什么是北斗，关于北斗

什么是北斗，关于北斗

北斗卫星导航系统是是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则。2011年4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭，成功将第八颗北斗卫星送入太空预定转移轨道。2011年7月27日5时44分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第九颗北斗卫星送入预定转移轨道。

北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是 中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧洲“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。

目前全世界有4套卫星导航系统：中国北斗、美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”、欧洲“伽利略”。其中美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”已建成投入使用。中国北斗，欧洲“伽利略”仍处于建设阶段。

卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会经济效益。中国作为发展中国家，拥有广阔的领土和海域，高度重视卫星导航系统的建设，努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。

2000年以来，中国已成功发射了9颗“北斗导航试验卫星”，建成北斗导航试验系统（第一代系统）。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。

我国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

我国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。我国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射九颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

2000年，中国“北斗”导航系统建成运行，成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和国家安全等诸多领域，经济效益和社会效益显著，特别是在2008年中国南方冰冻灾害、汶川特大地震抗震救灾和北京奥运会中发挥出非常重要的作用。

特色

北斗导航终端与GPS、欧洲的“伽利略”、俄罗斯的“格洛纳斯”相比，最有特色的是它的短信功能，每条能发送120个汉字。

优势

●和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，增加了通讯功能；

●全天候快速定位，与GPS精度相当；

●同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；

●覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；

●特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；

●独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”；

●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。

劣势

●北斗一号系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。

●北斗一号系统属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务。

GPS 英文全称为Global Positioning System，中文翻译为全球定位系统，又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

覆盖范围

北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。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，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。

数量和轨道

北斗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°。GPS导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。

定位原理

北斗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。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。

定位精度

北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前已由16m提高到6m，C/A码目前已由25-100m提高到12m，授时精度目前约20ns。

用户容量

北斗导航系统由于是主动双向测距的询问--应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，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，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统，用户设备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的用户设备容量是无限的。

生存能力

和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，即使主控站被毁GPS卫星也可以独立运行。而“北斗一号” 系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

实时性

“北斗一号”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，其间要经过地球静止卫星走一个来回，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，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。

未来发展

较之目前仍在运行的“北斗一号”，“北斗二号”在诸多方面具有优势，包括可以有效避免遭受电磁干扰和攻击，实现无源定位，在精确度方面大大提高，“北斗一号”精确度在10米之内，而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内。

随着北斗2号的发射成功，中国自主研制的北斗卫星导航系统从2009年起进入了组网高峰期，预计在2020年左右形成覆盖全球的卫星导航定位系统。2009年将有多颗卫星发射升空，3年内完成系统组网，并具备基本的运行能力。在此基础上将逐步发展到为全球服务。

正在建设的北斗卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，军事定位达到厘米级，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。随着“北斗一号”卫星导航定位系统的推广应用和中国正在着力研究开发的下一代卫星导航定位系统（CNSS）。

中国将本着开放、独立、兼容、渐进的原则，发展自主的全球卫星导航系统，其“三步走”发展路线图为：第一步，从2000年到2003年，我国建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统，成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步，建设北斗卫星导航系统，于2012年前形成我国及周边地区的覆盖能力。第三步，于2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。

北斗卫星导航系统将是一个由30余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的大型航天系统，技术复杂、规模庞大，其建设应用将实现我国航天从单星研制向组批生产、从保单星成功向组网成功、从以卫星为核心向以系统为核心、从面向行业用户向大众用户的历史性转型，开启我国航天事业的新征程，并将对维护我国国家安全、推动经济社会科技文化全面发展提供重要保障。

北斗一号

“北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星(800e和1400e)、一颗在轨备份卫星(110.50e)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。

系统的工作过程是：

首先由中心控制系统向卫星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。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请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，因此由上面两个延迟量可以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，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75mhz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。

北斗一号的应用：

“北斗一号”卫星导航系统在2008年的汶川地震抗震救灾中发挥了重要作用，救灾部队携带的“北斗一号”终端机不断从前线发回各类灾情报告，为指挥部指挥抗震救灾提供了重要的信 息支援。

