原创 风一样的航哥 航哥小站 2024年12月05日 08:00 江苏

一、北斗系统增强技术的定义

北斗系统增强技术是指通过一系列技术手段，提高北斗卫星导航系统的定位精度、可靠性和服务范围的技术。它主要包括地基增强技术、星基增强技术和低轨卫星导航增强技术等。

二、北斗系统增强技术类型

1.    地基增强技术

原理：通过在地面建立大量的基准站，接收卫星信号并进行处理，然后将修正信息发送给用户，以提高定位精度。

组成部分：基准站网络、数据处理系统、运营服务平台、数据播发系统和用户终端。

基准站网络：由多个分布在不同地点的基准站组成，负责接收卫星导航信号。

数据处理系统：对基准站接收到的信号进行处理和分析，生成修正信息。

运营服务平台：负责管理和分发修正信息，以及与用户终端进行通信。

数据播发系统：将修正信息通过卫星、广播、移动通信等方式播发给用户终端。

用户终端：接收修正信息，并结合自身接收到的卫星信号，实现高精度定位。

2.    星基增强技术

原理：利用地球静止轨道卫星或其他中高轨卫星，搭载卫星导航增强信号转发器，向用户播发修正信息，提高定位精度。

关键技术：精密定轨与钟差估计、增强信号设计与传输、用户端算法与接收机设计。

精密定轨与钟差估计：精确确定卫星的轨道和时钟误差，是星基增强系统的核心技术之一。

增强信号设计与传输：设计高效、可靠的增强信号格式和传输协议，确保修正信息能够准确、及时地发送给用户。

用户端算法与接收机设计：开发适应星基增强信号的用户端算法和接收机，提高定位精度和可靠性。

3.    低轨卫星导航增强技术

原理：利用低轨卫星提供高带宽、低延时的全球导航卫星系统差分信息增强服务，缩短精密定位的收敛时间，提升导航服务的可用性和可靠性。

低轨卫星比中高轨卫星的重量轻、轨道更低，可通过一箭多星方式发射，卫星的研发成本和火箭发射成本较低。低轨卫星轨道高度一般低于1000km，相较于20000km以上高度的中高轨导航卫星，低轨卫星信号传输路径更短、信号时延和功率损耗更小。相同信号功率低轨卫星发射抵达地球表面的信号功率将比中高轨卫星高出30dB（即1000倍），更强的落地信号功率可在复杂地形环境和复杂电磁环境下改善定位的效果，提升抗干扰和反欺骗能力。低轨卫星运行速度快，加快高精度定位收敛时间，用户体验更优。信息速率更高，可播发更多精密改正信息。终端小型化、集成化、低功耗，易于用户使用。

三、北斗系统增强技术原理

1.    地基增强技术原理

采用局域差分技术，在地面建立参考站，通过网络或电台向外实时发送改正数，用户接收到改正数后直接对观测值进行改正，达到厘米级定位精度。具体来说，由中心控制系统向卫星和卫星同时发送询问信号，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。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撤出两个时间延迟。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。北斗地基增强系统的运行原理是地基增强系统一般采用实现简单、精度高的局域差分技术，通过在地面建立参考站，向用户实时发送改正数，以实现高精度定位。

2.    星基增强技术原理

利用地球静止轨道卫星搭载卫星导航增强信号转发器，向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对原有卫星导航系统定位精度的改进。其特点是通过用户应答，在完成定位的同时，完成了向外部系统的用户位置报告，还可实现定位与通信的深度集成。例如，区域短报文服务是利用3颗GEO卫星，实现终端用户与北斗地面运控系统之间的通信，终端位置由北斗地面运行控制中心进行解算。全球短报文服务通过14颗MEO卫星的星间链路完成全星座间的数据通信，进而实现全球终端数据联网通信功能。

