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北斗区域卫星导航系统应用及发展展望



北斗区域卫星导航系统模拟示意图

 

  三年14星,对于单一卫星型号而言,这样的发展速度着实让人惊叹。密集发射、快速组网、连续成功,这样的结果也着实让人对中国航天的能力刮目相看。

  按照“一次设计、组批生产、流水测试、密集发射、加快组网”的要求,中国航天科技集团在不到三年的时间里成功实现了14颗北斗导航卫星的密集发射和组网运行,再加上2007年和2009年发射的两颗试验星,北斗区域卫星导航系统正式建成,服务性能日渐趋稳。

  而就在北斗卫星导航系统加紧布局组网建设的同时,北斗应用及其产业化步伐也在加快推进。

  经过多年的发展,我国卫星导航应用产业化水平得到不断提升,北斗卫星导航系统已经被广泛应用到交通运输、基础测绘、工程勘测、资源调查、地震监测、公共安全与应急管理等国民经济众多领域,在应急救灾中发挥了重要作用,在保障船舶安全航行、交通运输、海洋石油勘探、海洋资源调查、海上搜救打捞、海洋和关口工程建设施工等方面发挥了重要作用。

  摧不垮的生命线

  在紧急救援上,基于北斗卫星导航系统的导航定位、短报文通信以及位置报告等功能,可以实现全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务功能,极大地提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。

  相信很多人对2008年汶川大地震都有抹不掉的记忆。当时,震区通信设备全部遭到破坏,通信联系中断,前后方在抗震救灾中的联系成了一个最为棘手的难题。

  前往震区救灾的部队与后方指挥中心无法建立有效联系,怎么办?情急之下,有关单位迅速调拨了1000台北斗用户机,配备给一线救援部队。

  而那时,北斗用户机接收的还都是北斗一代也就是北斗卫星导航试验系统传输回来的导航信号。北斗卫星导航系统参与抗震救灾的序幕也由此正式拉开。

  借助北斗卫星用户机,四川震区40个重灾乡镇405个村社全部建立了通信联系。借助于“北斗”,后方指挥部实现了“看得见”的救援指挥,前方救援部队实现了实时的短报文通信,指挥命令可以及时下达,灾情信息也可以实时上报,前后方之间架起了一座有效的信息沟通桥梁,保证了整个救灾的指挥调度,在决策、搜救、医疗等工作中发挥了关键作用。

  覆盖范围广,受地面影响小,定位准确及时……凭借着这些优势,北斗卫星导航系统成为了此次抢险救灾过程中最有力的通信手段,甚至被誉为汶川地震灾区救援过程中“一条摧不垮的生命线”。

  同时,我国自主研发的“基于北斗的救灾应急指挥调度系统”,也为搜救工作提供了诸多帮助。国家民政部门先后向川、甘、陕三省灾区派出了4个工作组,每个工作组都携带着北斗导航卫星手持或车载型用户机。

  每到一个受灾地点,救灾人员首先利用北斗手持机进行定位,这时,远在千里之外的国家民政部减灾中心救灾应急指挥调度平台的屏幕上就可以清晰地将救灾工作人员的实时位置标注在电子地图上。同时,救灾人员可以将所见所闻和受灾情况利用短信方式发回中心,中心的平台软件即可将此条信息与位置标注结合,形成一个灾情信息点,从而快速、准确、方便地实施灾情数据采集和上报。

  当时,四川地区的三个国家级和多个省级气象数据采集站通信链路中断,无法上报气象数据,而灾区天气又连日多雨,对受灾群众的安置和救灾工作极为不利。“基于北斗的自动气象监测系统”则较好地解决了气象数据的远程测报问题。

  汶川地震造成了2000余座水库受到不同程度的损坏,随时可能发生重大洪灾,急需对堰塞湖和众多水库进行实时监测和灾害预警。然而,当地仍然余震不断、滚石乱飞,人工勘测十分危险,采用无人值守的“北斗远程自动数据采集系统”代替人工值班,便成为了最佳的方式。不仅如此,在2008年南方冰冻灾害、2010年玉树抗震救灾、舟曲泥石流救灾中,北斗卫星导航系统同样大显身手。

  停在高空的忠诚卫士

  “北斗帮与岸上沟通,和家人联系,还能收到各种预警预报、收到各种简讯!”海南陵水渔民林同兴提起北斗卫星导航系统喜形于色,在海上遇过险的他通过北斗导航终端成功发出求救信号,并因此获救。

  自然灾害面前,“北斗”挺身而出,日常生产生活中,“北斗”也是“八面玲珑”,渔业就是北斗卫星导航系统应用最早也最为广泛的一个行业之一。安装了北斗系统终端,不仅可以为船只导航,还可以通过北斗独有的短报文技术,报告船只位置和船上人员的情况。