地震中的北斗卫星导航定位系统

中国卫星导航应用管理中心负责人介绍说，地震发生后，中心为救援部队紧急配备了1000多台“北斗一号”终端机，实现了各点位之间、点位与北京之间的直线联络。在灾区通信没有完全修复，信息传送不畅的情况下，各救援部队利用“北斗一号”及时准确地将各种信息发回。[1][2]

2008年5月17日报道，成都军区某部通过“北斗一号”发回信息：北川县茶坪余震不断，海子(湖泊在当地的称呼)水位迅速上升，随时可能发生重大洪灾。灾民已弃家转移高处，46名重伤员急需救助。新华社2008年5月16日也曾报道，救援部队携带的“北斗一号”终端机，15日继续传回汶川地震灾区的最新灾情和救援情况，大部分救援部队已经到达指定位置，在灾区各乡镇展开全面搜救。从这两则报道可以看出，在当地通信设施严重受损的情况下，我国自主研制的“北斗一号”系统能发挥重要作用，救灾指挥部可以通过“北斗一号”系统，精确判定各路救灾部队的位置，以便根据灾情及时下达新的救援任务。[1]

曹冲研究员介绍说，我国的“北斗二号”全球卫星导航定位系统是建立在“北斗一号”区域卫星导航系统基础上的。中国先后在2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月25日发射了3颗“北斗”静止轨道试验导航卫星，组成了“北斗”区域卫星导航系统。该系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS功能。但由于该系统用户无法保持无线电静默，也无法在高速移动的平台上使用，“北斗一号”系统不能用于军事用途。

中国的“北斗一号”系统，与美国和俄罗斯的全球导航卫星尚有较大的差距。“北斗一号”定位系统只能覆盖中国和周边一些国家和地区，是区域性而不是全球性的，它只是在亚太地区。美国和俄罗斯的导航卫星则是全球性的。

“所以，这次执行索马里护航任务的中国海军不可能使用‘北斗一号’卫星定位系统。”曹冲研究员说。

另外，“北斗一号”系统是在地球同步轨道上运行，也就是说在离地球3.6万公里的高度上运行。而美国和俄罗斯的导航卫星则是在几百公里到上千公里的低轨道运行。

“北斗一号”系统在导航方式上也与美俄的全球定位卫星有一定的差距。“北斗一号”属于主动式的。就是说，“北斗一号”是用户先发射需要定位的信号，通过卫星转发至地面控制中心，地面控制中心解算出位置后再通过卫星转发给用户；而GPS和“格洛纳斯”系统只需要接收4个卫星的位置信息，由自己解算出三维坐标。这是由于“北斗一号”本身是两维导航系统，仅靠两颗星的观测量尚不能定位，观测量的取得及定位解算均需在地面中心站进行。

曹冲研究员说，即使“北斗一号”系统存在许多缺点，但在去年发生的汶川地震中也大显身手。当时通讯中断的情况下，携带“北斗一号”系统接收机的救援部队，还是按指定时间到达了灾区。

另外，“北斗一号”还可以提供用户的双向通讯功能，用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。通过“北斗”系统，用户一次最多可以传输120个字符。“汶川地震发生以后的几天内，‘北斗’系统是灾区和外界联系的唯一途径。”曹冲研究员说。

针对“北斗一号”系统的众多缺点，一些西方防务专家认为，中国的“北斗一号”系统的功能还是有限的，它的地域有限，而且它的速度较慢，因为需要导航的车辆或飞机首先发出一个信号才能接收到自己位置的信号。还有，在军事用途上，“北斗一号”系统比较危险，因为一个军事单位或是一件武器要想确切知道自己的位置，首先要向北斗卫星发信号。而一发信号，就容易被对方判断出自己的位置，因而暴露了自己。

曹冲研究员说，中国即将建立的“北斗二号”全球卫星定位系统无论是导航方式，还是覆盖范围上都和美国的GPS非常类似，而且有着GPS和“格洛纳斯”系统无法比拟的独特优势。“北斗二号”系统主要有三大功能：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS民用定位精度相当；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20纳秒。

