【测绘应用】浅析北斗卫星导航系统及在测绘中的应用
2017-10-31
自古以来由于人类生存生活的需要，人们一直在探索研究导航定位的方式方法。从传说中黄帝战蚩尤时用的指南车，到中国四大发明之一的司南；由1730年T.戈弗雷与John. Halley发明八分仪，至20世纪70年代美国研制新一代空间卫星定位GPS的产生，人类从未放弃过对导航定位系统的探求。近年来，继美国GPS与俄罗斯GLONASS之后， 我国也自行研发了第三个成熟的卫星导航系统——北斗卫星导航系统CNSS。
目前，北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。中国科技部2013年4月份表示，老挝和文莱将通过研究与合作协议初步采用该导航系统。3月底，泰国和中国签署了类似协议，泰国成为中国国产导航系统的首个海外顾客。
北斗卫星导航系统除在国防军事中的重要应用外，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、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。本文就对该系统应用在测绘行业进行浅析。
1.北斗卫星导航系统综述
北斗卫星导航系统〔BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System〕是我国自主研发、独立运行的拥有自主知识产权的区域性有源三维卫星定位与通信系统，简称CNSS，该系统是一种集测量技术、定位技术、数字通讯和扩频技术为一体的全天候区域性卫星导航、定位、通信系统。是继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。
2.北斗卫星导航系统组成及原理
2.1系统组成
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；地面端包括主控制站、注入站和监测站等若干地面站；用户端则由北斗用户端以及与美国GPS、俄罗斯GALILEO、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。
中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和十六颗北斗导航卫星（其中，北斗—1A已经结束任务），将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。
2.2系统原理
北斗卫星导航系统的工作原理是：先由地面端的中心控制系统同时向卫星I号和卫星II号发射询问信号，经过卫星转发器对服务区内的所有用户进行信号广播。终端用户在响应其中一颗卫星的询问信号的同时向两颗卫星发送回应信号，信号经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接受并解调终端用户发来的信号，然后对用户申请内容进行数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟数据。通过对数据处理，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。
3.北斗卫星导航系统与国外卫星导航系统比较
与国外卫星导航系统比较。俄罗斯的GLONASS系统由于前苏联解体时期造成研发维护经费不足，目前无论是实用性和前景都不理想；而欧洲的GALILEO目前仍然处于试验研发阶段，也并非是成熟的导航系统。因此这里只将普及率最高的美国在20世纪70年代的GPS与北斗卫星导航系统做一比较：
（1）覆盖范围：目前北斗卫星导航系统是覆盖中国本土及周边的区域导航系统。覆盖范围约为东京70°～140°，北纬5°～55°。而GPS的信号是覆盖全球的。
（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°。GPS导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。
（3）定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航系统。通过地面中心控制系统解算，供给用户三维定位数据。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的三维定位数据。
（4）定位精度：目前北斗卫星导航系统三维定位精度约为几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度目前约20ns。
（5）用户容量： 北斗导航系统由于是主动双向测距的询问——应答式系统， 终端用户设备与地球同步卫星之间不但需要接收地面中心控制系统的询问信号， 还要求终端用户设备向同步卫星发射应答信号，所以系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和终端用户的响应频率。因此北斗导航系统的终端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便可进行测距定位，所以GPS的用户设备容量是无限的。综上所述，北斗卫星导航系统同时具备通讯和定位功能；覆盖中国及周边国家和地区，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；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。
4.北斗卫星导航系统在测绘中的应用
北斗卫星导航系统（COMPASS）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10m，授时精度为50ns，测速精度0.2m/s。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。由于自主研发、拥有独立知识产权，北斗导航系统用于工程测量中，不但会受到他国人为技术性干扰，更为测量成果的保密性和安全性提供保障。
目前已经有基于北斗卫星的伪卫星定位系统及其测量方法，系统通过伪卫星主站与北斗卫星高精确时间同步，从而修正伪卫星从站的钟差，用户机不仅可以在中国北斗系统中实现主动定位，而且可以接收伪卫星信号构成多星定位。
北斗卫星导航系统将广泛用于中小比例尺测绘，静、动态测量数据采集，非高精度工程放样，水文地质测绘，矿山变形观测，灾后全天候测绘等几乎涵盖所有范畴的测绘工程。
5.北斗卫星导航系统在测绘中的实例分析
以陵水县国营岭门农场1：1000比例尺地形测量项目为例，针对测区内具体情况，采用RTK升级三星系统新仪器进行测量。
岭门农场测区属于丘陵地区，测区内植被以槟榔和橡胶为主，部分为丢荒作物园地。因为作业时间为是5月份，植被枝叶茂密，隐蔽度大，使用RTK作业受影响太大。
项目采用海南平面坐标系，国家85高程基准。作业过程中，测区内的林地因为RTK周边信号弱、采集数据慢、接收精度低，故利用三星系统新技术直接施测，直接获取海南平面坐标系和85高程成果。测区采用这种方法，在一些低洼地、橡胶园地、山谷等信号较弱地带，新三星系统对比RTK旧系统，信号强度明显强于旧系统，基本都能收到固定解，接受精度都能达到测量要求标准。按此方法对90%测区面积进行了观测，其他10%由于信号强度确实达不到测绘要求，结合了全站仪进行观测。
6.结束语
作为我国自主研发、拥有完全知识产权的新一代全天候卫星导航系统，在2008年南方的冰冻灾害、北京奥运会、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。随着该系统不断地完善，定位精度的不断提高，北斗卫星导航系统将取缔GPS成为国内普及率最高的全天候卫星导航系统，在测绘工程中发挥重要作用。
文章来源： 北斗时空
