北斗”系统的优劣势分析
摘要：“北斗”系统是我国自行研制的卫星导航定位系统，作为全球四大卫星导航定位系统之一，在我国的军用和民用领域中均发挥着重要作用。北斗系统作为一种新的卫星导航定位系统技术，有着明显的优势，同时也存在这缺陷和不足。本文分析了北斗系统与GPS系统相比具有的优势和不足，以及应用优势和劣势，并在此基础上分析了北斗系统的应用前景。
关键词：北斗系统，导航，定位，特点，应用
1 引言
我国自行研制的北斗卫星导航定位系统（简称北斗系统，Compass），从2004年正式运营以来，系统工作良好，已在测绘、森防、电信、水利、交通运输、勘探、防灾救灾和国防安全领域发挥了重要作用。
北斗系统由空间卫星、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。该系统基于“二球交会”原理进行定位，即以2颗已知坐标的卫星为圆心，各自以测定的本星到用户接收机的距离为半径，形成两个球面，用户接收机必定位于两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。求解圆弧与球面的焦点，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坐标[1]。
北斗接收机在工作时，首先，由用户机接收来自两颗卫星的询问信号（卫星的询问信号是由控制中心发给两颗卫星的，再由卫星转发器播发给用户机），用户响应其中一颗卫星的询问信号，通过用户机同时向两颗卫星发送响应信号，再经卫星转发；然后，用户机利用系统的通信功能，将自己的二维位置通过卫星发送给控制中心，控制中心根据用户的二维回到地面控制中心，控制中心接受并解调用户发送来的响应信号，根据用户的申请服务内容进行相应处理。
2 北斗系统的系统特点
北斗系统作为我国拥有自主知识产权的卫星导航定位系统，是为了打破欧美对卫星导航市场的垄断，也是应国防安全的需要而建立的。它的建立有着自己独特的经济、政治和文化背景，拥有自已鲜明的系统特征。与国外的卫星导航定位系统（如GPS、GLONASS及Galileo）性比，具有以下特点[2-4]：
（1）北斗系统是区域卫星定位导航系统
北斗系统的空间部分为两颗地球同步轨道卫星，固定在中国上空。因此它覆盖的区域仅是我国本土及其周边地区，是区域性卫星导航定位系统。覆盖范围为东经70~145度，北纬5~55度；能够无缝覆盖我国全部国土和周边海域。能够为我国全境范围内的用户提供实时全天候、全天时、无处不在的良好的导航定位服务。
作为区域卫星导航系统，北斗系统的优势在于需要的卫星颗数少，所需要的维护费用也低，所以资金投入就少，对国家的经济压力就小；但是也有自身的缺陷，无法进行全球定位、无法进入国外市场等。
（2）双向报文通信功能
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功能。这种简短的通信功能，能够有效地满足通信信息量较小、即时性要求较高的各类用户的应用要求。对既需要定位信息又需要将定位信息传递出去的用户，北斗系统将是非常有用的。在2008年，中国5.12汶川大地震的抗震救灾工作中，在移动通信基础设施遭到严重损坏而无法正常工作时，北斗卫星导航系统发挥了独特的优势和不可替代的作用，成为抗震救灾指挥与保障的重要手段，展现了北斗系统在救灾应用中的创新和智慧。对于没有报文通信功能的常见卫星导航定
位系统（如GPS、GLONASS等），由于无线移动通信信号遮蔽、干扰严重，已经无法满足正常的救灾调度、指挥的需要。
（3）北斗系统采用有源定位模式
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，使得用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在许多应用中是不利于用户的。北斗系统的位置解算工作是在控制中心进行的，对地面控制中心的依赖性很大，一旦控制中心系统受损，整个系统就无法正常工作了；其次，用户设备必需包含发射机和接收机，因此其体积、重量、功耗和价格等方面远远高于GPS接收机，这也使得应用不便。
由于北斗系统工作方式的特殊性，从用户发出定位申请，到收到定位结果，定位申请指令要从用户机到卫星，再到控制中心；控制中心接收到定位申请后，对用户位置进行解算，然后由控制中心将定位结果通过卫星，发射给用户，整个定位响应时间最快为1s。1s的响应时间，对飞机、导弹等高动态的用户来说时间嫌长。适合于给车辆、船舶等移动速度较慢的用户提供导航服务。这种较差的实时性，在一定程度上限制了北斗系统的应用范围。
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，北斗系统的用户工作设备容量是有限制的。系统根据用户的不同服务等级（共分为3个等级），为用户提供服务。
（4）北斗系统精度特征
北斗系统的二维水平定位精度为100m（设标校站为20m），双向授时精度为20ns（单向为100ns），与GPS的民用精度基本相当，能够满足一般用户的授时和定位导航需求。北斗系统的用户位置解算是在地面控制中心进行的，用户的精确三维精度在一定程度上取决于控制中心存储的有效数字地图的准确度和精度。
