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有人稱,衛星導航的應用范圍之廣可與PC機相媲美。這句話并不為過,因為衛星導航技術已經滲透到國家安全、經濟建設與發展以及百姓日常生活中的幾乎所有領域,可謂無孔不入,改變了人類的商業和生活方式。導航衛星系統提供的導航、定位與授時服務正在或已經成為交通、金融、通信、電力等系統高效、穩定、安全運行的重要保證。
經過多年的發展,我國衛星導航應用產業化水平得到不斷提升,“北斗”衛星導航系統已經被廣泛應用到交通運輸、基礎測繪、工程勘測、資源調查、地震監測、公共安全與應急管理等國民經濟眾多領域,在保障船舶安全航行、交通運輸、海洋石油勘探、海洋資源調查、海上搜救打撈、海洋和關口工程建設施工等方面發揮了重要作用。
交通運輸的大腦
衛星導航技術最顯著的應用就是交通運輸,在保證現代交通運輸系統高效、安全、準確地運行,從而保證社會經濟發展與安全中發揮著重要作用,推動了世界交通運輸業發生了革命性變化。它可為船舶、汽車、飛機等運動物體進行定位導航,如船舶遠洋導航和進港引水,飛機航路引導和進場降落,汽車自主導航,地面車輛跟蹤和城市智能交通管理等等。
隨著經濟的發展,我國已經從一個資源、能源的出口國轉變為資源和能源的進口國。為此,資源與能源海上運輸的效率與安全已經成為關系到我國經濟發展和經濟安全的關鍵性問題。海上運輸具有全時、全天候和全球性的特點,而衛星導航技術在海上運輸中具有不可替代的位置,無論是雷達導航,還是羅蘭-C陸基無線電導航系統等均受到不同因素的限制。因此,衛星導航已經成為保障海上運輸效率與安全最重要的導航、定位方法。
公路交通運輸目前是我國內陸交通運輸重要的途徑,然而,效率與安全一直是困擾我國公路交通運輸的難題。一方面,城市交通的擁堵造成了城市交通系統效率低下,導致資源、能源的極大浪費,加劇了環境污染,同時也產生了嚴重的安全問題。另一方面,公路貨物運輸的效率與安全也是現代物流業面臨的重要課題。利用衛星導航技術能比較容易地實現對出租車、物流配送、長途運輸、危險品運輸車輛的跟蹤與調度管理,規劃最佳路線,提高道路和車輛資源的運行效率,降低能源消耗,保證安全,促進社會與經濟的發展。尤其是在危險品運輸領域,衛星導航技術的應用將極大地提高危險品運輸的安全性,縮短事故救援的應急反應時間,提高救援效率,降低事故損失。
凡是裝了“北斗”用戶機的公車,在節假日的時候都是放在單位里面的。要是周六、周日有人要開公務車,車內系統會提醒“今天是休息日,如果要使用的話要辦理手續”。而且車啟動之后,監督系統就會自動生成信息發給監督系統的管理員。截至2011年年底,廣州共計8316輛公務用車安裝了“北斗”衛星電子監控系統,公車行駛里程較以往減少了20%以上。
工程建設的利器
衛星導航技術是高效、高精度地完成國家重要基礎設施建設與大地測量的重要保障,它已基本取代了無線電導航、天文測量、傳統大地測量技術和測圖控制及工程測量,使測量制圖在精度、實時性、全天候等方面產生革命性變化。它可為建筑等提供精確的導航和測量技術,大大提高工程建設的生產力,并提升相關活動的精度和效率,包括挖掘、路基、城市規劃和現場安全監測等。它還在資源調查、物理勘探、石油鉆探、林業和漁業等領域大有市場。
我國衛星定位控制網的絕對定位精度達到厘米級,相對定位精度達到107以上,比傳統測量方法的效率高3倍以上,費用降低50%。“北斗”還能在地殼運動監測、地震帶區域站網監測、三峽庫區地形/地質變化監測等方面作出貢獻。此外,它也廣泛應用于規劃設計、交通勘測和礦山、石油、地質、海島礁、國防建設等工程與勘探定位測量。
“北斗”融合遙感、地理信息系統及計算機技術來實現各類信息資源的共享、信息實時交換,使得空間測量更加精確和實時。在計算機軟硬件支持下,地理信息系統通過對多因素的綜合分析,可以迅速獲取滿足應用需要的信息,并能以地圖、圖形或數據報表的形式顯示處理后的結果,提供活動目標的精確位置數據和周邊環境,以及歷史態勢重放或者模擬態勢,實現在數字地圖上動態顯示,從而提供多種形式的空間查詢、空間分析和輔助策劃。
