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西电导航试验大作业
北斗导航试与GPS比肩
问题回顾:
就我国北斗2代导航系统应用的前景以及如何应对GPS挑战方面发表自己的看法。
可以从以下几方面阐述:
短报文通信,抗干扰,高精度,特殊服务,兼容性,开方服务,自主研发,国际合作等方面提出自己的看法。
北斗卫星导航系统技术上可以和GPS一代媲美
定位精度两者差距不大,GPS系统更成熟些首先,中国的北斗卫星导航系统确有值得称赞的地方,它是继美国GPS、俄罗斯GLONASS后第三个进入GNSS(全球定位导航系统)俱乐部的导航系统,也是联合国卫星导航委员会已经认定的供应商之一。
而且,在技术上北斗是足以比肩第一代GPS系统的。
来自中科院杨元喜的数据表明:
北斗卫星导航系统将发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星,在2020年左右,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
与美国第一代GPS系统相比,北斗规模更庞大。
不过虽然卫星数量上占优,但两者的精度差距却不明显。
北斗定位的误差在5-10米左右,而GPS的误差也在6-10米上下。
在另一方面,GPS的优势却很明显,即GPS有将近20年的系统运行历史。
美国的GPS系统早在1994年就已经可以实现全球全天候覆盖的定位导航,1994年至今积累的运维经验和数据累积使得GPS系统在应对不同情况时的可用性远超其它导航系统,而北斗系统要到2020年卫星发射完成才能实现全球覆盖。
北斗有GPS不具备的互动性,这一功能在边远地区有优势北斗将导航与通信紧密结合了起来。
世界上其他的全球卫星导航系统只是告诉用户什么时间、在什么地方,而北斗系统除此之外还可以将用户的位置信息发送出去,使用户想告知的其他人获知用户的情况,而这种互动性也是北斗系统最大的优势。
事实也的确如此,目前北斗导航系统已在交通、渔业、水文、气象、林业、通信、电力、救援等行业都有了一定的应用。
北斗一代自2003年底正式运行以来,到现在已注册用户数大约在10万,其中渔业应用最广,占比超过60%。
渔政部门已通过北斗向渔民发送了12500条气象警报。
还根据北斗反馈的定位信息,救助了渔船6艘,旅游船1艘,救助渔民27人,游客6人,危重病人1人。
更有渔民称:
“船上只供奉两样东西,一是妈祖,二是北斗。
”
但对于生活在非偏远地区的用户来说,北斗系统的互动性却是一个不必要的“附加功能”。
手机网络的全覆盖,使得在非偏远地区依靠移动设备进行双向信息沟通根本不是难事。
应用北斗卫星导航系统,渔民在茫茫大海上可与岸上及时联系互动,渔船遭遇故障时可发出信号开展自救、互救,发生海上边界纠纷时也可能得到支持,与此同时,北斗卫星导航系统独特的免费短报文通信服务,通过绑定手机短信,可解决渔民长期在海上生活的精神需求,方便与家人进行短信聊天、交流。
长期看,GPS二代无缝升级已开始,三代已进入研发后期,技术上仍领先
这些新卫星将使GPS的性能发生质的飞跃:
升级后的GPS商用信号容量会翻3倍;精度会大幅提高;系统的速度会更快;卫星上将装备更加准确的原子钟,精度达到10亿分之一秒;而且还会使用新的抗干扰技术。
在过去两年,美国就已经发射了三颗新一代的GPSIIF卫星,而整个升级估计会于2020年左右完成。
所以说,当中俄以及欧洲忙着建设自己的第一代全球卫星定位系统的时候,美国已经开始对自己的GPS系统进行无缝换代了。
不仅如此,根据美国《航空周刊》报道,GPSIIF之后的更新一代的GPSIII卫星的研制也进入攻坚阶段,并且计划在2014年5月份发射,而第二颗第三代卫星则计划在首次发射后的9个月后发射。
据中国国防科技信息网报道美国一位高级军官称,根据空军关于新一代GPS-3卫星导航星座的新升级战略,可能从第9颗GPS-3卫星起,向该系列卫星集成抗干扰能力。
GPS已形成市场覆盖,北斗处于要“挤进去”的角色
在中国,GPS现有市场覆盖率超过95%除了在技术上的差距,北斗在市场占有率上也远远落后于GPS。
根据中国卫星导航定位协会咨询中心的统计,截至2011年年底,我国北斗一代终端社会持有量为10万余套,参与北斗终端研发或销售的企业数量只有50到60家,年产值不超过4亿元;而同一时期,GPS导航终端2011年的总销售量突破4500万台,产值接近700亿元,参与企业超过6800家。
北斗卫星导航系统新闻发言人、中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其估计,GPS目前垄断国内导航产业95%以上。
