划至2020年完成全球系统的构建。北斗卫星导航系统和美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统及欧盟伽利略定位系统一起，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
1.1 北斗卫星导航系统的定位原理
“北斗一号”卫星导航系统的定位原理与GPS系统不同,GPS采用的是被动式伪码单向测距三维导航,由用户设备独立解算自己的三维定位数据,而“北斗一号”卫星导航定位系统则采用主动式双向测距二维导航, 由地面中心控制系统解算供用户使用的三维定位数据。“北斗”卫星是中国“北斗”导航系统空间段组成部分,由两种基本形式的卫星组成,分别适应于GEO和MEO轨道。“北斗”导航卫星由卫星平台和有效载荷两部分组成。卫星平台由测控、数据管理、姿态与轨道控制、推进、热控、结构和供电等分系统组成。有效载荷包括导航分系统、天线分系统。GEO卫星还含有RDSS有效载荷。因此,“北斗”卫星为提供导航、通信、授时一体化业务创造了条件。“北斗”导航卫星分别在1559MH z～1610MH z、1200MH z～1300MH z两个频段各设计有两个粗码、两个精密测距码导航信号, 具有公开服务和授权服务两种服务模式[1]。
“北斗二号”导航卫星系统体制第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是: 第二代用户机可免发上行信号,不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息,而是通过直接接收卫星单程测距信号来自己定位, 系统的用户容量不受限制,并可提高用户位置隐蔽性。
图1.1北斗卫星导航定位系统定位原理图
1.2 北斗卫星导航系统的系统组成
北斗双星导航系统主要由空间部分、地面中心控制系统和用户终端3个部分组成。空间部分由轨道高度为36000km 的2颗工作卫星和1颗备用卫星组成(一个轨道平面), 其坐标分别为(80°E, 0°, 36000km)、(140°E, 0,°36000km)、(110.5°E, 0°, 36000km)。卫星不发射导航电文, 也不配备高精度的原子钟, 只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。卫星电波能覆盖地球表面42%的面积, 其覆盖的经度为100°, 纬度为N81°～ S81°。其轨道如图1.2所示。
图1.2北斗双星导航系统卫星轨道
地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢,包括1个配有电子高程图的地面中心站、地面网管中心、测轨站、测高站和数十个分布在全国各地的地面参考标校站, 主要用于对卫星定位、测轨,调整卫星运行轨道、姿态,控制卫星的丁作, 测量和收集校正导航定位参量,以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。用户终端为带有定向天线的收发器,用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求,不含定位解算处理功能。根据应用环境和功能的不同, 北斗用户机分为普通型、通信型、授时型、指挥型和多模型用户机5种,其中,指挥型用户机又可分为一级、二级、三级3个等级。时间系统和坐标系统:时间系统采用UTC(世界协调时),坐标系统采用1954年北京坐标系和1985年中国国家高程系统。未来的北斗卫星导航系统(COMPASS)将由分布在3个轨道面上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)和均匀分布在一个轨道面的5颗地球同步卫星构成。非静止轨道上,每个轨道面10颗卫星,其中1颗为备用,轨道倾角为56︒。卫星轨道半长轴约为2.7万km。1.3 北斗卫星导航系统的工作过程
地面控制中心向卫星I和卫星II同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制系统[2]。中心控制系统接收并解调用户发来的信号, 然后根据用户申请的服务内容进行相应的数据处理。对定位申请,中心控制系统测出两个时间延迟: 即从中心控制系统发出询问信号,经某一颗卫星转发到达用户,用户发出定位响应信号,经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟;和从中心控制系统发出询问信号,经上述同一卫星到达用户,用户发出响应信号,经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的,可以由上述两个延迟量计算出用户到第一颗卫星的距离,以及用户到两颗卫星距离之和。从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面,和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上;另外,中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值,又知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。因此,中心控制系统利用数值地图可计算出用户所在点的三维坐标, 并与相关信息或通信内容发送到卫星,经卫星转发器传送给用户或收件人。
北斗卫星导航定位系统的工作步骤如下:(1)地面控制中心向2颗卫星发送询问信号;(2)卫星接收到询问信号,经卫星转发器向服务区用户播送询问信号;(3)用户响应其中1颗卫星的询问信号,并同时向2颗卫星发送回应信号;(4)卫星收到用户响应信号,经卫星转发器发送回地面控制中心;(5)地面控制中心收到用户的响应信号,解读出用户申请的服务内容;(6)地面控制中心利用数值地图计算出用户的三维坐标位置,再将相关信息或通信内容发送到卫星;(7)卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后,经卫星转发器传送给用户或收件人。北斗卫星导航系统的功能优势
北斗卫星导航系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。2.1 北斗卫星导航系统具有的三大功能
（1）快速定位：系统可为服务区内用户提供全天候、高精度、快速实时定位（可在1秒之内完成）、服务，定位精度为20～100m；
（2）短报文通信：系统用户终端具有双向数字报文通信功能，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息；
（3）精密授时：系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与CNSS之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。2.2 北斗卫星导航系统具备的优势
（1）同时具备定位与通信双重功能，无需其它通信系统支持，而GPS、GLONASS只能定位；
（2）覆盖范围较大，没有通信盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务；
（3）特别适合集团用户大范围监控与管理；
（4）独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计。它不仅能使用户知道自己的所处的位置，还可以告诉别人自己的位置所处的地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等；（5）自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用；（6）接收终端不需铺设地面基站，用户终端相对便宜。