既可以使用單臺“北斗”用戶機作業,完成高精度測量任務,也可以多合作業,完成快速靜態/動態和實時動態測量,以及完成工程測量和快速保障測量,如放樣測量、隱蔽點測量、面積測量、交會測量等。
衛星導航技術已經廣泛應用于基礎設施建設與大地測量中。比如,應用該技術已使道路、橋梁的建設精度達到毫米級,大大提高了隧道、地鐵等重要交通基礎設施的測量與建設精度,降低了建設成本。“北斗”技術用于公路邊坡、橋梁變形監測后,由于不受通視條件的限制,因而選點靈活,可以根據監測需要,將監測點布設在對變形體的形變比較敏感的特征點上。基于“北斗”的大型橋梁安全監測系統能監測橋梁錨錠處沉降、橋塔處變位偏移、橋身相對變形;監測橋梁在異常狀況下(地震、臺風、船只撞擊等)的動力響應,并且可以通過實時觀測,得出橋梁的固有動態特性的發展狀況;通過北斗衛星導航系統測試得到的橋梁變形與動態數據,對橋梁的安全狀況進行評估,并實施預報警。
精細農業的核心
衛星導航技術現已用于農場規劃、田間測圖、土壤取樣、拖拉機引導、作物田間檢測、播種速度選擇以及肥料、殺蟲劑和產量檢測系統。在應用衛星導航技術之前,農民為不同的土地匹配不同生產技術和設定作物產量是非常困難的,這就限制了他們為增產找到最有效的耕作方法。今天,衛星導航設備能夠提升農藥、除草劑、肥料使用的精度,同時更好地控制化學物質的擴散,從而降低成本、擴大產量,創造環境友好型的新農場。
例如,10年前,國外一個4000英畝的農場需要配備8~9臺拖拉機,而今天卻只需要3~4臺,在關鍵的種植和收獲季節,這些設備可以24小時不間斷地工作。衛星導航技術能夠使不同地區、不同條件下的作物增產3%~50%,大大降低了農業生產的人力、資金(機器和設備)和原材料(種子、肥料、殺蟲劑、其他化學藥品、燃料、油和電)成本,降低的投入占總成本的1%~50%不等。據估計,衛星導航技術帶動的平均增產可以達到10%,平均成本能夠降低15%。
我國很早就成立了精細農作研究中心,研究和探索適合于我國的精細農作之路。北京市于2000年啟動了占地2000畝、為期3年的精確農業示范工程。精細農作的實踐將為我國實現可持續發展的“高產、高效、優質”農業生產提供新的途徑。可以相信,隨著我國“北斗”衛星導航系統的建成,精細農業會迅速發展。
海洋漁業的幫手
漁業是“北斗”衛星導航系統應用最早也最為廣泛的一個行業之一。安裝了“北斗”用戶機,不僅可以為船只導航,還可以通過“北斗”獨有的短報文技術,報告船只位置和船上人員的情況。目前,我國已經有近10萬艘出海漁船都安裝了“北斗”用戶機,使用它可以在手機信號不好的茫茫大海上,免費發送短信,極大地保障了漁船出海安全,鞏固和發展了漁業生產。
對漁民來說,“北斗”的短報文功能至少有四大好處。一是與家人聯絡,滿足情感需要;二是與國內市場聯絡,打了什么魚,有多少斤,可以提前通知預售,提高收入;三是與周邊漁船聯絡,遇險時及時自救互救;四是有了準確定位,可以避免打魚越境的糾紛。
截至2012年2月底,通過“北斗”已先后向漁民發送了12500余次熱帶氣旋等危險氣象信息警報,指揮救助9起,救助漁船6艘、旅游船1艘、危重病人1人、漁民27人、游客6人,有效避免涉外事件4起,挽回經濟損失上億元。
目前,“北斗”海洋漁業綜合信息服務的海上用戶量已達數萬,短信量月高峰可達70萬條。也難怪會有漁民夸張地形容,現在漁船上只供奉兩樣東西,一樣是媽祖,另一樣是“北斗”。
金融電力的保障
衛星導航系統定位的精度取決于時間的精度,其授時功能對國民經濟的發展也有重要作用,所以導航衛星都裝有時間精度極高的原子鐘,其每300萬年~2000萬年相差1秒。“北斗”導航衛星上的國產原子鐘穩定程度也相當高,每天變化只有十億分之一秒,其已用于金融、電力、通信、郵電、鐵路等網絡的時間同步,準確時間的授入,準確頻率的授入。
現在,網絡已經成為現代金融業的重要基礎,例如,基于網絡的服務已經成為銀行和證券服務最為重要的手段。可以說沒有網絡,就沒有現在的金融體系與現代金融服務。然而,在網絡條件下的金融服務體系中,時間的同步是至關重要的,用全球衛星導航系統提供的精確授時服務可使現代金融體系實現網絡時間同步段,保證現代金融系統安全運行。如果沒有衛星導航系統提供的準確的時間同步,現代金融體系的安全運行將受到嚴重威脅,從而威脅國家的金融安全,威脅國家的經濟安全與發展。