在中国市场上，目前全球卫星定位系统的民用最集中体现在车载导航仪器上，GPS车载导航仪器占据了很大的市场。一台普通GPS车载导航仪器甚至买到800元。在费用方面，为了竞争，GPS提供免费服务。

那么，在国产的GPS——“北斗二号”投入使用后，会不会取代GPS呢？曹冲研究员的答案是否定的。“‘北斗二号’和GPS以后将形成竞争，对于普通消费者来说是一个好消息，另外，中国的‘北斗二号’车载导航仪将兼容GPS，这样，使用者将非常方便。”曹冲研究员说。

北斗二号具备全球导航能力）

2004年8月31日，中国拥有自主知识产权的“北斗二号”卫星导航系统立项，将于2008年前后建成。“北斗二号”卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。“北斗二号”卫星导航系统将克服“北斗一号”系统存在的缺点，同时具备通信功能，其建设目标是为中国及周边地区的我军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。

2009年4月14日，我国成功发射了第二代第1颗北斗导航卫星。2009年4月15日，又成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。中国卫星导航工程中心负责人介绍，这次发射的北斗导航卫星(COMPASS－G2)，是中国北斗卫星导航系统建设计划中的前二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。这两颗卫星的成功发射，对于北斗卫星导航系统建设具有十分重要的意义。目前“北斗二号”卫星组网首批实用卫星发射已进入倒计时阶段，在今年和明年两年我们要发射10颗左右的导航卫星，计划2015年建成一个由三十几颗卫星组成的全球导航定位系统。目前我国的各种导航定位设备都要靠美国的GPS系统提供服务，“北斗二号”系统建成后，将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖，并且中国导航卫星也从此开始具备全球导航定位能力。

   “北斗二号”导航定位系统是通过测量卫星至用户的信号传播延迟，利用测距原理实现导航定位。通过3颗卫星测距，得到用户至卫星的距离，确定两维位置；再通过增加第4颗卫星的测量，可以计算三维位置和时间。该系统的空间段由分布在不同轨道多颗卫星组成，它们构成导航星座。该系统采用的卫星是一种全新的卫星，采用了很多新技术。自首颗卫星发射成功以来，就开始了在轨测试和新技术试验验证等工作。通过首颗二代导航卫星的发射、在轨测试和在轨试验，验证了卫星各种新技术，有力推进了导航卫星系统的建设。

   “北斗二号”是我国开发的独立的全球卫星地位系统，不是“北斗一号”功能的简单延伸，更类似于GPS全球定位系统和伽利略系统。第二代北斗导航定位卫星飞行在高度为21500千米的中圆轨道运行，这两颗不再以“试验”冠名的北斗导航卫星顺利升空，标志着中国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的实际应用发展建设阶段。我国将在未来几年里陆续发射系列北斗导航卫星，计划2009年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，2011年前满足亚洲地区的导航服务，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。这个系统将主要用于国家经济建设，为交通运输、气象、石油、海洋、森林、通信、公安等部门以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。

    正在建设的“北斗二号”卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，它们是无源导航卫星，不同于第一代的有源导航，这可以为需要导航的用户带来极大的安全。该卫星提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务。

    目前我国卫星导航定位的应用范围和行业不断扩展，全国卫星导航应用市场规模以每两年翻一番的速度快速增长。近年来，我国卫星导航定位业务发展很快，“北斗”卫星导航系统的用户已突破30万户，直接产值达35亿元，占中国导航定位产业的20%左右，由它带动的相关产业将达数百亿元。我国正出台政策加快“北斗二号”卫星导航系统的建设，制定“北斗二号”卫星导航系统民用应用政策，促进“北斗二号”卫星导航系统的产业化应用，鼓励其他行业和领域采用“北斗”卫星导航兼容其他卫星导航系统的服务体制。目前我国及周边国家主要依靠美国的GPS系统来进行导航定位服务，而随着中国“北斗二号”系统的建成，将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖，也将逐步拥有大批的海外固定应用客户，并带动一大批国内高技术产业，形成新的经济增长点，甚至直接拉动我国航太技术的进步。 [2