3.    低轨卫星导航增强技术原理

低轨卫星作为导航信号增强源，能够有效缩短精密定位的收敛时间，提升导航服务的可用性和可靠性。通过接收北斗双模四频观测数据，进行在轨数据处理、精密轨道和时钟信息计算，生成双频测距信息播发至地面，地面接收机同时接收多种信号进行联合定位。具体而言，武汉大学牵头论证了天基信息实时智能服务系统，提出了LEO - NA技术方案。“珞珈一号”科学实验卫星圆满完成了夜光遥感和LEO - NA技术的在轨试验，配置适用于微小卫星搭载的专用导航增强载荷，在星上信号收发隔离、星上高精度时间维持、载荷小型化、低功耗设计等关键技术方面取得突破。地面接收机根据LEO - NA信号的特性进行优化，提升了低轨卫星捕获灵敏度和跟踪精度，同时接收GPS、北斗、“珞珈一号”的测距信号进行联合定位，显著缩短了PPP收敛时间。

四、北斗系统增强技术主要技术

（一）地基增强技术相关技术

1.基准站网络建设技术

o由多个分布在不同地点的基准站组成，负责接收卫星导航信号。基准站的布局需考虑地理覆盖范围、地形地貌等因素，以确保能够接收到稳定的卫星信号。

o采用先进的接收机设备，提高信号接收的灵敏度和准确性。同时，对基准站进行定期维护和校准，保证其性能稳定。

o通过网络技术将各个基准站连接起来，实现数据的实时传输和共享。采用高速、稳定的通信网络，确保数据传输的及时性和可靠性。

2.数据处理与播发技术

o数据处理系统对基准站接收到的信号进行处理和分析，生成修正信息。采用先进的算法和模型，提高数据处理的精度和效率。

o对不同类型的误差进行精确修正，包括卫星轨道误差、时钟误差、电离层延迟等。通过多源数据融合，提高修正信息的准确性。

o数据播发系统将修正信息通过卫星、广播、移动通信等方式播发给用户终端。采用高效的播发技术，确保用户能够及时接收到修正信息。同时，根据用户的需求和接收设备的特点，提供不同格式的修正信息。