此外，北斗系统的信号采用码分多址技术，工作的波段由于强降雨、雪、雾等恶劣天气而引起的信号衰减效应非常小，因此北斗系统可以充分保证系统的信号传输不受雨衰效应影响。北斗系统以双向伪距时间同步方法摆脱卫星时间同步与精密轨道之间的依赖关系。解除了一个卫星原子钟性能下降对其他卫星钟同步及精密定规的影响。
3 系统应用产业优劣势
卫星导航产业由产业链上游的核心芯片与模块、地图数据和软件、嵌入式系统等基础产品的研发和制造；产业链中游的各种应用终端产品集成、系统集成、解决方案提供；系统下游的系统运营商增值服务等一系列链条构成。卫星导航产业作为国家重要的信息基础体系，直接关系到国家安全和经济发展，也是“感知中国”物联网建立的基础。
当前以北斗导航卫星应用为主的资助卫星导航产业正处于规模不打、发展迅速的产业形成期，已经被国家列为当前优先发展的高新技术产业化重点。下面将对北斗导航卫星应用产业的优势和劣势两方面进行分析。
以北斗导航卫星应用为主的自主卫星导航产业在与GPS产业竞争中，将自身应用优势作为核心竞争力，技术和应用水平逐步接近国际水平。北斗系统应用优势主要体现在[5]：
（1）北斗卫星导航定位系统具有定位和通信功能，形成了自主卫星导航产业的核心竞争力。自主创新的综合集成，北斗导航系统不仅能够直接为用户提供服务区内全天候、高性能的定位、导航、授时和通信等基本服务，也可以根据用户的需求，提供从系统到用户终端的全方位增值服务，为用户带去更佳、更便捷的解决方案。
（2）北斗导航系统应用依托国家政策和资金支持，能够成功克服产业发展过程中系统投资大、市场培育慢、回报周期长等不利因素，初步形成了导航产业信息综合服务、产品研发制造和系统标准规范三大体系。国家能够制定北斗系统的应用开发规划和市场准入机制等，防止应用市场的恶性竞争。
（3）北斗系统应用运营商是通过授权的形式，授权给具备行业背景的运营商进行经营，逐步形成了行业应用优势。神州天鸿和北斗星通是北斗系统主管部门正式授权许可的运营分理单位。它们自建立之初就围绕北斗民用业务开展了长期、有效的推广工作。通过深入的市场调研和需求分析，并在水利、林业、石油、船舶、铁路等行业用户进行了长期的试用和实验工作，面向客户需求提供了先进、易用、可靠的北斗应用解决方案；同时联合国内众多优秀的北斗科研机构、终端制造企业和行业应用系统集成商，共同致力于扩展民用终端设备的适用范围，提高设备的稳定性、可行性，并努力通过技术进步和扩大规模来降低用户采购成本。
与此相对的，北斗导航卫星应用的应用落后，是由于市场上与GPS的激烈竞争，更主要是由于北斗系统应用在现实产业化方面与GPS应用产业相比，处于绝对的劣势。北斗系统的应用劣势主要体现在[6]：
（1）北斗系统应用滞后于系统建设，使得系统效益不能及时发挥。先建成系统，再着手于系统应用的开发，不能及时有效地发挥系统带来的效益，无法快速实现系统的社会和经济效益，随着GPS等系统应用在市场上的进一步拓展、巩固，也使得北斗系统应用市场的推广更加艰难。
（2）北斗系统的用户终端设备便携性低、价格偏高，无法在市场上与GPS系统形成竞争。北斗系统的有源定位技术体制，决定了用户终端设备能收能发的技术优势；但是，这种体制也使得用户终端设备必需包括接受和发射装置，不仅增加了用户机的重量、体积和功耗，降低了便携性，也使得用户机的生产成本增加，导致了用户终端设备价格偏高，无法在市场上与GPS系统形成竞争。
（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，一方面是由于受到传统航天工程思想的影响，先建设系统再开发应用；另一方面是由于用户终端设备的研发，投资大、技术难度高等特点，使得国内的关键芯片和器件研发无法突破技术“瓶颈”，致使关键器件都依靠进口，阻碍了北斗系统应用的推广。
（4）北斗系统用户终端内部规范不统一，促使关键器件的生产和采购长期无法集中，维护
不便、互相不兼容等，都阻碍了系统应用的正常推广。制定统一的规范，各研发、制造单位多进行交流，形成统一的技术标准，不仅有利于服务的提供，也能促使北斗应用市场的产业化发展。
4 系统应用产业化前景
近年来，北斗系统的推广应用得到国家相关部委的重视和支持，2003年7月，国家863计划信息获取与处理技术专题领域设立了“北斗一号导航卫星综合应用服务平台支撑技术和应用示范”专项研究课题。同时，在交通部和有关部门的支持下，进行北斗民用终端设备及应用接口的标准工作，为北斗的大规模民用奠定了基础。交通部批准发布了《北斗系统民用车（船）载终端设备技术条件和使用要求》等三个行业标准。这些都为北斗系统应用的发展提供了良好的前提，北斗系统的应用也逐渐迈向了产业化的道路。
北斗系统作为全球在运行的三大卫星导航定位系统之一，也是我国国家信息基础设施之一，是实现社会信息化（“感知中国”网联网）的重要工具。它的应用涉及到国家经济建设和国防安全的各个领域，政府应该高度重视推进北斗系统应用的产业化发展。为此，对提高北斗卫星导航产业的自主创新能力，提出以下几点建议：
（1）促进导航理论和其它技术的密切结合，自主创新开发具有核心竞争力的导航产品。包括导航理论与信息技术、导航理论与地理科学等的密切结合，通过国内优势企业、科研单位和高等院校的合作，实现导航理论与其它技术的结合，开发出具有竞争力的导航产品，推动系统的发展。
（2）促进北斗系统应用与GPS等国际导航卫星系统应用的融合，实现多系统的兼容互操作，形成各种卫星资源的优势互补。实践证明，多系统的融合和兼容互操作是未来导航定位应用市场的发展趋势，而单一系统的技术和市场将逐渐被淘汰。