（北斗卫星导航定位系统的潜力主要体现在定位通信综合领域上。目前仅需要定位的用户，对北斗的需要不迫切；对于既需要定位又需要把位置信息传递出去的用户，北斗卫星导航定位系统是非常有用的。）北斗卫星导航系统的应用
3.1 北斗卫星导航系统的应用范围
“北斗”卫星导航试验系统自2003年正式提供服务以来，在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象测报、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾和国家安全等诸多领域得到广泛应用，产生显著的社会效益和经济效益。特别是在南方冰冻灾害、四川汶川和青海玉树抗震救灾、北京奥运会以及上海世博会中发挥了重要作用。
1）在交通运输方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的“新疆公众交通导航监控系统”、“公路基础设施安全监控系统”以及“港口高精度实时定位调度监控系统”等应用推广工作，取得了良好的示范效果。
2）在海洋渔业方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的海洋渔业综合信息服务平台，为渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。
3）在水文监测方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的水文监测系统，实现多山地域水文测报信息的实时传输，提高灾情预报的准确性，为制订防洪抗旱调度方案提供重要的保障。
4）在气象测报方面，成功研制一系列气象测报型“北斗”终端设备，形成实用可行的系统应用解决方案，解决中国气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输问题。
5）在森林防火方面，“北斗”卫星导航试验系统成功应用于森林防火系统，其定位与短报文通信具有较好实际应用效果。
6）在通信时统方面，成功开展“北斗”双向授时应用示范，突破光纤拉远等关键技术，研制出一体化卫星授时系统。
7）在电力调度方面，成功开展基于“北斗”卫星导航试验系统的电力时间同步应用示范，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。
8）在救灾减灾方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。
“北斗”卫星导航系统建成后将为民航、航运、铁路、金融、邮政等行业提供更高性能的定位、导航、授时和短报文通信服务。3.2 北斗卫星导航系统的应用特点
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[3]。北斗卫星导航定位系统主要应用特点如下[4-5] : 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70°～145°,北纬5°～55°,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(1δ)为20m(不设标校站区域100m),双向授时精度20ns(单向授时精度100ns),与GPS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5s,二类用户2s,三类用户1s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。系统一般用户1次可传输36个汉字,经核准的用户利用连续传送方式1次最多可传送120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GPS、GLONASS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GPS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1s，即用户终端机最快可在1s后完成定位。这1s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)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54万次的服务:一类用户机(适合于单人携带使用)10000～20000个,5～10min服务一次;二类用户机(适合于车辆、舰船使用)5500个,10～60s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。目前该系统在军事领域的应用,受到了一定的制约。3.3 北斗卫星导航系统的应用现状
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[6-7]。
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0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GPS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GPS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
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2002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。3.4 北斗卫星导航系统应用的主要制约因素
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[8] : 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关键元器件国产化问题。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。北斗卫星导航系统与GPS功能特点的比较
1．覆盖范围：北斗卫星导航系统主要覆盖我国本土的区域性、全天候导航系统。覆盖范围东经约70°～140°，北纬5°～55°。GPS是覆盖全球的、全天候导航系统； 2．卫星数量和轨道特性：北斗卫星导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°轨道面赤道角距60°；
3．定位原理：北斗卫星导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据；
4、定位精度：北斗卫星导航系统为三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码已由16m提高到6m，C/A码已由25～100m提高到12m，授时精度约20ns；
5、用户容量：北斗卫星导航系统由于是主动双向测距的询问—应答系统。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，北斗卫星导航系统的用户容量是有限的。GPS是单向测距系统。用户只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此，GPS的用户容量是无限的。北斗卫星导航定位系统存在的问题与不足
1．定位服务区是区域性的。不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位；
2．同时容纳的用户数量有限。北斗卫星导航系统同一时间要接收地面用户群发来的信息，用户群的个体数量是受限制的；而GPS只发信号，多少用户接收都没关系，数量可以无限；
3．无法为快速移动物体提供准确的定位服务。北斗卫星导航系统用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球同步卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此，对于高速运动体，加大了定位的误差，军事方面应用受到限制；