（二）星基增强技术关键技术

2.精密定轨与钟差估计技术

o利用地面监测站和卫星之间的观测数据，精确确定卫星的轨道和时钟误差。采用高精度的测量设备和先进的算法，提高定轨和钟差估计的精度。

o考虑多种因素对卫星轨道和时钟的影响，如地球引力场、大气阻力、太阳辐射等。通过建立精确的数学模型，对这些影响进行修正。

o实时监测卫星的轨道和时钟状态，及时更新修正信息。采用高速的数据传输和处理技术，确保修正信息的及时性和准确性。

2.增强信号设计与传输技术

o设计高效、可靠的增强信号格式和传输协议，确保修正信息能够准确、及时地发送给用户。考虑信号的抗干扰性、保密性和兼容性等因素。

o优化信号的调制方式和编码方案，提高信号的传输效率和可靠性。采用先进的数字信号处理技术，对信号进行处理和优化。

o建立稳定的信号传输通道，确保信号能够在不同的环境下稳定传输。考虑卫星通信、地面广播、移动通信等多种传输方式的组合，提高信号的覆盖范围和可靠性。

3.用户端算法与接收机设计技术

o开发适应星基增强信号的用户端算法，提高定位精度和可靠性。考虑信号的特点和用户的需求，采用先进的定位算法和数据处理技术。

o设计高性能的接收机设备，提高信号接收的灵敏度和准确性。采用先进的射频技术和数字信号处理技术，对接收信号进行处理和优化。

o对接收机进行严格的测试和验证，确保其性能稳定可靠。考虑不同环境下的使用情况，进行多种场景的测试和验证。

（三）低轨卫星导航增强技术关键技术

1.星上信号收发隔离技术

o采用先进的射频技术和天线设计，实现星上信号的收发隔离。确保接收和发射信号之间不会相互干扰，提高信号的质量和可靠性。

o考虑低轨卫星的轨道特点和信号传播环境，优化天线的布局和方向图。提高信号的接收和发射效率，降低信号的损耗和干扰。

o对星上信号收发隔离进行严格的测试和验证，确保其性能满足要求。采用专业的测试设备和方法，对信号的隔离度、灵敏度等指标进行测试和评估。

2.星上高精度时间维持技术

o采用高精度的时钟设备和时间同步技术，实现星上高精度的时间维持。确保卫星的时间精度能够满足导航增强的要求。

o考虑卫星的轨道运动和环境变化对时间精度的影响，采用先进的补偿算法和模型，对时间误差进行修正。

o实时监测星上时间的状态，及时进行调整和校准。采用高速的数据传输和处理技术，确保时间信息的准确性和及时性。

3.载荷小型化、低功耗设计技术

o采用先进的集成电路技术和微机电系统（MEMS）技术，实现载荷的小型化和低功耗设计。降低卫星的重量和成本，提高卫星的发射效率和可靠性。

o优化载荷的电路设计和布局，提高能源利用效率。采用低功耗的芯片和器件，降低系统的功耗。

o对载荷进行严格的测试和验证，确保其性能稳定可靠。考虑不同环境下的使用情况，进行多种场景的测试和验证。

五、北斗系统增强技术应用

（一）测量测绘领域

北斗卫星导航系统在测量测绘领域提供高精度的位置信息，提高测量的准确性和效率。利用其双频定位、短报文通信和精密单点定位等功能，测绘人员可以快速、准确地获取目标位置和时间信息。同时，北斗卫星导航系统还可以与其他卫星导航系统进行融合，提高定位精度和可用性。在基础应用方面，可用于导航、定位和时间获取等；高级应用包括精密定姿、控制测量和地形测量等，通过精密定姿技术，将卫星定位技术与惯性导航技术相结合，实现高精度姿态测量，在控制测量方面提供高精度、高效率的平面和高程控制测量解决方案，地形测量方面实现厘米级精度的地形测绘。此外，北斗卫星导航系统还可应用于智慧城市和物联网等领域，为城市规划、土地资源开发、利用和保护提供有力支持，在地质灾害监测和防治方面，利用其高精度定位功能，对地质灾害隐患进行实时监测和分析，及时预警和采取应对措施。

（二）智能交通领域

在智能交通领域，北斗系统为车辆提供高精度的定位和导航信息，实现车道级导航、精准停车等功能，如自动驾驶、辅助驾驶等。通过卫星导航和地面基站的组合，为车辆提供精确的定位信息，为驾驶员提供最佳的行车路线推荐。同时，实时监控交通状况，提醒驾驶员选择最短的行驶路径，减少路程和时间的浪费，提高交通效率。与交通监控设备结合，实现对交通流量、车辆行驶速度、路面状况等信息的采集和监控，通过对交通监控数据的分析和处理，及时预测交通拥堵情况，为交通管理者提供科学决策依据。在运输调度方面，实时跟踪车辆的位置和状态，为运输调度提供详尽的信息，通过对运输调度数据的分析，实现货物运输的高效、安全和追踪，提高运输效率和服务质量。在交通安全方面，实时监控车辆的行驶状态和轨迹，一旦发生事故或异常情况，可以立即向相关部门发送紧急求援信号，并提供精确的位置信息，减少事故的损失和伤亡，还可用于交通违法监管，实现对交通违法行为的及时发现和处理，提高交通安全水平。

（三）精准农业领域

在精准农业领域，北斗系统用于农业机械的自动驾驶、农田的精准灌溉、施肥等，提高农业生产效率和质量。例如，在新疆生产建设兵团，北斗导航技术主要应用于智能化农业机械控制、精准病虫害防治和灌溉、农业资源的普查和规划等三个方面。以北斗导航拖拉机自动驾驶为例，作业后的条田接行准确，播行端直，同时大幅降低了劳动强度，实现了舒适化操作，可24小时不间断播种，农技工作效率大幅提升。此外，北斗卫星导航技术还在新疆生产建设兵团滴灌节水上得到应用，有效提升节水效能。但其他作物及后续田间作业的自动驾驶系统的应用仍然亟待跟进补充。在黑龙江，北斗地基增强系统在精准农业中的应用也取得了显著成效，代表了精准农业技术未来的发展方向。在北大荒，应用北斗系统不仅可助力实现无人驾驶智能插秧功能，同时还能改变传统秋收方式，大型联合收割机在田间精确作业，误差基本控制在0至2厘米，大农机还可以在夜间持续、高质量作业，大大提升了耕作效率。目前，北斗系统广泛应用于农业生产的各道工序。