電力系統的安全運行需要在很大的范圍內,實現較高精度的時間同步。導航衛星系統提供的高精度授時服務具有全球覆蓋、全天候、高精度的特點,是電力系統理想的時間同步方式。采用導航衛星系統進行時間同步,可實現整個電網高精度的時間同步,實現同步相位測量、運行穩定性判斷、故障定位、高可靠性的電流縱差保護、繼電保護等,從而提高電力網絡運行的穩定性、可靠性和安全性。
為了統一內部時鐘,以前我國電力系統把美國的GPS作為主要的授時手段,通過GPS的民用信號向電力系統的電力自動化設備、微機監控系統、安全自動保護設備、故障及事件記錄等智能設備提供授時信號,以實現電力系統的“同步”運行。“北斗”衛星導航系統的“北斗電力全網時間同步管理系統”投入使用,結束了我國電力運行時間完全依賴美國GPS的歷史,解決了電力系統時間同步應用中的三個難題:可靠的時鐘源、全網時間同步管理、遠程集中實時監測維護,有效保障了我國電力安全和國家安全。這套系統的單向授時精度為100納秒,雙向授時達到20納秒,指標均優于國外同類系統。
我國早已成為全球最大的通信市場,僅手機用戶就達10億以上。然而,通信業務所涉及的安全、認證和計費等都是以一個共同的標志“時間”為基礎的,即需要精確的“時間”和“時間同步”。所以,衛星導航系統提供的精確的授時服務是現代通信網絡獲取精確的“時間”與進行高精度“時間同步”的重要途徑與手段,是保證通信安全的重要基礎。從安全性和可靠性角度考慮,在國家關鍵經濟部門使用我國自主的“北斗”的授時,比GPS 的授時要好得多。
防災救災的大腕
在緊急救援上,基于“北斗”衛星導航系統的導航定位、短報文通信以及位置報告等功能,已實現全國范圍的實時救災指揮調度、應急通信、災情信息快速上報與共享等服務功能,極大地提高了災害應急救援的快速反應能力和決策能力。在2008年南方冰凍災害、汶川抗震救災,2010年玉樹抗震救災、舟曲泥石流救災中,“北斗”衛星導航系統都大顯身手。例如:
2008年汶川地震時,震區通信中斷,中國衛星定位應用管理中心為救援部隊配備了1000多臺“北斗”用戶機。“北斗”的短報文功能,讓救援部隊和指揮部的聯系保持順暢。借助“北斗”用戶機,災區的各重災鄉鎮甚至村社都建立了通信聯系,并使后方指揮部實現了“看得見”的救援指揮,前方救援部隊實現了實時的短報文通信。指揮命令及時下達,災情信息也實時上報,前后方之間架起了有效的信息溝通橋梁,保證了整個救災的指揮調度,在決策、搜救、醫療等工作中發揮了關鍵作用。期間,我國自主研發的“基于北斗的救災應急指揮調度系統”為災區搜救工作提供了諸多幫助,成為搶險救災過程中最有力的通信手段。
該地震造成了2000余座水庫受到不同程度的損壞,隨時可能發生重大洪災,所以急需對堰塞湖和眾多水庫進行實時監測和災害預警。然而,當地仍然余震不斷,人工勘測十分危險,采用無人值守的“北斗遠程自動數據采集系統”代替人工值班便成為了最佳的方式。
地震時,四川的三個國家級和多個省級氣象數據采集站通信鏈路中斷,無法上報氣象數據,而災區天氣又連日多雨,對受災群眾的安置和救災工作極為不利。我國研制的“基于北斗的自動氣象監測系統”較好地解決了氣象數據的遠程測報問題。近年來,國內不少地區建設了自動氣象站,但其中一些自動氣象站處于通用分組無線業務/碼分多址等網絡的通信盲區或通信信號不穩定的地帶,無法保證穩定的數據傳輸,造成部分資料的丟失。用“北斗”能有效彌補原有通信網絡的不足,因為“北斗”可以提供全天候、全天時和大范圍的實時短報文通信,上下行頻率采用S、L頻段,這不僅能有效避免地面各種噪聲的影響,而且易穿透對流層、平流層、電離層等外層空間,穿透衰減小,再加上采用擴頻調制和卷積編碼,進一步保證了數據的可靠傳輸。“北斗”通信機體積小,安裝靈活方便,其天線為小型全向天線,天線的架設調整極為簡單,無需天線地基,且不存在雷擊的威脅。整機功耗低,方便使用電池組和太陽電池供電。另外,系統不需建設中繼站,可以大大節省系統的維護費用。因此,將“北斗”引入自動氣象站,增強了自動氣象站的適應性。