还有一个例子可以证明国内对GPS的高依赖性所言非虚,在2010年1月13日,中国电信CDMA网络大范围故障告警,涉及全国绝大多数省份,原因就在美国GPS系统升级过程中出现了问题。
世界范围内,手机GPS的集成率超过80%
另一个导航系统应用大户手机端,也照旧是GPS的天下。
手机和GPS的集成已经成为了行业规则。
根据咨询公司iSuppli的数据,具有GPS功能的手机在2011年第四季度就已经占全部手机的79.9%,达3.183亿台。
预计在2012年,这个数据仍会提高,达到超过80%,而在所有手机中,智能手机的GPS集成率是最高的。
显然,北斗要挤入市场,另一个难关就是现有的手机导航集成格局,以及用户业已形成的使用习惯。
短信服务是特色
首创多种轨道设计
与美国GPS系统、俄罗斯格洛纳斯系统、欧洲伽利略系统相比,我国北斗系统和这三大卫星系统的建设是不完全一样的。
“我们首先建设了北斗卫星导航试验系统,和其他三大系统不同的是,我们是有源定位和短报文特色服务。
”冉承其说,“短信服务是北斗卫星导航试验系统的特色,也是我们的优势,北斗卫星导航系统在设计之初就考虑了接续这种特色服务。
”
一般来讲,世界上其他的全球卫星导航系统只是告诉用户什么时间、在什么地方,而北斗系统除此之外还可以将用户的位置信息发送出去,使用户想告知的其他人获知用户的情况。
“它解决了何人、何事、何地的问题,把短信和导航结合,是中国北斗卫星导航系统的独特发明。
据报道,其他全球卫星导航系统在后续系统的改进、设计过程中,也要借鉴北斗的短报文通信特色服务。
”他说,“靠北斗一个终端,就可以走遍天下。
”
以渔业、运输业的管理为例,利用GPS,每条渔船、每辆车辆都能够知道自己的具体方位;而利用北斗,除了让渔船和车辆实现自我定位之外,还能将信息统一收集和回收到管理中心,在那里的大屏幕上就可以一目了然地知道所有渔船或车辆都分布在什么地方。
”
首创多种轨道设计
除此之外,为了提高区域覆盖性能,北斗全球卫星导航系统还将保留在区域卫星导航系统中采用的地球同步静止轨道和倾斜地球同步轨道相组合的轨道设计。
这一设计在实现区域导航覆盖和提升区域导航精度方面,能够用更少的卫星达到更好的导航性能和效果,是最经济、最简单、最实用的设计方法。
无论是美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯还是欧洲的伽利略,都只有一种轨道设计,即中圆轨道设计,只不过区别在选取三个轨道面还是六个轨道面上。
而我国的北斗全球卫星导航系统在保留中圆轨道三个轨道面设计长处的基础上,集纳了多种轨道设计的优势于一身,是世界导航系统的首创。
汶川大地震中北斗小试身手
中国的老百姓真正开始认识北斗应该是从2008年的汶川地震开始的。
随着天崩地裂的震动,基础设施和通讯设施全部被破坏,地震灾区瞬间成为了信息孤岛。
在常规通讯手段失灵的情况下,中国卫星导航应用管理中心为救援部队紧急配备了一千多台北斗卫星导航试验系统终端机。
救援队利用北斗终端机的短报文功能实现了各点位之间以及点位与指挥部之间的信息联络。
“特别是在2008年南方的冰冻灾害,四川汶川的抗震救灾,以及青海玉树的抗震救灾中发挥了巨大的作用。
”冉承其指出,在北斗卫星导航系统的建设进程中,已经基本具备试运行服务的能力,所以中国相关的部门和各省市已经及早着手推动了北斗卫星导航系统的运用。
北斗在森林救火中的应用
问题回顾
构思一套北斗系统在应急救灾方面(如发生地震、水灾、旱灾、海啸、核泄漏、台风、沙尘暴、泥石流、雷电、冰雹、强降雨、地面沉降等灾害)的应用方案,并进行说明。
要求结合北斗定位系统的特点,设计简要方案进行概述。
设计方案
众所周知在森林防火扑救指挥中,不仅需要有精确的定位设备对火源、火场进行精确定位,还要为参加林火扑救的队伍进行精确的定位导航,以保证在林火发生时能使得扑救队伍能够选择最佳路径在最短时间内抵达火场并实施扑救;此外,还要为扑救队员与森林防火指挥中心之间提供有效的通信手段,已保证指挥中心下达的各种指挥调度信息能够及时准确的传达到各级扑救指战员,同时也要使得扑救一线的火场火势以及其他信息能够及时有效地上报到指挥中心,为指挥人员进行科学合理的决策提供准确的信息。
此外,在森林防火的日常巡护巡查过程中,也需要行之有效的定位工具和通信手段,保持流动巡护人员及时准确到位,并与指挥中心保持流畅的通信联络以及时传递巡查过程中发现的各种有效信息。
简而言之,无论是林火发生时的扑救指挥还是日常管理中的巡查,都需要有精确的定位工具和有效的通信手段,保证森林防火中心与森林防护人员保持密切的联系,并随时掌握一线人员的动态位置。