物联网与北斗二号的结合应用之探讨

1物联网和北斗二号卫星导航定位系统简介

1.1物联网的简介

物联网的英文名是Internet of Things（IOT），也称为Web of Things，是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

物联网于1995年在比尔盖茨的书《未来之路》中提出，2005年国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。2009年，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。当年，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。2009年8月温家宝总理在视察中科院无锡物联网产业研究所时，对于物联网应用也提出了一些看法和要求。自温总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。

目前，国内外对物联网的研究非常火热，因为它是下一个万亿级别的超大产业，正值国内北斗二号的研究热，关于北斗二号的发展路子可以借鉴美国GPS的成功经验，在应用上面大胆创新与开发。虽然在物联网的定义中出现了“全球定位系统”，但是国内外关于这方面的研究甚少，我国可以开此先河，认真研究北斗二号与物联网的结合应用。

1.2北斗二号卫星导航定位系统的简介

众所周知，上世纪70年代美国最先尝试用卫星实现地球表面的导航与定位，即全球卫星定位系统(Globle Positioning System)，其能提供定位、导航和授时等服务。GPS由三部分组成:广播信号的卫星组成的空间部分、控制整个系统运行的控制部分以及各类 GPS 接收机组成的用户部分，见图1。

图1  GPS的组成部分

GPS 定位的基础就是测距，即通过测量时差获得卫星和接收机之间的伪距，再通过“三球交汇”确定目标位置，见图2。

                      图2  “三球交汇”原理

为打破美国GPS的垄断地位，欧盟已启动“伽利略”卫星定位系统的建设，俄罗斯也已开始部署自己的“格洛纳斯” 卫星定位系统，它们的定位原理与GPS大同小异。而北斗卫星导航系统是中国自主研制的卫星导航系统。按照北斗整体发展规划的“三步走”战略，目前已建成“北斗一号”并投入使用。“北斗一号”同样采用三球交会的基本原理，但与GPS有所差别。相比于GPS，“北斗一号”特有短报文通信功能，定位与通信合一，可方便实现信息互通、指挥自动化、位置报告等，在2008年汶川大地震救援中“北斗一号”的定位与通信功能就显示出了很重要的作用。

受技术体制与规模限制，“北斗一号”系统有其局限性。目前我国正在建设“北斗二号”全球系统。其建设目标是“2020年，建成全球卫星导航系统（简称北斗二号系统二期工程），性能达到同时期国际先进水平”。“北斗二号”的定位原理和GPS、GLONASS、Galileo大体相同，用户终端无须发射信号，仅需要同时接收四颗以上的卫星信号，即可解算出自身的位置。与此同时，“北斗二号”还保留并加强了北斗一号的短报文通信功能，这也是北斗二号不同于GPS、GLONASS、Galileo的一大特色。“北斗二号”卫星导航系统的定位精度为米级，授时精度为50纳秒，测速精度为0.1米/秒。按照建设规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。“北斗二号”系统的建成将使我国在卫星导航定位应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖。

2物联网和北斗二号卫星导航定位系统的原理及关键技术

2.1物联网的构架

一般认为物联网由三层构成：感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。传输层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用，如图3。

图3  物联网的基本构架

2.2与北斗二号结合的物联网

在实现物与物、物与人、人与人的互联过程中，位置信息是很重要的一个方面。建成后的北斗二号系统在物联网中能为物和人提供很好的定位服务，如图4。

图4  基于北斗二号的物联网构架（“   ”表示信息的传递方向）

两外，从上图可以清晰地看到人要获得物的各种属性比从传统的物联网获得途径多了一条途径即通过北斗二号获得物的属性，这就使不方便上网的情况下可以对物实时监控。例如部队在野外实行战斗任务不知道敌方的情况时，可利用携有北斗二号接收机的传感小机器人上前探测，将探测的信息发给北斗二号，北斗二号再将这些信息以及它的位置信号发给人，这就能够更好地探测前方的虚实了。