我國將“北斗”技術與井下監測技術相結合,實現了對井下瓦斯濃度、風機轉停等關鍵參數的實時監測,數據流從礦井口的監測站(PC機+“北斗”用戶機),通過“北斗”衛星導航系統數據鏈路傳送到“北斗”衛星運營服務平臺,經平臺轉發,通過有線或無線網絡傳到各級監測中心,實現對礦井瓦斯、風壓和設備工作狀態等數據的遠程監測,為我國的煤礦安全生產提供了又一種有效的監測監控手段。
由于“北斗”可實現全國范圍的無縫覆蓋,具有定位、授時、短報文等功能,所以為森林防火、撲火的指揮調度提供了新的技術,有效解決了火場定位、偵察、引導撲救、后勤保障、損失評估等問題。目前,全國各地森林防火系統已經配備200多臺套“北斗”用戶機,森林武警指揮部及所轄總隊共配備500多臺套“北斗”用戶機。基于“北斗”研制的黑龍江大興安嶺森林防火信息系統、瀾滄江上湄公河船舶調度管理系統和鄭州鐵路局鐵路機車到站報點系統等應用示范工程,已取得了明顯的經濟和社會效益。
物聯網業的主力
“北斗”可作為物聯網的一個重要組成部分,應用在感知、網絡兩個層面。
在物聯網感知層的精準時間信息和位置信息感知中,用“北斗”可完成位置感知的任務,成為感知層不可或缺的重要組成部分。在感知層面上,“北斗”實現精準時間信息和位置信息的感知,主要應用在物流、航空、鐵路、電網等行業。
物聯網的網絡層主要實現感知信息和控制信息的傳輸,可采用從無線到有線的多種傳輸手段,衛星短報文通信是重要的傳輸手段之一。物聯網要成為一個無處不在、無時不在的無縫隙的智能物聯網絡,衛星通信手段必不可少,“北斗”的短報文通信功能就是非常適合物聯網應用的衛星通信手段。在網絡層面,“北斗”實現感知信息和控制信息的全天候、全天時、無縫隙傳遞,主要應用在水文、水利、氣象、地質、地震等行業,以及作為其他行業的應急數據傳遞手段。
為了用于物聯網,“北斗”的地面設備應該針對物聯網不同的應用領域采取不同的形式。對于感知層應用,應提供專門的授時型設備或定位型設備;對于網絡層應用,可僅提供通信型設備;對于某些綜合應用領域,需提供定位、授時、通信復合型設備。同時,“北斗”的地面設備也應該根據物聯網應用的特點,努力實現模塊化、小型化、芯片化、多模化、低功耗,尤其要注重模塊化,設計開放的、方便的軟硬件接口,以便比較容易地嵌入到其他物聯網設備中。
其實,衛星導航在水文、水利、氣象、林業、電力、石油、地質、車輛運輸和船舶等行業的應用,不外乎位置報告、授時和短報文通信,這些均屬于物聯網感知層和網絡層的應用范疇。“北斗”未來的應用模式更可以歸結為物聯網的應用。因此,“北斗”除了是一個獨立的衛星導航系統,可以支撐起衛星導航產業外,還將是物聯網系統的重要組成部分。
只受想象力的限制
隨著衛星導航接收機的集成微小型化,人們可以將其嵌入到通信、計算機、安全和消費類電子產品中,使其應用領域更加擴展。衛星導航系統與消費類電子產品的融合是目前導航系統在社會中最廣泛應用的一種方式,如在MP3、MP4、筆記本、手機和數碼相機等電子產品中集成導航功能,提供一種基于位置的服務。
在科學研究上,“北斗”已用于電離層和中性大氣反演以及氣象學研究,衛星跟蹤地球重力場和大氣探測,以及航天器或地球衛星精密定軌、導航與對接等科學目的,為科學發展服務。
在水利上,基于“北斗”衛星導航系統的水文監測系統已建設完成,實現了多山地域水文測報信息的實時傳輸,大大提高了災情預報的準確性,為制定防洪抗旱調度方案提供重要的保障;氣象觀測預報上,研制成功了一系列氣象測報型“北斗”用戶設備,提出了實用可行的系統應用解決方案,解決了國家氣象局和各地氣象中心氣象站的數字報文自動傳輸和可視化問題……
它還用船和低軌道衛星等航天器的定位和導航,提高了航天器定位精度,并簡化了相應的測控設備。
衛星導航的用途遠不只如今的車輛導航、手機定位、電子地圖……由于智能產業與時空信息密切相關,能提供位置和時間信息的衛星導航技術必將被用于智能網絡、智能傳感、智能交通、智能通信、智能物流、智能社區、智能電網等所有智能產業中,并形成各種前所未有的新型商業模式。