（四）灾害监测与预警领域

在灾害监测与预警领域，北斗卫星技术在地质灾害监测与预防中发挥着关键作用。通过实时监测与数据传输，在危险地区安装北斗卫星接收器，可以实时监控地表移动、裂缝扩展等变化情况，数据通过北斗系统实时传输到监控中心，使得灾害预警更加迅速和准确。精准定位功能对于确定灾害影响范围至关重要，在地质灾害发生后，快速准确的定位有助于救援队伍高效部署，及时救援受灾地区。北斗卫星能够对地表变化进行连续监测，分析地形变化趋势，通过长期的数据积累，可以预测可能的滑坡、地陷等地质灾害，为地质灾害的早期预警提供科学依据。结合地理信息系统（GIS），北斗卫星系统能够提供更直观、更详细的地质灾害信息，对决策者制定救灾策略具有重要意义。融合多源数据，与地面监测设施如地震仪、气象站等设备结合，提高灾害预测的精确度和可靠性。北斗的预警原理主要是基于北斗的空间、地面、用户三部分系统协同工作来实现，当数据变化值高于预警值时，预警平台就会向用户发出预警信息。

（五）智慧城市建设领域

在智慧城市建设领域，北斗系统实现城市基础设施的高精度定位和监测，如桥梁、隧道、高楼等的变形监测，以及城市交通的智能管理等。北斗高精度服务能够帮助城市管理者精准掌握城市中复杂的水网、燃气等地下管网，对于识别异常位置，及时调度临近资源开展维修、救援，具有重要作用。例如，浙江萧山的井盖统一安装了北斗智能监测终端，可24小时不间断监测井盖状态，当井盖出现异常时，运维人员能够第一时间收到报警信息。在北京和浙江湖州，燃气集团采用北斗高精度定位，对燃气管线实现了精细管理，抢险工程车安装了北斗终端，一旦接到报警能够快速准确抵达事故地点，燃气信息采集员运用北斗定位测绘仪，得到精确、完整的管网三维坐标。在公安指挥调度方面，北斗系统已在公安领域得到充分的推广使用，通过北斗的警用授时，公安信息网时间基准得到统一，在通信保障、移动警务、信息采集、指挥调度等应用场景中发挥重要作用。在精准智慧环卫方面，通过“北斗终端+智能平台”的方式，实现对环卫车辆作业位置、作业路径、作业时长的实时掌握，以及对垃圾分类亭等设备设施的精准管理。

（六）航空航天领域

在航空航天领域，北斗系统为飞机的导航和着陆提供高精度的定位信息，提高飞行安全性和效率，满足民航等领域的需求。中国工程院院士刘经南指出，未来的发展趋势是把天、地和通信结合起来，低轨卫星对地面的遥感可以实时辅助将来的自动驾驶、无人驾驶的高精度地图的实时更新。北斗系统作为全球首个融导航与通信于一体的卫星导航系统，具有双向短报文通信功能，可向中国及周边提供1000汉字短消息服务，用户数扩大到千万户级。全球首个全系统星座，所有卫星都具有三频伪距和三频相位观测值，数据能力目前最强，也是全球首个实现卫星之间可以互相测距、互相通信的星座，比GPS提前5 - 10年实现，不需要地面支持就可以存活90天以上。全球唯一的能够把全球星座和区域星座融合为一体的导航系统，提供亚太地区、甚至全球的单点高精度定位。

（七）海洋渔业领域

在海洋渔业领域，北斗系统在海上为渔船提供精准的定位和导航服务，帮助渔民更准确地找到渔场，提高渔业生产效益。

（八）铁路运输领域

在铁路运输领域，北斗系统实现列车的高精度定位和跟踪，提高铁路运输的安全性和调度效率。

（九）全球定位服务领域

在全球定位服务领域，北斗系统提升在全球范围内的定位精度和服务性能，增强国际竞争力，拓展全球市场。目前，国内有大量运营车、邮政和快递车辆、公交车、内河导航设施、海上导航设施应用了北斗系统，成为全球最大的运营车辆动态监控系统。未来，随着北斗系统的不断发展和完善，其在全球定位服务中的应用将越来越广泛。