2.3相关关键技术

2.3.1物的身份识别

这也是物联网遇到的首要问题，当前我国目前仅有2．3亿个IPV4地址，显然无法满足IP地址高速增长的需求。更为严重是，截至目前全世界约45亿个IP地址仅剩下6％，码址资源正面临枯竭。中国的情况更为严重，美国获得了67％的IPV4的地址，每个人有9个IP地址，中国每个人只有0．06个地址。另外，要使北斗二号识别如此众多的物体，给每一个物体编址也是亟待解决的问题。对于物联网来说，可以使用IPV6，以期将IP地址总量由2的32次方，跃升至2的128次方，开启一个“取之不尽”的网络地址库。

2.3.2数据融合与信息存储

物联网中信息种类、数量都成倍增加，其需要分析的数据量成级数增加，同时还涉及到多个系统之间各种信息数据的融合问题，如何从海量数据中挖掘隐藏信息等问题，云计算是当前能够看到的解决办法之一。面对如此众多的信息量，BD-2的信号接收能力甚至显得“单薄” ，所以采用何种压缩编码和信息存储也是当前亟待解决的关键技术。

2.3.3如何减小定位误差

北斗二号的设计精度为米级，对于更高精度的定位需求应如何实现？为实现更高精度的定位可采用差分技术。建设在精确已知位置处的差分参考站，参考站产生定位差分无线电信号（即在参考位置上产生定位的修正量，再通过无线链路将修正量广播给待定位的接收机），实际待定位的北斗二号接收机接收这些差分信号后即可用此对已定位的结果进行修正（如图5）。采用差分定位时准确度受距离参考站的距离影响，越远效果越差。

图5  利用差分技术减少北斗二号定位误差

2.3.4接收机的性能指标的提高

接收机的跟踪通道数、接收跟踪信号的种类、测量定位精度、时间同步精度、位置数据更新率、首次定位时间、接收灵敏度等指标在现有的基础上要有所提高，同时应注重接收机的小型化、低功耗化。

3物联网与北斗二号的结合应用举例

3.1贵重物品保管及防盗

将某些贵重物品连入物联网，能实时地获得关于其的各种信息，同时辅以北斗定位功能，能实时知道其准确位置，这对了解物品的保存状况以及在物品不慎丢失后将其追回提供便利。不时有欧洲某某名画被窃事件发生，国内亦有重要涉密笔记本丢失的情况，如能对此类贵重物品采取以下描述的技术措施，将有可能挽回损失（以笔记本电脑为例）：

在笔记本生产时嵌入高清摄像头、指纹提取器、微型北斗二号接收机。当笔记本被不正常开机或者拆卸（即被未授权用户操纵）时，笔记本自动开启摄像头和指纹提取器，将未授权者的影像（一般是头部像）记录下来并存储，在未授权者触摸笔记本某些部位时指纹提取器自动提取其指纹信息并存储（这里指的某些部位即一般操作笔记本时必须用手接触的部位如键盘、触控板等，在这些部位安装有指纹提取器）。同时，北斗二号接收机接收卫星信号，解算出该笔记本的准确定位信息。存储的未授权者的影像、指纹和笔记本的定位信息（甚至笔记本中资料被窃取等记录——如果安装了相关的保密软件的话）通过移动通信网或者通过北斗卫星传送给控制中心，控制中心即可获得追中此丢失笔记本的重要线索（如图6）。当然为完成此项工作，需将嵌入的高清摄像头指纹提取器、微型北斗二号接收机等设备置于隐蔽状态，并且其供电系统与笔记本开机的供电系统分离，以保证在笔记本未开机时仍能完成以上任务。在控制中心获得关于丢失笔记本的相关信息后，可发送控制命令给北斗二号接收机，从而控制该笔记本采取自我保护措施——或者将携带的重要、涉密信息自我销毁，或者使窃取者无法施窃。

