【測繪應(yīng)用】淺析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及在測繪中的應(yīng)用
2017-10-31
自古以來由于人類生存生活的需要，人們一直在探索研究導(dǎo)航定位的方式方法。從傳說中黃帝戰(zhàn)蚩尤時用的指南車，到中國四大發(fā)明之一的司南；由1730年T.戈弗雷與John. Halley發(fā)明八分儀，至20世紀(jì)70年代美國研制新一代空間衛(wèi)星定位GPS的產(chǎn)生，人類從未放棄過對導(dǎo)航定位系統(tǒng)的探求。近年來，繼美國GPS與俄羅斯GLONASS之后， 我國也自行研發(fā)了第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)CNSS。
目前，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)對東南亞實現(xiàn)全覆蓋。中國科技部2013年4月份表示，老撾和文萊將通過研究與合作協(xié)議初步采用該導(dǎo)航系統(tǒng)。3月底，泰國和中國簽署了類似協(xié)議，泰國成為中國國產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)的首個海外顧客。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除在國防軍事中的重要應(yīng)用外，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。本文就對該系統(tǒng)應(yīng)用在測繪行業(yè)進行淺析。
1.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜述
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System〕是我國自主研發(fā)、獨立運行的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，簡稱CNSS，該系統(tǒng)是一種集測量技術(shù)、定位技術(shù)、數(shù)字通訊和擴頻技術(shù)為一體的全天候區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航、定位、通信系統(tǒng)。是繼美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。
2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成及原理
2.1系統(tǒng)組成
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；地面端包括主控制站、注入站和監(jiān)測站等若干地面站；用戶端則由北斗用戶端以及與美國GPS、俄羅斯GALILEO、歐洲GALILEO等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。
中國此前已成功發(fā)射四顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星和十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星（其中，北斗—1A已經(jīng)結(jié)束任務(wù)），將在系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗基礎(chǔ)上，逐步擴展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
2.2系統(tǒng)原理
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理是：先由地面端的中心控制系統(tǒng)同時向衛(wèi)星I號和衛(wèi)星II號發(fā)射詢問信號，經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對服務(wù)區(qū)內(nèi)的所有用戶進行信號廣播。終端用戶在響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號的同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送回應(yīng)信號，信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接受并解調(diào)終端用戶發(fā)來的信號，然后對用戶申請內(nèi)容進行數(shù)據(jù)處理。對定位申請，中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)處理，中心控制系統(tǒng)可最終計算出用戶所在點的三維坐標(biāo)，這個坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶。
3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較
與國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較。俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)由于前蘇聯(lián)解體時期造成研發(fā)維護經(jīng)費不足，目前無論是實用性和前景都不理想；而歐洲的GALILEO目前仍然處于試驗研發(fā)階段，也并非是成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)。因此這里只將普及率最高的美國在20世紀(jì)70年代的GPS與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)做一比較：
（1）覆蓋范圍：目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋中國本土及周邊的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。覆蓋范圍約為東京70°～140°，北緯5°～55°。而GPS的信號是覆蓋全球的。
（2）衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設(shè)置2顆地球同步衛(wèi)星，衛(wèi)星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設(shè)置24顆衛(wèi)星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。GPS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道為準(zhǔn)同步軌道，繞地球一周11小時58分。
（3）定位原理：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是主動式雙向測距二維導(dǎo)航系統(tǒng)。通過地面中心控制系統(tǒng)解算，供給用戶三維定位數(shù)據(jù)。GPS是被動式偽碼單向測距三維導(dǎo)航，由用戶設(shè)備獨立解算自己的三維定位數(shù)據(jù)。
（4）定位精度：目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約為幾十米，授時精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前己由16m提高到6m，C/A碼目前己由25-100m提高到12m，授時精度目前約20ns。
（5）用戶容量： 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由于是主動雙向測距的詢問——應(yīng)答式系統(tǒng)， 終端用戶設(shè)備與地球同步衛(wèi)星之間不但需要接收地面中心控制系統(tǒng)的詢問信號， 還要求終端用戶設(shè)備向同步衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號，所以系統(tǒng)的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和終端用戶的響應(yīng)頻率。因此北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的終端用戶設(shè)備容量是有限的。GPS是單向測距系統(tǒng)，用戶設(shè)備只要接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文便可進行測距定位，所以GPS的用戶設(shè)備容量是無限的。綜上所述，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時具備通訊和定位功能；覆蓋中國及周邊國家和地區(qū)，全天候服務(wù)，無通信盲區(qū)；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；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。
4.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在測繪中的應(yīng)用
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）提供兩種服務(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費提供定位、測速和授時服務(wù)，定位精度為10m，授時精度為50ns，測速精度0.2m/s。授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。由于自主研發(fā)、擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)用于工程測量中，不但會受到他國人為技術(shù)性干擾，更為測量成果的保密性和安全性提供保障。
目前已經(jīng)有基于北斗衛(wèi)星的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其測量方法，系統(tǒng)通過偽衛(wèi)星主站與北斗衛(wèi)星高精確時間同步，從而修正偽衛(wèi)星從站的鐘差，用戶機不僅可以在中國北斗系統(tǒng)中實現(xiàn)主動定位，而且可以接收偽衛(wèi)星信號構(gòu)成多星定位。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將廣泛用于中小比例尺測繪，靜、動態(tài)測量數(shù)據(jù)采集，非高精度工程放樣，水文地質(zhì)測繪，礦山變形觀測，災(zāi)后全天候測繪等幾乎涵蓋所有范疇的測繪工程。
5.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在測繪中的實例分析
以陵水縣國營嶺門農(nóng)場1：1000比例尺地形測量項目為例，針對測區(qū)內(nèi)具體情況，采用RTK升級三星系統(tǒng)新儀器進行測量。
嶺門農(nóng)場測區(qū)屬于丘陵地區(qū)，測區(qū)內(nèi)植被以檳榔和橡膠為主，部分為丟荒作物園地。因為作業(yè)時間為是5月份，植被枝葉茂密，隱蔽度大，使用RTK作業(yè)受影響太大。
項目采用海南平面坐標(biāo)系，國家85高程基準(zhǔn)。作業(yè)過程中，測區(qū)內(nèi)的林地因為RTK周邊信號弱、采集數(shù)據(jù)慢、接收精度低，故利用三星系統(tǒng)新技術(shù)直接施測，直接獲取海南平面坐標(biāo)系和85高程成果。測區(qū)采用這種方法，在一些低洼地、橡膠園地、山谷等信號較弱地帶，新三星系統(tǒng)對比RTK舊系統(tǒng)，信號強度明顯強于舊系統(tǒng)，基本都能收到固定解，接受精度都能達到測量要求標(biāo)準(zhǔn)。按此方法對90%測區(qū)面積進行了觀測，其他10%由于信號強度確實達不到測繪要求，結(jié)合了全站儀進行觀測。
6.結(jié)束語
作為我國自主研發(fā)、擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的新一代全天候衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在2008年南方的冰凍災(zāi)害、北京奧運會、四川汶川的抗震救災(zāi)以及青海玉樹的抗震救災(zāi)中發(fā)揮了巨大的作用。隨著該系統(tǒng)不斷地完善，定位精度的不斷提高，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將取締GPS成為國內(nèi)普及率最高的全天候衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在測繪工程中發(fā)揮重要作用。
文章來源： 北斗時空