  2010年11月,海南省投资了近8000万元开始在全省6000多艘大中型渔船上安装北斗卫星导航系统终端,对大中型渔船实施有效监控管理。价值1.3万元的北斗系统终端,渔民只需出资10%,剩余部分由政府补贴。在很多渔民看来,这1000多块钱的终生“保命钱”,花得很值。

  截至今年2月底,通过北斗监控平台先后向渔民发送了12500余次热带气旋等危险气象信息警报,指挥救助9起,救助渔船6艘、旅游船1艘、危重病人1人、渔民27人、游客6人,有效避免涉外事件4起,挽回经济损失上亿元。

  目前,全国已经有近10万艘出海渔船都安装了北斗卫星导航系统终端,其应用极大地保障了渔船出海安全,巩固和发展了渔业生产。中国航天科技集团的资料显示,海洋渔业现已成为北斗民用规模最大的行业。目前,北斗海洋渔业综合信息服务的海上用户量已达3万;已开通北斗终端与手机短信息互通服务的手机用户超过7万,短信量月高峰可达70万条。也难怪会有渔民夸张地形容,现在渔船上只供奉两样东西,一样是妈祖,另一样是北斗。

  随着我国公路建设的飞速发展,高速公路边坡(滑坡、崩塌)综合防护系统研究日益引起公路部门重视。有效的边坡综合防护系统,对于加固路基,提高使用寿命、降低维护费用都是十分有效的。对于大跨度桥梁,特别是跨海的桥梁,传统变形测量方法受到极大的限制,需要新的测试方法。

  北斗卫星导航系统技术用于公路边坡、桥梁变形监测,由于不受通视条件的限制,因而选点灵活,可以根据监测需要,将监测点布设在对变形体的形变比较敏感的特征点上,而且卫星导航定位系统静态相对定位具有很高的定位精度和较强的作业自动化程度,这些特点和优点使得卫星导航定位系统在公路边坡等地质灾害及桥梁变形监测中有着广阔的应用前景。

  基于北斗卫星导航系统的大型桥梁安全监测系统可以监测桥梁锚锭处沉降、桥塔处变位偏移、桥身相对变形;监测桥梁在异常状况下(地震、台风、船只撞击等)的动力响应,并且可以通过实时观测,得出桥梁的固有动态特性的发展状况;通过北斗卫星导航系统测试得到的桥梁变形与动态数据,对桥梁的安全状况进行评估,并实施预报警。

  电网是一个巨大的系统工程,要确保电厂、变电站的设备运转同步进行,必须首先要确保设备内部时钟的一致性。为了统一内部时钟,此前我国电力系统不得不把美国的gps(全球定位系统)作为主要的授时手段,通过gps的民用频道向电力系统的电力自动化设备、微机监控系统、安全自动保护设备、故障及事件记录等智能设备提供授时信号,以实现电力系统的“同步”运行。

  基于我国北斗导航系统研制成功并投入使用的“北斗电力全网时间同步管理系统”,结束了我国电力运行时间完全倚赖美国gps全球定位系统的历史,解决了电力系统时间同步应用中的三个难题:可靠的时钟源,全网时间同步管理,远程集中实时监测维护。有效保障了我国电力安全和国家安全。

  这套系统的单向授时精度为100纳秒,双向授时达到20纳秒,指标均优于国外同类系统。目前,华东电网所辖的富春江水电站、新安江水电站、南京东善桥变电站、上海南汇变电站已经安装了北斗授时监控装置,挂网运行一年多时间,运行稳定、安全可靠。

  森林火灾造成的损失极为严重,森林防火工作的信息化建设已成为必然趋势。北斗系统可实现全国范围的无缝覆盖,具有定位、授时、短报文等功能,为森林防火、扑火的指挥调度提供了新的技术,有效解决了火场定位、侦察、引导扑救、后勤保障、损失评估等问题。
 

  相关科研工作者2001年开始就从事研究北斗在森林防火中的技术应用,并在2002年完成应用试验,2003年开始用于森林防火实战。目前全国各地森林防火系统已经配备200多台套,森林武警指挥部及所辖总队共配备500多台套。

  一位资深外国安全专家在看过北斗的介绍后,竖起了大拇指,“中国的北斗,上天入地无所不能。”别看北斗在高高的太空中遨游,在地表之下,它同样发挥着重要的作用。之所以说北斗上天入地“无所不能”,就是因为在煤炭安全生产中北斗同样施展着自己的才能。