图6  笔记本电脑的物联与定位追中

3.2环境监测

目前，生态环境问题已成为我国国民经济发展的重要问题，也是关系到人民群众生活健康幸福的重大问题。我国部分地区生态环境的恶化已引起有关部门的重视，但具体对环境的监测、治理、管理的力度还欠缺。在物联网的发展进程中，可将某一地区的环境状况纳入物联网，并利用北斗二号定位系统对具有相应环境指标的地点进行精确定位，从而可实现对此地区环境状况的全面了解，且方便快捷，替代传统的人力在采样地点进行数据采集的落后状况。下面以洞庭湖水质监测为例：

自上世纪中叶以来洞庭湖的湖面面积急剧萎缩，水质也明显变差，对其监管刻不容缓。若要对其水质进行全面监测，可用直升飞机向水面均匀播撒一些传感器，这些传感器同时也是北斗二号接收机（覆盖力求均匀）。传感器首先应是对水体无污染的。传感器可测量水中某些作为衡量水质好坏的物质的浓度、水生动植物的密度（甚至是水下动植物图像）、水深、水流速等。同时作为北斗二号接收机能接受北斗卫星信号，解算出此传感器的准确位置。将传感器检测到的水质指标和传感器位置通过北斗卫星发送给控制中心，控制中心即获得湖面各个不同位置的定位信息和水质指标数据。控制中心可据此数据得到洞庭湖的整体水质情况。此种方案免去了大量的人力物力，但若要做到降低成本，应降低每个传感器的成本，同时可考虑传感器的重复利用——这需要考虑传感器的寿命问题。另外，传感器中的北斗二号接收机尽量贴近水面，以便能准确接收卫星信号，减少定位误差。

3.3智能交通管理

目前已经将GPS等导航定位系统应用于智能交通，但针对目前城市交通拥挤、交通事故频发、醉酒驾车等现象，相关部门的监管显得力不从心。我们设想利用物联网和北斗二号系统让现代交通变得更智能，更透明：车辆上安装北斗二号接收机用于对车辆进行精确定位，同时车内装有采集车厢温度、湿度等信息的传感器，采集载重信息的传感器，甚至在驾驶座处装有酒精浓度监测传感器——将这些信息采集后通过移动通信网传送给交通控制中心，控制中心即可获得任意车辆的位置、车内环境、是否超载、驾驶员是否醉酒驾车等信息，并可在必要时刻发送消息对驾驶员进行提醒和对行车状态进行控制。另外在城区重要交通路段，对每一车辆的位置信息获得后，可对其行车路线进行引导，这有助于疏导交通拥挤。

3.4无人驾驶

只需向汽车发出一个指令，就可以直接被送到目的地，驾驶员完全不需紧张的手握方向盘，甚至可以悠闲的上网、看报和聊天。车上装有摄像头、雷达传感器和激光探测器等先进的仪器，通过它们来感知公路的限速和路旁交通标志，以及周围的车子移动情况，如果要出发的话只需借助北斗二号来导航即可，人还可以远程通过物联网监控。

无人驾驶技术是一项非常重要的技术，可应用于智能的交通、月球无人驾驶小车探测等。

3.5物流查找

目前，网上购物越来越多，而且呈飞速发展趋势，这也极大地促进了现代物流（如图7）的发展。越来越多的物品流动，也造成了一定程度上的混乱，这给顾客也带来了很多忧虑。北斗二号导航技术与物联网结合使用可以很好地解决这个隐患。每个包裹上都有一个唯一的电子标签，并有小型北斗二号接收机（可以做成低功率芯片），当顾客想要知道包裹的地址时，可以利用北斗二号发射定位信号给小型北斗二号接收机，然后将信息传给RFID站（例如高速公路上的收费站可作为RFID站），RFID站连接物联网，于是顾客就可以在Internet上查到最新物流情况。

图7  现代物流

3.6智能灾害防控

建设地震、海啸等地质灾害监测系统，对地质灾害进行早期监测、预警和有效应急处理。一旦发生了地震、海啸等地质灾害，在地面的通信系统失效或者通信系统没有覆盖的地方，北斗二号既可以给检测站提供定位信息，又可以通过接受传感器信息实时检测该区域的灾害情况。