（十）化工园区智慧管理领域

在化工园区智慧管理领域，北斗系统在安全生产管理、环境保护管理、物流运输管理、人员定位等方面提高化工园区管理的智能化水平，增强安全管理能力，优化资源配置和物流管理。在安全生产管理方面，集成各类安全监测设备，实现对化工园区内生产过程的实时监控和预警，一旦发生安全事故，能迅速定位事故位置，提供应急处理方案，并协调资源进行救援。在环境保护管理方面，可实时监测园区内的大气、水质、土壤等环境指标，对超标排放、污染事故等进行预警和处置，同时监控能源使用情况，提出节能减排建议。在物流运输管理方面，利用物联网技术，实现对园区内物流车辆的实时监控和调度，优化运输路线和配送时间，提高物流效率。在人员定位方面，通过使用传感器设备，实时监测园区内人员的位置和活动情况，提高园区的人员管理效率和安全性。为石油化工企业提供包括差分服务基站、人员/车辆定位终端、应用管理平台在内的解决方案，实现可视化管理和提高安全监管等级。

六、北斗系统增强技术未来发展趋势

（一）更高精度与可靠性

目前北斗三号系统已实现米级甚至厘米级定位精度，未来将朝着毫米级精度迈进，尤其在航空、航海、地质勘探等对精度要求极高的领域。这一发展趋势主要通过多种技术手段实现。首先，北斗采用“差分算法”，利用有准确位置的地面基准站接收北斗信号，对比计算测出错误距离，得到修正方案，附近用户套用该方案可得到正确定位。其次，相干积累技术将多个频率的卫星信号叠加，在用户终端精确计算位置。此外，北斗导航系统的多频率特点降低信号多普勒效应，提高定位精度和可靠性。同时，还采用双星检核技术、运动状态测量技术和动态建模等先进技术，如通过对用户移动速度和加速度等信息的测量进行位置补偿和修正。

（二）全球化服务能力增强

未来，北斗系统将持续加强海外站点建设，优化星座布局，提升全球用户的信号接收质量，实现全天候、全地域无缝覆盖，确保服务稳定性。一方面，注重与GPS、格洛纳斯、伽利略等国际卫星导航系统之间的兼容互操作，用户终端可在不同系统间自由切换，享受更灵活、可靠的服务。例如，当用户在不同国家和地区旅行时，能根据当地信号情况自动选择最优导航系统，提高定位准确性和可靠性。另一方面，不断提升自身技术水平和服务质量，在航空、航海、地质勘探等高精度要求领域进一步提升定位精度至毫米级，满足全球用户不同场景需求。

（三）多源融合技术发展

北斗卫星导航系统多源融合技术将北斗与其他导航系统、传感器信息融合，提高导航定位精度、可靠性和可用性。主要包括导航系统融合、传感器融合和数据融合等。例如，可与惯导、超宽带等多源异构数据融合导航定位算法，提升智能无人设备的高精度、高可靠导航定位能力；突破精准授时及时钟同步的车路协同技术，构建北斗时空同步体系；在大型商城开展示范应用中，伪卫星、IMU、WIFI等技术融合实现室内定位；GNSS、IMU和UWB三种技术融合在多个领域得到成功应用；GNSS与视觉融合提高PPP收敛时间和精度；5G MIMO基站通过AOA - TOE混合定位方法实现更优定位精度。

（四）量子通信技术集成

量子通信技术有望应用于北斗系统，提供无懈可击的信息安全保障。量子加密通信具有绝对安全性，能保护敏感数据传输免受窃听和篡改，提升国防军事及商业信息安全水平。例如，已有搭载北斗技术和量子技术的手机问世，预示着未来通信安全和性能的显著提升。随着相关技术的不断成熟和应用，北斗系统与量子通信的结合将为未来的通信安全和智能化应用带来革命性的变化。

（五）低轨卫星辅助成为发展方向

为克服高层建筑密集区、森林峡谷等地形对信号遮挡的问题，北斗计划发射低轨道卫星，形成高低轨互补体系，进一步提高复杂环境下信号穿透力和抗干扰能力。低轨卫星具有成本低、信号更强、速度更快等优势，可通过一箭多星方式发射，研发成本和火箭发射成本较低。低轨卫星信号传输路径更短、信号时延和功率损耗更小，落地信号功率更强，能改善定位效果，提升抗干扰和反欺骗能力，加快高精度定位收敛时间，信息速率更高，终端小型化、集成化、低功耗，易于用户使用。