4．主控站位置容易暴露受攻击、干扰。北斗卫星导航系统是基于中心控制系统和卫星而进行的工作，且定位解算由中心控制系统完成，对中心控制系统依赖性强。一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作。而GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行；
5．管理复杂、层次多，容易出错。地面控制中心要同时分析处理几万到几十万的用户资料，判断密码、定位、以及返回的情报，而且这些用户单位所属各不一样，应急的级别也不一样，处理起来决不是容易的事； 6．地面用户的设备体积大、造价高。提高北斗卫星导航系统的建议
提高北斗卫星导航系统的性能，可以从以下几点着手。第一，扩大北斗卫星定轨观测网，提高广播星历精度；第二，优化北斗卫星导航电文内容，便于用户接收使用；第三，播发北斗与其他系统之间的时差信息，扩大北斗的应用市场；第四，研发北斗卫星自主导航技术，提高抗毁能力；第五，研发MEMS化北斗卫星，建设全新北斗星座。结语
不同于美国全球定位系统 (GPS) 及俄国格洛纳斯卫星导航系统
(GLONASS) 星座由单一的MEO卫星组成, 北斗系统星座不但包含了MEO卫星, 同时还有GEO卫星和IGSO卫星。GEO卫星周期和地球自转周期一样, 并且GEO卫星轨道面和地球赤道面重合, 相对地球静止不动。IGSO卫星的轨道高度和GEO卫星的轨道高度一样, 但是和地球赤道面形成55°夹角。IGSO卫星轨道周期和地球自转周期一样。相对于地球上的观测者, IGSO卫星轨迹形似 “8”字。由于北斗系统星座与其它卫星导航定位系统有很大区别, 所以很有必要对其进行分析。
1 北斗系统导航卫星在不同纬度下的可视分析
过去有诸多学者对北斗系统的星座进行过分析, 但大多基于仿真数据。如利用仿真数据分析北斗系统星座, 探讨北斗系统星座在不同区域的可视性。该文分别以北京和近赤道地区为例计算卫星的天空视图, 结果显示, 在亚太低纬度地区, BDS的GEO和IGSO卫星全部在视野以内。在高纬度地区 (北京) , GEO卫星全
部在视野以内, 且全部分布在观测者视野的南半部分, IGSO卫星会在某些时刻运行到视野以外。为了更加客观地分析北斗系统的特点, 收集了一个轨道周期的北斗系统广播星历数据 (日期为2012年5月29日) 。其计算结果表明在亚太地区赤道附近, 所有的GEO与IGSO卫星都可视, 并且GEO卫星分布在东西方向的正上空。IGSO卫星在整个轨道周期都可跟踪到, 并且卫星高度角在整个轨道周期内大于22.5°。在亚太高纬度地区 (北京) , GEO卫星分布在观测者视角的南半部分, IGSO卫星部分时刻会运行出视野以外, 但大部分时候, IGSO卫星相对于地球上高纬度地区观测者可视。和GPS、GLONASS等卫星导航系统比较起来, 对于亚太地区的观测者, 北斗系统卫星星座具有更加高效的利用率。
2 北斗系统相对静态定位精度性能分析
目前为止, 北斗系统已经能为亚太地区提供无源定位服务。为验证北斗系统相对静态定位精度, 在北京地区利用两台BDS/GPS接收机收集了6期 (每期观测时长为20 min) 静态数据, 接收机的采样频率设置为1 Hz, 基线长度约633 m, 为了降低多路径的影响, 卫星截止高度角设为15°。采用基于MWWL组合观测值和总电子含量变化速率技术探测与修复北斗系统和GPS相位观测值周跳。这种周跳探测方法能够精确探测与修复载波相位观测值上的小周跳。利用双差相位观测值组成观测方程, 可估计出位置参数与整周模糊度浮点解, 并用最小二乘降相关分解法方法进行整周模糊度的固定, 回代观测方程, 可估计出高精度的基线向量, 结果见图1及图2。
图1和图2结果表明, 单独利用北斗系统和GPS进行基线估计, 两者的精度相当。我国北斗系统已经具有为亚太地区测绘及相关部门提供高精度的定位服务能力。
3 北斗系统实时高精度动态定位精度性能分析
GPS已广泛应用于实时高精度动态定位领域, 为大坝、桥梁等大型工程提供安全监测提供技术手段。利用单历元算法 “实时”分别处理15 min北斗系统和GPS观测值, 得到三个坐标轴方向误差的时变序列 (见图3) 。在X轴与Y轴方向上, GPS误差小于北斗系统。Z轴方向上, 北斗系统与GPS误差相当。
4 结语
到2012年底, 北斗系统已能为亚太地区提供无源导航定位服务。该文利用BDS/GPS双频接收机接收广播星历和观测数据, 计算北斗系统卫星一个轨道周期内的卫星位置, 并分析北斗卫星在亚太地区不同纬度情况下的可视情况。结果表明北斗卫星的利用率在亚太地区比GPS卫星更好。在近赤道地区, 所有北斗系统的GEO和IGSO卫星在整个轨道周期内都为可视;在高纬度地区, GEO卫星在整周轨道周期内可视, IGSO卫星在大部分的轨道周期内都可以被高纬度地区北斗系统接收机跟踪到。分别以6期 (每期20 min) 北斗系统和GPS静态观测值计算基线, 两者的精度相当, 最大偏差不超过4 mm。利用单历元算法 “实时”计算每个历元的位置变化量, 在X轴和Y轴方向上, 北斗系统的精度比GPS稍差, 在Z轴方向上, 北斗系统的精度和GPS相当。同时, X轴和Y轴上出现的较大误差并没有一种随机性, 随着北斗系统的建立和完善, 这种误差一定能够得到有效地去除和削弱。
摘要：该文通过收集北斗导航卫星的实际数据, 计算北斗系统卫星一个轨道周期内的卫星位置, 并分析北斗卫星在亚太地区不同纬度情况下的可视情况。结果表明, 北斗卫星的利用率在亚太地区比GPS卫星更好。
关键词：北斗,导航卫星,定位性能,精度
参考文献
[1]刘路沙.北斗卫星为神州导航[J].中国测绘, 2010 (4) :24-25.
(上海海事大学商船学院，上海 201306)
目前，3种主流的海上船舶监控形式［1］有沿海CDMA网络监控，海事卫星监控以及结合AIS的VTS监控.沿海CDMA网络监控只能在沿海有CDMA信号的地区使用，比较适合近岸运输船舶.海事卫星监控虽然不受船舶所在海区的限制，可以较好地实现全天候监控，但海事卫星通信费用昂贵，不适合持续监控.虽然AIS覆盖的船舶范围非常广泛，目前全球任何500总吨以上的船舶都强制安装AIS系统，但AIS系统发射的信号传输距离有限，存在监控盲区.当船舶在远洋中航行时，其AIS信息往往不能被岸基AIS基站接收，从而使其失去监控.
几年前，美国、挪威等国家开始利用低轨卫星接收其覆盖范围的船舶AIS信息，从而实现远离陆地区域的船舶动态监控，但由于卫星数量较少，不能连续采集同一地区的船舶AIS信息，因此获得的船舶动态信息实时性较差.船舶远程识别与跟踪系统(LRIT)利用卫星定位和卫星通信技术获取本船的位置与时间信息，并发送给船旗国所指定的数据中心进行储存和处理.［2］目前，并不是所有船舶都已配备LRIT，尤其是内贸船舶.对于没有配备LRIT的船舶，进入陆地AIS基站监控盲区时就无法被监控.此外，LRIT通信费用昂贵，不适合连续监控，实时性较差.
利用北斗卫星导航系统(简称北斗)转发本船AIS信息［3］的做法对装有北斗设备的船舶是有效的，但目前还有很多船舶没有配备北斗设备，因此这些船舶不能得到有效监控.本文结合AIS和北斗的优势，用北斗转发本船和周围船舶的AIS信息，使没有配备北斗设备的船舶也能得到有效监控，且通过北斗卫星通信要比通过其他卫星通信成本低，从而既可以使监控区域覆盖陆地AIS基站的盲区，又可以不用付出与其他卫星通信一样的昂贵代价.另外，还在AIS数据中添加优先权(priority)字段，用于实现对指定船舶的搜索.
一个时段内本船接收到的AIS信息数据量往往较大，而北斗的短报文通信能力有限.为了有效利用北斗的短报文通信功能，有必要对接收到的AIS信息采取一系列处理措施，减少数据冗余.AIS数据冗余主要有以下几种形式:重复数据冗余、无用数据冗余、数据表示冗余、编码冗余等.首先通过数据预处理和数据压缩减少AIS数据冗余，然后利用北斗转发处理过的数据.数据处理总流程见图1.