北斗系统在应急救援系统中的应用

摘要

本文主要介绍了北斗系统相对于GPS系统在我国应用中的区别和优势、北斗系统的工作方式。通过应用案例进一步验证北斗系统在应急救援系统中的应用和发展前景。

关键词：GPS 北斗系统 应急减灾

1、 引言

    全球定位系统（Global Positioning System－GPS）是当前世界上最先进的导航系统。从1994年GPS系统投入全运营至今，GPS已广泛用于民航、舰船、车辆的导航定位；公安、银行、医疗、消防等部门的监控、报警、救援系统；企业物流管理等系统。

卫星导航技术是国家综合国力的重要组成部分，美国、俄罗斯、欧盟都不惜投入巨资建设卫星导航系统。2003年我国的双星定位系统——“北斗一号”卫星导航系统投入全运营，标志着我国成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有卫星导航系统的国家。在今后五年甚至更长时间内，北斗定位系统将是我国唯一可应用于军事目的的卫星导航系统，因此基于对北斗定位系统的应用技术研究对于我军提高武器效能，加快数字化、信息化建设，增强战斗力具有不可估量的重要意义。随着北斗定位系统向民间用户的逐步开放，它对我国国民经济的建设也将会产生巨大的推动作用。

2、 北斗系统简介

20世纪70年代末，美国科学家G.K.Oneill提出了利用地球静止轨道卫星进行定位的设想。80年代初，我国科学家陈芳允院士建议研制中国自己的地球静止轨道卫星导航系统，并称之为“双星定位系统”。1989年9月我国首次完成了双星快速定位通讯演示实验。2000年10月和12月我国发射两颗“北斗一号”导航卫星，分别定点于东经80°和140°的地球静止轨道上。2003年5月第三颗“北斗一号”导航卫星发射成功，定点于东经110.5°赤道上空，作为系统备用卫星。至此“北斗一号”全面建设成功，并投入全运营。“北斗一号”卫星导航定位系统是我国自行研制的区域性有源卫星导航定位通信系统。该系统可以对我国领土、领海及周边地区的各种用户进行定位及授时，并可以实现各用户之间、用户与中心控制站之间的简短报文通信。

图1 北斗一号导航系统星座

“北斗一号”卫星导航定位系统由空间部分、地面控制管理部分及用户终端三大部分组成。空间部分由三颗地球同步卫星（其中一颗为备份星）组成（图1）；地面控制部分由一个中心控制站及若干个标校站组成。中心控制站位于北京，是整个系统的管理控制处理中心，同时与两颗工作卫星进行双向通信，完成对每个用户的精确定位，并将定位信息以短信的方式通过卫星直接发送给用户。标校站分布于全国各地，每个标校站均设置于位置精确已知的固定点上，用于对整个工作链路中各环节的时延特性（如大气传播延迟）进行监测和标校处理；各种类型的用户机是整个系统的用户终端，可用于陆地、海洋和空中的各种用户，满足用户对定位（导航）、授时及通信方面的需求。整个系统的工作原理示意图如图2所示。

图2 北斗一号系统工作原理

定位主要是通过伪码测距的方式，测出用户到每颗卫星的距离，并利用用户自身提供的测高数据（用户至地面的高程）及中心控制站的地面高程数据库中的数据，经计算后得到用户的经度、纬度、高度三维位置信息。

通信的数据主要为汉字和代码两种形式的短消息。通过卫星的转发和中心控制站的交换处理，用户与用户、用户和中心站之间，可实现双向报文通信。

中心控制站通过出站信号以帧时标形式将“北斗一号”系统标准时发往用户，用户在收到标准时和信号传输时延后，可获取高精度的时间信息，实现精密授时功能。在特定情况下用户机还可以发送双向定时申请信息给中心站，中心站处理之后可将更高精度的定时信息发往申请用户，实现双向精密授时功能。