北斗手持设备可以为森林防火队员和巡护人员提供高精度的定位导航信息,卫星电话、甚高频对讲机或超短波电台可以为防火人员提供移动通信手段,但由于甚高频以及超短波通信的通信距离及受地形限制的因素,极大的制约了其使用范围,无法保证防火人员能够与指挥中心之间保持畅通无阻的通信,而卫星电话设备造价高,通信费用高昂,也极大的限制了其在森林防火中的广泛应用。
由于通信手段的限制,尽管一线防火人员配备了高精度的定位导航设备,也无法使得指挥部门实时动态地掌握前方人员的位置,进而不能有效的实施指挥调度控制,不能实现科学高效的林火扑救。
北斗系统是同时提供定位和通信功能的卫星系统,将其应用于森林防火中,它不仅可以解决甚高频或超短波通信中的通信有效距离受限制的问题,还可以为防火队员提供高精度的位置信息,实现定位导航;在使用北斗系统卫星终端进行定位的过程中,终端在获得本地位置信息的同时,防火指挥中心通过北斗指挥型终端也可以监收到该终端的位置信息,或者通过登录到北斗运营中心获得该终端同样的位置信息。
北斗系统卫星终端的最大特点是其可以同时提供数据通信与定位功能,这不同于以往的任何设备,仅提供定位功能或仅提供通信功能,定位和通信功能被集成在一个设备当中;北斗系统卫星终端设备小型化、集成度高、设备紧凑简单、低功耗和操作简单等特点,并且可采用电池供电,与其他卫星电话设备相比,设备和通信费用相对都比较便宜,因此可以在森林防火部门进行广泛应用;北斗系统卫星终端有车载、机载以及手持等各型终端,可非常简便可靠地安装在扑救车辆、航空护林飞机上,并提供给防火队员个人使用,从而使得森林防火部门能够全面动态的掌握所有相关车辆、飞机以及人员的状态信息,更加及时有效地实现科学合理的调度指挥和控制。
由此可见,北斗系统可以为森林防火部门提供有效的定位和通信手段,非常适合在森林防火中应用。
依托北斗系统,结合森林防火部门用户需求,可以为森林防火指挥部门实现并提供及时、高效、可视化的人员、车辆、飞机调度监控系统。
此系统不仅可以在森林火灾发生时,能够实现森林火灾的快速定位,及时了解详实的火场及其周围的地理和资源环境,在辅助决策系统的支持下,制定合理的扑火方案,实现扑火力量的最优配置,缩短扑火出动时间,提高扑火效率,把森林火灾造成的损失尽可能地减少到最低限度,还可以为森林防火的日常管理提供服务。
基于北斗的森林防火实战指挥系统以已有的基础地理空间数据库和森林防火专业数据库为基础,充分利用北斗卫星导航系统的定位和短报文通信功能,可以实时获得火场前线多源动态信息,提升实战指挥的时效性与机动性,动态调整扑火力量的部署,直接调度扑火队伍;建立指挥中心与各作战单位和装备之间的综合信息链,通过个人装备、移动车辆的信息化应用,使其成为有效的信息节点;开发移动前线指挥系统,构建从终端数据采集、传输到服务器端信息处理、分析以及各类指令上传下达的中转平台;强调森林防火信息的协同整合,将电子监控系统、通讯传输系统、北斗卫星定位系统与森林防火指挥系统有机整合,统一管理,灵活切换。
该系统对视频采集系统、北斗定位系统、指挥系统等子系统进行统一管理,总体框架如下所示:
系统总体架构框图
除了“北斗”之外,系统还将3G网络、基于TCP/IP的局域网以及微波通信等多种通信方式整合到系统中,建立了多网融合、立体有序的通信机制,建立起从大脑(指挥中心)到中枢神经元(移动前指指挥系统)再到神经末梢(移动单兵)的三级综合信息链。
系统真正实现了以地理信息系统(GIS)为基础的、一体化的实战指挥。
应用软件与监控系统、北斗定位通信系统无缝连接,使用户通过GIS这个统一的界面,利用公共接口构件,任意调用、操作包括北斗定位、北斗通信、视频监控、通信指挥、卫星数据监测等在内的其它系统模块。
在森林防火工作中,野外数据通信至关重要。
公共无线网络无法覆盖地理环境复杂的山林地区,森林防火决策指挥的时效性、机动性与科学性会大受影响。
北斗系统借助其独特的短报文功能,根本上解决了户外作业队伍的实时通信问题,对于森林防火信息化具有革命性的意义。
借助车载或手持终端,户外作业人员在获取各类目标对象地理位置信息的同时,还可借助车载的移动前方指挥系统构建火场环境信息、与单兵手持系统实现短报文通信、实时回传火险因子气象数据等。
值得注意的是,包括森林防火在内的很多应急指挥系统都需用到大比例尺的基础地理数据和高分辨率的遥感影像数据,采用北斗系统传输这些关键信息,无疑将更有利于确保信息安全。
该系统在设计、建设过程中,充分结合扑火指挥的实际需求,实践证明,系统可大幅提升现有的森林防火预警与指挥决策管理水平。
随着第十六颗北斗卫星的成功发射,北斗系统的卫星组网工作已进入平稳发展阶段,而北斗的应用,特别是民用领域的实际应用才刚刚起步,在这一领域中的任何探索,都将展现北斗的真正价值所在和无限潜力。
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