数据预处理的主要目的是去除重复数据冗余，无用数据冗余以及数据表示冗余，主要包含如下几个部分，见图2.
(1)数据获取.主要通过时间过滤和字段筛选减少数据量，达到减少无用数据冗余的目的.(2)数据过滤.主要进行重复数据过滤.(3)去除数据表示冗余.通过差值法减少表示相同信息量所需要的数据量.(4)数据重组.去除数据表示冗余后，数据在转发后要想恢复原样就必须在数据中加上某些数据(数据头)，将数据中相应项和数据头中相应项相加才能得到原来的数据.
2.1 数据获取
本船接收到的周围船舶AIS信息并非都有用.比如想知道某船舶目前的位置，如果数据库中有该船当前时刻或最近很短时间内的AIS信息，那么该船几个小时前的数据就会是无用数据或是之前被发送过的数据.因此，有必要对AIS数据进行时间过滤.另外，AIS信息中包括很多字段，对于特定的应用只需要某些特定字段，例如对于船舶动态监控而言，只需要海上移动识别码(mmsi)、经度(lon)、纬度(lat)以及更新时间(updatetime，以下简称ut)等字段.因此，还可以通过字段筛选减少数据量.这里主要研究定位字段.
定义tg为时间间隔，tp为过去某时刻，tn为现在时刻，则只需获取时间区间TR=［tp，tn］内的数据，而在tp时刻以前的数据可以近似认为是无用数据.其中
式中的tg须根据具体情况决定.例如，根据北斗转发AIS数据的速度，使得北斗正好在某个tg时间内转发完所有应发的AIS数据，这样就能保证所有有用的AIS数据都有机会被转发.
为了实现对指定船舶的定位，船载AIS接收端在接收到的AIS数据后加上优先级(priority)字段，使指定船舶的AIS信息能优先被转发.
2.2 数据过滤
通过减少重复数据的转发，达到减轻北斗负担、提高北斗有效利用率的目的.
如果某船舶(称为A船)的AIS数据没有更新且已通过北斗转发或更新过，但是其经度和纬度与该船之前的AIS信息的相应字段的差值——经度差(londiff)和纬度差(latdiff)分别小于经度差阈值(londiffT)和纬度差阈值(latdiffT)，则称该AIS数据为重复数据.已经通过北斗转发的AIS数据显然是重复数据，没有必要再转发一次.而之所以把经度差和纬度差都小于相应阈值的更新过的AIS信息定义为重复数据，是因为在这种情况下A船基本没移动，其位置可近似认为没变化.
记A船在t时刻的AIS数据为AIS_t，且设t2=t1+Δt，其中t1为上次从数据库中取数据的时刻，t2为当前从数据库中取数据的时刻，若
或
其中
则在t2时刻取到的A船的AIS数据为重复数据，故丢弃该数据.
设usefullais为用于存储已发送AIS信息的数据库表，则数据过滤的流程见图3.
图3 数据过滤
2.3 去除数据表示冗余
筛选出的AIS信息各字段的类型见表1.
表1 AIS信息各字段类型
从表1可以看出，前4个字段所占的空间都比较大，而本船与周围船舶之间的距离都不远，在纬度上相差1'近似于距离上相距1 n mile，经度上略有出入，但也可以作为近似估计.所以，周围船舶与本船的经度差和纬度差应该很小.于是，采用差值法，用经度差和纬度差代替经度和纬度进行传输，然后在救助指挥中心用相反的过程恢复其经度和纬度.
另外，updatetime 的格式为 yyyy－MM－dd hh－mmss.s.注意到周围船舶AIS的更新时间与本船AIS数据在年、月、日上更新时间绝大多数情况下相同，甚至小时也相同.如果用本船AIS数据更新时间减去周围船舶AIS数据更新时间，其差就只包含时、分、秒、小秒，甚至连时也没有，这样就可大大缩短ut的长度，从而达到压缩的效果.程序如下:
2.4 数据重组
通常，北斗转发信息时一条北斗报文包含很多条AIS数据信息，各AIS信息之间优先级可能不一样，因此通过北斗转发周围船舶AIS信息时，需要按照某种标准判断某AIS信息的重要性.例如，要让基站了解本船周围的船舶情况，离本船较近船舶的AIS信息就显得重要些;再如，若基站指定要查找某条船(比如A船)，则A船的AIS信息就显得格外重要.因此，数据重组的过程还应该包括优先级的计算，各AIS信息的排序，以及一条北斗信息所包含的AIS信息数目的设定等.
一般情况下，以距离和等待时间作为优先级的判别因素，要想得到优先级，就得先求出距离d.本船与A船的距离［4］见如下程序:
则优先级取值规则程序如下:
若某数据A不满足
则令
其中:
pTime为开始数据重组的时刻.
一般情况下，d值越小的船舶在某种程度上对本船影响越大，故其AIS数据的优先级应该越大;但是，如果只考虑距离因素可能导致饥俄现象，即d比较大的数据永远都得不到转发，于是又增加等待时间因子，等待的时间越长，其优先级越大.总之，一般情况下优先级与距离成反比，与等待时间成正比.
有了priority就可以进行排序，而采用的数据排序算法是最大堆优先级排序法［5］.堆数据结构是一种数组对象，它可以被视为一棵完全二叉树，树中每个节点与数组中存放该节点值的那个元素对应.而最大堆是这样一种堆结构:除了根节点以外的每个节点 i，有
即某个节点的值至多与其父节点的值一样大.
假定每次都依次选取前NUM条处理好的AIS数据进行数据重组，则重组后的数据格式见表2，数据重组的流程见图4.
