卫星导航通信在黄河治理中的应用与展望

发布: 2010-10-20 00:27 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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　　一、卫星导航及应用

　　卫星导航的基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。卫星导航定位技术目前已基本取代了无线电导航、天文测量、传统大地测量技术。通常卫星导航的应用市场可以分为三大方面，它们是专业市场、批量市场和安防市场。专业市场主要是指精密测量、油气和地质勘探、土木工程、民用建筑、精细农业、物流管理、授时、气象、地震，以及各种各样的科学研究。批量市场主要是指车辆导航、船只导航、飞机导航、个人导航，移动目标监控等。安全市场主要是指货运、客运、紧急救援、抢险救灾、安全防范、防盗报警、应急联动等。目前国际上导航卫星系统主要有，美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯GLONASS系统、欧洲伽利略系统和中国的北斗卫星系统等。

　　GPS（Global Positioning System）是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统，由地面控制站、GPS卫星网和GPS接收机三部分组成。地面主控站实施对GPS卫星的轨道控制及参数修正。GPS卫星网向地面发射两个频率的定位导航信息，其中包括两个定位码信号：即C/A码(民用)及P码(美国军用)。卫星用2个L波段频率发射单向测距信号，区别不同卫星采用码分多址。

　　GPS之所以能够定位导航，是因为每台GPS接收机无论在任何时刻、在地球上任何位置都可以同时接收到最少4颗GPS卫星发送的空间轨道信息。接收机通过对接收到的每颗卫星的定位信息的解算，便可确定该接收机的位置，从而提供高精度的三维(经度、纬度、高度)定位导航及授时系统。

　　在黄河的治理开发中，GPS已经应用于水文测报、黄河三角洲防洪减灾、水土保持生态建设、淤地坝建设及黄河调水调沙、下游地区的洪水预报与灾情评估中。GPS定位技术在水土保持工程建设、水土流失监测和生态建设中的应用发展很快。全国水土保持监测方案中明确要求，在全国水土流失监测中，尤其对地面监测，要充分利用GPS全球定位技术，实现数据的快速采集、对象属性的实时分析。

　　“数字黄河”，就是借助全数字摄影测量、遥测、遥感、地理信息系统、全球定位系统等现代手段及传统手段采集基础数据，对黄河流域及其相关地区的自然、经济、社会等要素构建成一体化的数字集成平台和虚拟环境，对黄河治理开发和管理的各种方案进行模拟、分析和研究，并在可视化的条件下提供决策支持，增强决策的科学性和预见性。

　　以众多高新科学技术组成的“数字黄河”有五大技术环节：一是信息采集系统，利用全数字摄影测量、遥测、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）等手段采集数据、图像、声音、视频等基础信息；二是数据传输系统，通过微波、超短波、光缆、卫星等快捷传输方式，传输防汛指挥、水资源管理、水质监测和水土流失治理等所需的基本信息；三是数据存储及处理系统；四是数学模拟系统；五是决策支持系统。

　　在黄河水文测报工作中，黄河口滨海区淤积测验中使用GPS后不仅提高了精度，而且极大地提高了工作效率。过去微波定位仪测量1组船台，需3组岸台联合作业才能完成测验，测量占用人员多，人工整理数据需1～2个月。采用了GPS、计算机和先进的测深设备及完善的数据处理系统后，外业测验及内业数据整理实现了自动化，外业测验人员减少50%，内业数据整理时间减少70%。GPS、全站仪在水库河道测验中的应用替代了传统的断面标志塔、标志杆及六分仪、测深杆等落后设施工具，使定位、测深等技术发生了质的飞跃。

　　2002年7月，小浪底水库上游首场异重流现象形成，水文部门投入近百名直接测验人员，集GPS、激光测距仪、回声测深仪等高新技术测验仪器于小浪底，按既定方案在潜入点附近断面至桐树岭断面80公里范围内布置7条测船全面展开异重流测验，圆满完成了异重流测验任务。2004年10月，在三门峡库区汛后淤积断面测验工作中，手持GPS得到应用，它的使用彻底解决了断面放线问题，有力地保证了测验精度和资料的准确性。