（六）短报文通信升级

北斗系统独有的短报文通信功能将大幅扩充容量，支持大规模交互式数据传输，满足野外作业、海上航行、灾害救援等特定场合的需求。例如，在地质形变监测等应用中，基于海格通信北斗高精度多源融合定位技术的“超维智脑”，可实现每秒100次的定位更新，在应用中实现毫米级的位置感知。百度地图以北斗卫星导航系统为核心，结合高精度地图数据，在多个大众出行服务场景深度应用“北斗高精”一体化精准定位导航技术，显著提升了初始定位速度和定位精度，2022年9月宣布正式切换为北斗优先定位，北斗卫星日均定位量已突破1000亿次，并在十一期间再破1500亿次。

（七）商业化与产业化

鼓励北斗相关技术研发和应用推广，吸引社会资本投入，培育北斗产业链条，孵化创新型企业和高附加值产品，拉动经济增长点。目前，北斗芯片、模块等基础产品销量突破7000万片，性能价格比肩国际水平，北斗高精度产品出口90多个国家和地区，北斗地基增强技术和产品成体系输出海外。国内市场销售的智能手机大部分支持北斗定位功能，智能车载终端在国内多个车企车型上实现批量应用，基于北斗高精度服务的智能驾驶量产汽车有望2019年上市。

（八）教育与科普

加强对北斗基础知识的普及，设立北斗特色学校、实验室，举办竞赛活动，激发青年人才对航天科技的热情，储备后续力量。

（九）可持续发展策略

注重北斗系统的长期运维，建立健全法律监管机制，保护北斗知识产权，维护系统安全，同时推动节能减排，降低空间碎片风险，履行大国责任。

七、结论

北斗系统增强技术在各个领域都有着广泛的应用前景。随着技术的不断进步，北斗系统增强技术将在精度、可靠性、服务范围等方面不断提升，为全球用户提供更加精准、高效、可靠的导航定位服务，为推动经济发展、保障国家安全、改善人民生活发挥重要作用。

北斗系统增强技术的发展为多个领域带来了巨大的变革和机遇。在测量测绘领域，提供高精度位置信息，助力智慧城市和物联网发展，为地质灾害监测和防治提供支持。智能交通领域，实现车道级导航、精准停车等功能，提高交通效率和安全性。精准农业领域，提高农业生产效率和质量，推动农业现代化进程。灾害监测与预警领域，为地质灾害的早期预警提供科学依据，提高救援效率。智慧城市建设领域，实现城市基础设施的高精度定位和监测，提高城市管理水平。航空航天领域，为飞机导航和着陆提供高精度定位信息，提高飞行安全性和效率。海洋渔业领域，为渔船提供精准定位和导航服务，提高渔业生产效益。铁路运输领域，提高铁路运输的安全性和调度效率。全球定位服务领域，提升北斗系统的国际竞争力，拓展全球市场。化工园区智慧管理领域，提高化工园区管理的智能化水平，增强安全管理能力。

未来，北斗系统增强技术将朝着更高精度与可靠性、全球化服务能力增强、多源融合技术发展、量子通信技术集成、低轨卫星辅助成为发展方向、短报文通信升级、商业化与产业化、教育与科普、可持续发展策略等方向发展。更高精度与可靠性将满足航空、航海、地质勘探等领域的需求。全球化服务能力增强将提升全球用户的信号接收质量，实现全天候、全地域无缝覆盖。多源融合技术将提高导航定位精度、可靠性和可用性。量子通信技术集成将提供无懈可击的信息安全保障。低轨卫星辅助将提高复杂环境下信号穿透力和抗干扰能力。短报文通信升级将满足特定场合的需求。商业化与产业化将拉动经济增长点。教育与科普将激发青年人才对航天科技的热情。可持续发展策略将保障北斗系统的长期运维。

总之，北斗系统增强技术的发展前景广阔，将为全球用户提供更加优质的导航定位服务，为经济发展、国家安全和人民生活改善做出更大的贡献。