  将北斗卫星定位通信技术与井下监测技术相结合,实现对井下瓦斯浓度、风机转停等关键参数的实时监测,数据流从矿井口的监测站(pc机+北斗用户机),通过北斗卫星系统数据链路传送到北斗卫星运营服务平台,经平台转发,通过有线或无线网络传到各级监测中心,实现对矿井瓦斯、风压和设备工作状态等数据的远程监测,为我国的煤矿安全生产又提供了一种有效的监测监控手段。

  北斗卫星导航系统开放民用,在国民经济重点领域成功推广,有力保障了经济社会建设发展。国家对北斗应用推广非常重视,国家发改委、科技部、国防科工局、农业部等有关部委给予热情指导,并支持安排了一批应用示范项目。

  国民经济“助推器”

  据有关部门提供的数据,自2003年北斗卫星导航试验系统正式提供服务以来,在交通、渔业、水文、气象、林业、通信、电力、救援等诸多领域得到广泛应用,注册用户已达6万,产生了显著的社会效益和经济效益。

  北斗的导航功能是众所周知,但是很少会有人想到,北斗还能被用来“反腐倡廉”?截至去年年底,广州共计8316辆公务用车安装了北斗卫星电子监控系统,公车行驶里程较以往减少了20%以上。

  凡是装了北斗系统终端的公车,在节假日的时候都是放在单位里面的。要是周六、周日有人要开公务车,车内系统会提醒“今天是休息日,如果要使用的话要办理手续”。而且车启动之后,监督系统就会自动生成信息发给监督系统的管理员。

  交通运输部“重点运输过程监控管理服务示范系统工程”,已落实9个示范省市8万台“两客一危”车辆终端安装计划;初步完成了各应用子系统的设计工作,正稳步开展研制开发工作。预计今年年底在道路运输管理中实现北斗的大规模应用。

  同时,北斗卫星导航系统的地域应用计划,也风风火火地开展起来,未来,北斗有望直接“导航”普通百姓生活。在上海,智慧城市北斗综合应用示范工程即将启动,北斗导航位置服务技术创新基地也将落户大虹桥,“智能呼叫”、“智能交通导航”、“特殊人群关爱”包括心脏病人健康预警等关系到百姓生活的民生应用项目,即将进入百姓生活。

  北斗的功能还远不止此,在水利上,基于北斗系统的水文监测系统建设完成,实现了多山地域水文测报信息的实时传输,大大提高了灾情预报的准确性,为制定防洪抗旱调度方案提供重要的保障;气象观测预报上,研制成功了一系列气象测报型北斗终端设备,提出了实用可行的系统应用解决方案,解决了国家气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输和可视化问题……

  未来应用 星光无限

  据资料显示,目前,我国涉足卫星导航应用与服务产业的厂商与机构超过5000家,2010年产值超过500亿元,预计2020年这一数字有望跃升至4000亿元,我国卫星导航产业进入高速发展时期,成为国民经济新的重要增长点。

  上至航空航天,下至工业、渔业、农业生产和日常生活,卫星导航应用技术无所不在,并已经开始成为我国国民经济建设的“助推器”。正像北斗导航工程总设计师、中国航天科技集团高级技术顾问孙家栋院士说的那样,北斗卫星导航系统的应用,只有想不到的,没有做不到的。

  面对目前激烈的竞争形势,孙家栋认为,当务之急,一是要大力推进北斗全球卫星导航系统建设,二是要着力推动北斗卫星导航系统应用。

  “现在已经建成和在建的导航系统全球共有4家,想要争夺更多的发言权,就必须加快启动,加速发展,早日赢得全球导航领域的话语权。”孙家栋认为,这其中涉及到的不仅仅是空间星座建设的攻关和突破,更重要的是推动其在国家安全、经济建设等各个方面的广泛应用,“导航系统建设的最终目的还是应用。”

  北斗卫星导航系统投入使用,结束了长期单一依赖国外系统的历史,确立了我国在卫星导航领域的国际地位。

  北斗卫星导航系统的建成,中国成为继美、俄之后,第三个拥有自主卫星导航系统的国家,打破了国外的封锁与垄断,结束了长期单一依赖国外系统的历史。

  通过多年的开拓实践,北斗导航已经在国防和经济社会建设中发挥显著效益,卫星导航受制于人的被动局面得到根本扭转。2007年,联合国有关机构正式确认北斗为全球卫星导航四大核心系统之一,“中国北斗”成为一块让世界关注、让中国骄傲的民族品牌。

  而要进一步促进我国北斗卫星导航应用市场的快速发展、推动北斗更加及时有效地进入百姓生活,首先就必须要大力突破具有核心自主知识产权的接收机芯片的研制和大规模生产等一系列应用技术支撑,真正使天上的北斗接上地气儿,也让北斗真正能够走进千家万户。




 

关键词: 北斗 区域 卫星导航