表2 重组后的数据格式
图4 数据重组流程
数据预处理部分是从过滤和差值的角度减少数据量，得到的数据必须是精简的数据.为了更进一步减少数据量，从压缩算法的角度着手.目前数据压缩的算法分为有损压缩和无损压缩［6－7］:无损压缩主要有霍夫曼编码、算术编码、香农－范若编码、行程编码(RLE编码)、LZW编码以及无损预测编码等;有损压缩主要有DPCM(Differential Pulse Code Modulation)编码、DM(Delta Modulation)编码、DCT变换编码、小波变换编码等.由于文本压缩只能使用无损压缩，而无损压缩中LZW编码的效果相对最好，但因为LZW编码对小数据压缩的效果有时不稳定，所以文本直接用java中的GZIPOutputStream和Byte－ArrayOutputStream［8］进行压缩.实验结果表明其字符串压缩率平均值在29%左右.
北斗卫星每次转发的字节数有限，每次发射的电文长度不超过120个汉字［9］，而经过上述步骤后的数据较大，因此在转发数据时要先拆分数据.为了在接收端能将数据重新组合，必须在每条拆分的数据前用序号标志，称之为数据报头.格式如下:
其中:第1，2个字节表示原数据被拆分成的条数;第3，4个字节表示该数据在原数据中的序列号;最后两个字节表示该原数据在所有数据中的序列号.
这样，在接收端根据数据报头判断该数据是否已经接收完整，若接收完整就抛弃数据报头，组装数据，然后进行CRC校验;若校验结果正确，则解压组装后的数据，若校验结果不正确，则丢弃该数据.具体流程见图5.
图5 北斗发送与接收
图6显示字符串压缩率和总压缩率.由图可知字符串压缩率在20% ～40%之间，其平均值约为29%;其总压缩率的平均值约为2.9%，总压缩率的取值落在1%～6%之间，与字符串压缩率相比，其压缩效果更明显.总压缩率由数据预处理和字符串压缩两部分组成.数据预处理过滤掉很多无用数据、重复数据以及表示冗余数据，大大减少数据量.随着间隔tg取值的不同，重复数据量也会有所不同，因此数据预处理效果的好坏与tg的选择有关.如果tg过小，则重复数据过多，这样虽然总压缩率提高，但是系统做了很多无用功;如果tg过大，则某些数据有可能永远都得不到发送.因此，在实践中要根据实际情况调整tg的值.
图6 压缩率
6.1 对遇险船舶的救助
若A船在某处遇险，其通过卫星发出遇险信号，岸上指挥中心根据A船位置以及其周围船舶的情况指挥救助.若A船恰巧在陆上AIS基站的监控盲区，则岸上指挥中心就不能掌握A船的实时信息，不利于救助.此时，若A船上配备有本文研究系统，则可以通过北斗卫星导航系统优先转发本船的AIS信息，同时也转发周围船舶的AIS信息以便岸上指挥中心了解A船位置及其周围船舶的分布情况，使岸上指挥中心能更好地指挥救助;若A船没有配备本文研究系统，但其周围有船舶能接受到A船的 AIS信息，并配备有本文研究系统，则岸上指挥中心同样能了解A船的位置和其周围船舶分布情况.结果见图7.
图7 对遇险船舶的救助
6.2 指定船舶监控
当基站需要知道A船的位置时，可以通过北斗发送一条命令，系统接到命令后，在船载AIS终端接收到A船AIS数据时，直接在该AIS数据后添加priority字段并令其值为MaxPriority，则系统会优先转发该数据，从而达到指定船舶监控的功能.
针对陆上AIS基站存在监控盲区这一缺陷，通过集成北斗卫星导航系统和AIS系统，在合理利用北斗卫星导航系统的短报文通信前提下，有效增大AIS数据采集范围，使船舶动态监控范围覆盖陆地AIS基站的监控盲区.与传统船舶动态监控技术相比具有如下特点:
(1)船舶动态监控范围扩展到陆地AIS基站的监控盲区;(2)实现指定船舶监控功能;(3)可以用作海上移动AIS中转站，实现对处于陆地AIS基站盲区且未配备北斗系统船舶的监控;(4)有效压缩AIS数据，降低北斗卫星导航系统传达相同信息所需转发的数据量.
陆地AIS基站盲区的船舶AIS数据采集也可以通过其他卫星系统实现，但通过北斗卫星导航系统实现成本相对较低.北斗带宽有限，因此采用一系列措施降低船舶AIS数据的传输数据量.
程序中的时间间隔tg对性能影响较大，因此选择合适的tg很重要，目前在实践中主要通过人工选择来调节tg的值.在接下来的工作中，将进一步研究如何实现tg的智能调节.
［1］黄健伟，陆悦铭，李义斌.AIS时代VTS面临的新课题［J］.上海海事大学学报，2007，28(3):21－23.
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［8］ECKEL B.Thinking in Java［M］.4 ed.Upper Saddle River:Prentice Hall，2007:698－701.