　　1994年开始实施的中芬合作“黄河防洪减灾系统”项目，用于水库河道地形快速精确测量的GPS技术，广泛应用于水库库区地形测量、河道地形测量及黄土高原水土保持监测和配合坝垛工程水下基础探测的平面定位测量，大大提高了测量的速度和精度。

　　淤地坝建设作为2003年全国水利水土保持行业“三大亮点”工程之一，也是生态环境建设和西部大开发的重要组成部分。GPS定位技术的应用，发挥技术优势，增加科技含量，提高工程质量，具有非常重要的作用。GPS定位技术还应用于淤地坝工程建设的全过程，包括工程设计、工程施工放样、竣工验收、动态监测、工程信息系统数据更新等内容。

　　二、北斗卫星导航系统

　　2003年5月25日，我国在西昌卫星发射中心将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送上太空，标志着我国拥有了自己的第一代完善的卫星导航定位系统。北斗卫星导航定位系统是第一代全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，它由两颗工作星和一颗备份星组成。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空。

　　北斗卫星导航系统具有三大功能，一是快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务；二是简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。三是精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步,可提供数十纳秒级的时间同步精度等。

　　北斗卫星导航系统可以为船舶运输、公路交通、铁路运输、野外作业、水文测报、森林防火、渔业生产、勘察设计、环境监测等众多行业以及其他有特殊调度指挥要求的单位提供定位、通信和授时等综合服务。

　　三、北斗导航定位和GPS定位系统的区别

　　北斗导航定位和GPS定位系统，首先都是导航定位系统，采用的定位技术不同，定位的范围也不相同。目前，北斗还不是全球定位。北斗是双星定位，而非三星定位。“北斗一号”卫星导航系统与GPS系统的主要区别是：

　　（1）覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我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。

　　（2）卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约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°。

　　（3）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。

　　（4）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码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约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，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，GPS的用户设备容量是无限的。

　　（6）“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是GPS所不具备的。

　　综上所述，北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。最重要的是，“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统。

　　四、北斗卫星系统在“数字黄河”工程中的应用

　　“黄河小花间暴雨洪水预警预报系统”作为“数字黄河”的首项工程，是黄河水文由传统水文迈向现代水文的标志性项目，它由水文测验设施建设、水情信息采集传输、气象水文预报和预警预报中心4个系统组成，充分应用了“3S”先进技术。

　　根据小花间暴雨洪水预警预报系统总体设计要求，水情信息采集传输采用我国自主产权的定位导航通信卫星和GSM短信息两种通信方式，互为备用。小花间遥测系统包括31处遥测站（委属的20处水文站和11处雨量站）建设的第一期工程已于 2003年完成，2004年汛期运行结果证明了北斗卫星通信系统的稳定和可靠。

　　五、应用展望

　　卫星定位导航技术是正在发展中的高新技术，北斗卫星是我国拥有自主产权的卫星导航定位系统。水利部部长汪恕诚指出，到2010年，全国各大流域机构将全面建成以“3S”技术为基础、以大型数据库为支撑的“数字化流域”，进而形成全行业的水利信息公用平台和覆盖全国的水利信息网络。

　　利用若干颗导航定位卫星组成卫星导航系统，综合了传统天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台，可在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。我国自行研制生产的北斗卫星导航定位系统，不仅具备了上述能力，而且在定位性能上有所创新。毋庸质疑，随着“数字黄河”工程建设的全面启动，卫星定位导航系统，特别是我国自主产权的北斗卫星系统必将在水文测报、水土保持生态建设、水资源优化调度、河道治理及下游地区的洪水预报与灾情评估中发挥越来越重要的作用。

摘自　北极星