与全球定位系统（GPS）相比，双星定位系统增加了通信功能，具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字报文通信能力，一次可以传送多达120个汉字的信息。“北斗一号”系统由我国自主开发，具有安全、可靠、稳定、保密性强等优点，是我国在战时唯一可以为我所用的卫星导航系统。

3、 北斗系统在应急救援系统中的应用案例

案例1 北斗系统在雨量监测速报系统方面的应用

雨量检测速报系统采用我公司的数据转发型用户机进行组网。该系统凭借其自主性和无通讯盲区的优势，突破陕南多山地域水文测报信息的传输瓶颈，实现了汉中、安康、商洛三地市用户所需的水文水情信息的实时传输，从而大大提高陕南地区的雨情、水情、旱情和灾情信息采集的准确性及传输的时效性，并对其发展趋势做出及时、准确的预测和预报，为制定防洪抗旱调度方案提供重要的科学依据，对陕南水利的发展将起到积极的推动作用。

该系统与目前大多数雨情、水情监测速报系统采用的通信方式不同，系统首次正式采用了我国自行研发的北斗一号卫星作为它的通信系统，由于通过卫星转发，数据可同时发送至县雨情处理中心、市防汛办与市水文局的市雨情接收处理中心、省防汛指挥中心，因而从根本上改变了雨情必须逐级上报的状况，这种“一发四收”的工作方式将过去的“串行”通信改为“并行”通信，大大提高了传输的可靠性及上报的速度，这在“雨情就是灾情”，“时间就是生命”的防汛抗灾阶段，更有重要的意义。

案例2 北斗系统在武警救援监控平台方面的应用

2006年在武警总队监控系统平台建设中主要采用我公司BD-DTX01型北斗多功能通信终端进行组网。设备实现的功能分为单机功能和组网功能两大部分。单机功能是指设备在单独使用时所能完成的功能，包括接收北斗/GPS位置信息，具备获取本机位置能力；短信通信功能实现点对点加密通信、文件自动组包和拆包以实现文件收发功能。组网服务功能是指本设备与其他电子设备连接为电子化指挥系统提供服务的功能。当本设备与电子化设备连接时，这些设备可以通过指定的命令访问本设备，获得定位、通信信息。该系统所具有的特点为：使用监控软件对所有信息以文件形式存储，可选择合适文件进行发送，文件扩展名任意，最大文件传输为400K；以及短信群发功能。

案例3 北斗系统在城市应急指挥体系方面的应用

2009年在洛阳应急指挥系统平台建设中卫星定位子系统采用我公司BD-JZ指挥型用户机进行组网。人防指挥大楼指挥中心卫星定位子系统主要由北斗一号指挥机和其控制计算机组成。

指挥机可下属100个下属用户，在一期设计中人防大楼卫星定位子系统下辖了十台车载型用户机和十台手持型用户机。车载型用户机安装于大型移动平台和小型移动平台上，手持型用户机配备给机动人员使用。指挥机可分别将受控车辆和人员位置信息（经纬度坐标或平面坐标）传递给指挥机的控制计算机所带的GIS系统和大屏幕的GIS系统。GIS系统具有自动漫游、自动跟踪或查询移动目标的运行轨迹、方向、速度、时间等重要参数功能，可动态标记并区分移动目标，并将相关信息显示在控制计算机的屏幕中，实时掌握系统内各用户行动的动态情况。监控中心能广泛、直观地了解整个救灾人员、车辆、物资的情况；指挥站可对下属人员、车辆进行调度和下达命令，从而对整个系统进行有效地监控、指挥、服务。

本系统所具备的主要功能有：1、指挥中心具备检测其下属用户定位点的功能；2、指挥中心具备对其下属用户通播信息的功能；3、指挥中心具备监测下属用户之间通信信息的功能；4、指挥中心具备对其下属用户进行点对点通信的功能；5、指挥中心具备自动接收下属用户回执的功能；6、指挥中心具备和普通手机短信互通的功能；7、指挥中心具备显示北斗时间的功能和授时功能。