甲方：益阳市达安运输有限公司
（以下简称甲方）乙方：益阳市星宇赛格科技有限公司
（以下简称乙方）
为了更好地利用科技手段，对驾驶员的操作规范实时监控，对违规操作行为能得到及时的制止，达到安全行车的目的，甲方全权委托乙方对甲方车辆的GPS、北斗卫星终端实施监控。有关双方的监控事宜达成如下协议：
一、乙方为甲方危险化学品营运车辆所安装的GPS、北斗卫星终端由甲方委托乙方实施监控。乙方必须严格实施24小时监控制度，并形成规范的监控记录。
二、乙方必须确保甲方终端24小时正常运转，出现故障要在24小时内修复，确保上线率达90%以上。如因乙方原因查不到运行记录，影响甲方办理相关业务，造成的损失由乙方承担。
三、乙方保证所安装产品符合交通运输部所公告认定的“两客一危”营运车辆的终端产品要求。
四、甲方必须积极配合乙方安装、维护终端，防止人为损坏终端。
五、乙方在对甲方车辆实施监控过程中，发现驾驶员的违规行为要及时通知、制止，如有不听监控人员电话的要及时告知甲方负责人。
六、乙方当天的监控记录必须在第二天上午10点及时传递给甲方。
七、乙方对甲方车辆的超速、超载、超时驾驶行为实施监控,如有监控不到位或违规行为未及通知的，甲方可以对乙方实施经济处罚，其行为所引起的法律责任由乙方全部承担。如乙方工作人员玩忽职守，甲方有权终止执行本协议。
八、甲方终端在运行过程中出现停机情况，甲方将扣除本台车辆当月的服务费。
九、如甲方未按时没有交纳服务费，则一切责任与乙方无关。
十、此协议有效期自 2015 年 元 月 1 日起缴费有效，在此之前的安装与缴费，甲乙双方互不追究。
十一、甲乙双方务必恪守本合同。如有争议，双方协商解决；协商不成，向人民法院提起司法诉讼。
十二、此协议一式两份，甲乙双方各执一份，双方签字生效，具同等等法律效力。
甲方：
乙方：益阳市星宇赛格科技有限公司 代表签字：
代表签字：
****年**月**日
在之前的时间里，我国的北斗人在这里先后发射了54颗北斗卫星。这组网内的最后一颗卫星成功升空并步入轨道，标志着北斗系统全球组网的全面完成，意义极其重大。今后，北斗系统将广泛应用于手机导航服务、智慧城市建设、现代农业发展、灾害预警预报、实施抢险救灾等方面，为人民的生产生活各领域提供优质服务，是保障民生和安全的“千里眼”。
北斗是我们当之无愧的“国之重器”。北斗是中国北斗卫星导航系统的简称。北斗系统今天的高光时刻背后，是几代北斗人的不懈努力。我们用20多年时间，走完了国外在卫星导航系统方面40年的发展道路，创造了世界卫星导航发展史上的奇迹。回顾20多年的历程，我们一路艰辛。自上世纪80年代起，我国就开始着手探索发展卫星导航系统，经过一代代科学家的不懈努力，我国于底建成了北斗一号系统，向本国提供服务;于底建成了北斗二号系统，向亚太地区提供服务;今年全面建成了北斗三号系统，将向全球提供服务。这是我国自主建设、自行研制、独立运行的三代全球卫星导航系统，是当之无愧的国之重器，是我们中华民族的骄傲。
北斗将让我们真切感受“科技改变生活”。北斗导航系统是我国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能最高的巨型复杂航天系统，是与百姓生活关联度最紧密的公共服务系统。系统建成后，可以极大地方便我们的生产生活。它可以提供静态厘米级、动态分米级的高精度定位、0.2米/秒的测速服务，精准定位服务可达到10米级精度。它可以为国家提供准确的海洋监测数据，为海上作业提供精准的天气服务。它将使我们手中的手机应用更加广泛，变得更智能。它将为无人驾驶的农业机械提供导航服务，极大地提高效率解放人力，促进农业现代化进程。它将为森林防火、林业资源保护、应急救援提供精确的数据信息。它将使我们的车辆定位、导航、无人驾驶等更加精准，智慧交通将更加安全。它将使国际合作更加广泛，在能够为全球提供优质服务中，让我们在国际上的“朋友圈”持续扩大。
北斗已成为我国综合国力的“太空标签”。北斗卫星的成功发射，不仅是“中国速度”，更是一种“中国精度”，是国家的太空基础设施。目前，虽然外国的GPS系统综合性能暂时领先全球，但我们的北斗系统正在逐步赶超之中，并且在测速与授时精度方面，北斗三号已与GPS全球授时精度持平;在增强系统加持下精度可达1米，已远远优于GPS全球定位的精度水平。北斗系统的全面建成，必将为我国卫星导航产业新一轮发展提供强大推力，这意味着我国卫星导航服务的规模化、产业化、国际化水平正进一步提升。我们坚信在不久的将来，北斗系统必将实现超越，领先全球。
北斗卫星的短报文通信功能是美国GPS和俄罗斯GLONASS都不具备的特殊功能,是全球首个在定位、授时之外具备报文通信为一体的卫星导航系统。
北斗卫星短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能,一般的用户机可一次可传输36个汉字,申请核准的可以达到传送120个汉字或240个代码。短报文不仅可点对点双向通信,而且其提供的指挥端机可进行一点对多点的广播传输,为各种平台应用提供了极大便利。
指挥端机收到用户机发来的短报文,通过串口与服务器连接并且以JAVA或其它语言编写的通信服务解析数据,通过短信网关转发至普通手机,以及通过通信服务可实现普通手机往用户机发送短报文功能。
1 短报文通信特点
北斗报文通信相比较其它的卫星通信方式具有以下特点 :
(1)北斗通信申请的信道的分析
通信申请的用户机端通过“北斗”卫星与其他的用户机建立通信申请的链接,类似互联网通信的链路层,只不过北斗通信是通过卫星无线互连。“卫星TCP/IP传输技术”中定义的链路层不仅仅指整个系统的通信链接,而是在其的基础上高了一个层次。“北斗”卫星通信的实际链路中并没有实现链路控制功能,类似与互联网的物理层。可以类比,数据丢失率类似链路的差错率,通信频度类似于传播延迟,信息往返同样也存在信道的不对称性。
(2)通信频度和通信量的限制
根据北斗卡的不同级别,北斗卡可以支持的报文通信可分为两个级别,普通用户通信频率为120汉字 / 次 ;三级北斗卡发送短报文时间频率为1分钟一次。
(3)数据格式的种类
根据需要,可以选择北斗通信申请的短报文两种数据类型,一种是通常汉字通信采用的ASCII码的方式,另一种为BCD码方式。
(4)其它通信过程中干扰因素和制约因素
北斗短报文通信除了易受天气等环境因素的影响,数据传输误码率比较大的限制外,其发送短报文的长度和频率也影响了其民用的灵活性。但其在救援救急上应用还是起到较好的补充和保障。
2 北斗短报文的通信技术原理
指挥机端可通过串口获取发送至其的数据,并通过JAVA等编码程序接收并处理数据,以实现各种应用。
串口非同步传送,参数定义如下 :
(1)传输速率 :19200bit/s(默认),可根据用户机具体情况设置其他速率 ;
(2)1 bit开始位 ;
(3)8 bit数据位 ;
(4)1 bit停止位 ;
(5)无校验。
serial Port.set Serial Port Params(115200,Serial Port.DATABITS_8,Serial Port.STOPBITS_1,Serial Port.PARITY_NONE);
2.1 短报文通信信息类别
2.2 北斗报文的通信服务
(1)用户机发送短报文至用户机
北斗用户机发送短报文至用户机一般走卫星通道直接发送。但是如果用户机卡绑定了一张主卡的话,子卡的用户机发出的短报文将会往主卡的指挥机发一份短报文。
此时,主卡的指挥机将具有了广播的功能,主卡指挥机可以向绑定其的所以子卡广播短报文。类似与短信群发的功能。此功能可应用在海洋船舶系统中的天气播报、紧急通知等。
由于北斗卡的级别限制,北斗短报文将有1分钟或30秒才能发送一条短报文的限制。一般用户机内将会以队列的方法控制短报文按顺序一条条的发送。但是指挥机端或用户机接收端的接收短报文无时间限制。
(2)用户机与普通手机互发短报文
北斗用户机向普通手机发送短信,需要经过指挥机端的通信服务进行转发。其原理为 :北斗用户机发送短报文发至指挥机,指挥机端的通信服务通过串口收到短报文。判断短报文内容的前11位为手机号码时,北斗指挥机端基于JAVA通信服务通过识别手机号,将其短报文通过网络推送至短信网关,再由短信网关发至目标手机,以实现无信号无网络覆盖地的北斗用户机可与普通的手机之间的短报文通信功能
相反,普通手机也可以向北斗用户机发送短报文。指挥机端的通信服务收到来自手的短信之后,通过识别短信内容的前6位判断其发送目标,通过调用指挥机端的接口,采用指挥机发送至用户,达到普通手机发送短信至用户机的功能。
(3)用户机与平台或手机App互发短报文
北斗用户机与网站平台或者手机App互发短报文。其是在用户机和普通手机通信的基础上封装的比较友好的应用,以满足使用者的操作。
2.3 北斗短报文紧急救援
北斗短报文提供了紧急通道,此通道无时间限制,可以按照设定的时间间隔,不断发出求救信息。但是此求救信息会消耗普通短报文的时间。
比如,正常一条短报文直接的时间间隔是1分钟。如果连续发送5条紧急求救信息,将消耗用户机5分钟的时间,此5分钟内用户机将无法发出任何短报文。
一般紧急救援的短报文发送提供设备按钮或者软件按钮,以最简便快捷的方式提供给用户,以便紧急情况下使用。
3 应用
北斗卫星导航系统应用前景十分广阔。比如,我们可以使用安装北斗卫星导航的手机或车载卫星导航查询需要走的路线。或者监控物流车辆、公共车辆的行驶轨迹,已经通过接有外设传感设备的北斗设备监控车辆的行驶速度、停车时间、驾驶时间等。
此外,你还可以向紧急救援服务单位提供移动信号中断,如地震、灾难时的紧急救援的文字信息等。或者提供喜欢去偏远地区远足的人提供查询最近的停车位、餐厅、旅馆等,以及无信息覆盖的遇险情况下的求救服务等。
当在无信号覆盖的沙漠、偏远山区、以及海洋等人烟稀少地区进行搜索救援时,北斗设备除导航定位外,还具备短报文通信功能。人们通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况,有效提高救援搜索效率。
摘要：介绍北斗卫星一代短报文通信技术原理和关键技术以及应用
【摘 要】 为实现集装箱船舶安全、快速的现代化移动办公机制以及高效的海上救援定位，提出通过利用北斗卫星导航系统建立船岸统一的管理信息平台。北斗卫星导航系统的优越性包括：覆盖范围广，基本覆盖我国海区；定位精度高，同时还具有数字报文通信以及授时功能；北斗卫星的定位服务为全免费，通信服务为包年方式，价格相对于海事卫星非常低廉。北斗卫星导航系统以信息集成为基础，实现船岸数据的共享，保证船舶运输企业业务流程顺畅，提高船舶安全控制、成本控制、船舶监控、船舶机（海）务管理等运营管理水平。
【关键词】 北斗卫星；导航；集装箱船舶；救助；船舶自动识别系统
作为一种先进的运输方式，集装箱船舶运输业发展越来越快。由于其运营的特点，集装箱船舶运输企业经营管理面临巨大的挑战：既要保证安全、准班、环保，又要控制成本，实现效益的最大化。这无疑对船队的管理水平提出了更高的要求，既要在确保整个企业运营层面上实现全局战略优化，又要在船舶控制层面上实现快速、安全、准班、适航和环保。针对集装箱船舶运营管理的现状，寻求提高管理水平的途径，克服目前管理上存在的症结问题，仅凭制度的改革和人员素质的提高是无法实现的，必须依赖现代科技的发展和应用，建立船岸统一的管理信息平台。稳定、快捷、范围广的通信手段是应用现代科技的基础条件。
1 常见的岸船通信方式
船舶自动识别系统（AIS）由岸基（基站）设施与船载设备共同组成，在船舶通信中应用广泛，但此系统在渤海湾部分海域存在盲区，会造成船舶与外界失去联系，给安全生产和调度带来非常大的隐患。
2G，3G，4G等移动通信网络，信息传输速度比较快，但在船舶离岸20～30 n mile以后设备就无信号，无法承担在茫茫渤海湾以及我国沿海航行中的通信任务。海事卫星以及其他卫星通信方式价格高昂，是北斗卫星通信价格的数十倍，对很多支线船舶运输企业来说并不经济。
作为近年来新兴的通信手段，北斗卫星通信异军突起。2012年，北斗卫星导航系统已完成对亚太部分地区的覆盖并正式提供定位服务。使用北斗卫星导航系统传输船舶定位数据，具有传输稳定、功耗低、后期维护费用低廉等优点。
2 北斗卫星通信性能
“北斗一号”卫星系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。“北斗一号”导航通信定位系统由3颗地球同步卫星（两颗工作卫星分别在80€癊和140€癊，在轨备用卫星在110.5€癊）、一个地面中心控制系统、标校系统和各种用户机等组成。在我国大陆、台湾、南沙及其他岛礁，我国领海，日本海，太平洋部分海域及周边部分地区，该系统可为时速为1 000 km以下的中、低动态用户和静态用户提供每小时54万次以上的定位、通信、授时服务。与陆基导航定位系统相比，“北斗一号”卫星系统具有更优越的性能：（1）覆盖范围广，其覆盖范围是5€啊？5€癗，70€啊？40€癊之间的心形区域，基本覆盖我国海区；（2）定位精度高，静止水平误差是20 m，运动水平误差是100 m，经过校标可达到€？0 m，同时还具有数字报文通信以及授时功能。更值得一提的是，北斗卫星的导航定位服务为全免费，通信服务为包年方式，价格相对于海事卫星更低廉。因此，“北斗一号”卫星导航定位系统在渤海湾以及我国沿海的航海上有很大的应用前景。
北斗卫星导航系统对船舶通信业务增值服务的拓展，为船舶运输企业解决岸船之间信息交换提供了技术保障。在现行船舶通信技术的基础上，集现代通信技术、信息技术、数据采集处理技术及航行信息、货物数据、管理信息、人员信息为一体的思路，建设船岸一体化管理平台，可以给船舶管理带来新的思路和方向。
3 北斗短报文在船舶信息传输中的应用
北斗短报文是北斗卫星导航系统特有的功能，指卫星定位终端与北斗卫星或北斗地面服务站之间能够直接通过卫星信号进行双向信息传递，不依赖于其他通信网络。在灾害发生地区移动通信中断、电力中断或移动通信不能覆盖等情况下，北斗卫星终端可以利用短报文方式进行通信，实现定位信息和远程信息交互等。该技术适用于应急救灾、野外作业、远洋作业等系统。
船载信息机与北斗卫星终端相连接可实现数据传输的双向性。北斗短报文通信每次服务只能完成120个汉字（军用）或60个汉字（民用）长度的电文通信，当超出最大电文长度的电文信息传输时，发送端将电文拆包（每包长度为最大电文长度）分多次发送，接收端待收全一条完整的电文信息后，再将接收到的电文信息进行拼包，最后集中显示。这是目前大报文传输的普遍做法。船舶信息和安全数据往往超过60个汉字的长度，需要拆成多包发送。
目前，北斗卫星系统的信道传输质量是10-5，也就是说，平均传输105个 bit可能产生1个错误。一般北斗电文最长为 bit，假设平均长度为 bit，那么，每个包出现错误的概率为10-2，即1%，成功的概率为99%。如果1条预警信息需要发送n个包，即整个预警信息发送成功的概率是（1-1%）n，失败的概率是1-（1-1%）n。由此可见，发送的信息越长，n就越大，失败的概率越大，成功的概率越小。对于小的报文来说，点对点传输，99%的单包传输成功率也许很高，但对于长度较长、常年每天都要发送的信息来说，这个标准有些低。假设1条信息需要拆分为5个包，以单包99%的成功率计算，预警信息的传输成功率为95.1%。
为了适应短报文的传输方式，可设定一键呼救的功能，即可在一次传输时段内，将呼救信息传输到服务器，提高传输速度。在紧急情况下，可以通过系统预设的一键呼救按钮，将设定好的紧急信息发送到服务器。信息中应包含求救的具体位置信息，以便船舶运输企业调度室在最短时间内收到求救信息并作出相关的救援行动，保障船舶安全。
4 传输平台设计
船端工控机通过船载北斗客户机上传数据到北斗卫星，北斗卫星与数据中心的北斗指挥机进行通信，最终由北斗指挥机将数据传输给中心服务器，确保覆盖的可靠性。在近岸时，根据3G信号状况可辅助切换到工业3G路由器模式，通过3G路由器接入互联网与中心服务器进行通信。
4.1 北斗船载终端
北斗船载终端软件采用技术应用开发。 是微软的新一代技术平台，为“敏捷商务”构建互联互通的应用系统，这些系统具有简便易用、适应变化、稳定和高性能等优点。从技术角度来看， 应用是一个运行于 Framework之上的应用程序。
船载终端利用串口与北斗船用终端机通信，实现船舶数据断点续传，保证数据的可到达性。船载“北斗一号”普通型用户机是为了适应海上高盐雾、高腐蚀使用环境而研制的产品，用户可利用该产品实现北斗定位、短信息通信功能和GPS定位功能。主要指标如下：接收信号误码率≤1€？10-5（用户机天线端口输入信号功率≥ 154.6 dBW）；发射功率EIRP值≤19 dBW（方位角0€啊？60€埃鼋？0€啊？5€埃唤邮瘴佬峭ǖ朗？个通道。
4.2 中心服务器端
中心服务器端是通过北斗指挥机与客户机进行通信的。“北斗一号”指挥型用户机是为了便于上级指挥机关通过北斗卫星定位导航系统，对其下属用户进行指挥、监控而研制的北斗用户机产品。除了具有普通型用户机的所有功能外，该服务器还可以接收其下属用户机的定位、通信信息，并可向下属用户机发出指令。
“北斗一号”指挥型用户机适应固定指挥所、移动指挥所、方舱等多种场合使用。接收信号误码率≤1€？0-5（用户机天线端口输入信号功率≥ 157.6 dBW）。
中心服务器端是基于微软.NET Framework 4.0设计的网站应用程序，以易用、高可靠性和高负载的信息技术为实现手段，整体采用MVC（Model View Controller）框架分层，交互系统由模型、视图、控制器等3种部件组成。
MVC框架作为一种软件设计典范，用一种业务逻辑、数据、界面显示分离的方法组织代码，将业务逻辑聚集到一个部件内，在改进和个性化定制界面及用户交互的同时，不需要重新编写业务逻辑。MVC用于映射传统的输入、处理和输出功能在一个逻辑图形化用户界面的结构中，包含指挥机通信服务程序和调度监控Web系统。
北斗卫星导航系统以北斗卫星和无线通信技术为依托，为海运人员提供一种安全、快速的现代化移动办公机制以及海上救援定位手段（见图1）。
5 结 语
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