地质力学学报  2012, Vol. 18 Issue (3): 282-287
引用本文
伍锦程, 王占昌, 石小亚. 西北区野外地质调查中北斗卫星通讯与定位技术应用研究[J]. 地质力学学报, 2012, 18(3): 282-287.
WU Jin-cheng, WANG Zhan-chang, SHI Xiao-ya. APPLICATION OF BEIDOU SATELLITE COMMUNICATION AND POSITIONING TECHNOLOGY TO THE FIELD GEOLOGICAL SURVEY IN NORTHWESTERN CHINA[J]. Journal of Geomechanics, 2012, 18(3): 282-287.
西北区野外地质调查中北斗卫星通讯与定位技术应用研究
伍锦程 , 王占昌 , 石小亚     
中国地质调查局西安地质调查中心, 西安 710054
摘要:在分析北斗一号卫星导航定位系统应用特点的基础上,介绍了基于北斗一号卫星通讯与定位技术的野外地质调查工作组网架构、野外地质调查工作管理与服务平台,并对北斗卫星系统在西北区野外地质调查中的应用进行分析总结。
关键词北斗卫星系统    GSIGrid    DGSInfo    地质调查    
APPLICATION OF BEIDOU SATELLITE COMMUNICATION AND POSITIONING TECHNOLOGY TO THE FIELD GEOLOGICAL SURVEY IN NORTHWESTERN CHINA
WU Jin-cheng , WANG Zhan-chang , SHI Xiao-ya     
Xi'an Center of Geolgocial Survey, CGS, Xi'an 710054, China
Abstract: Based on the analysis of the communication and positioning technology of Beidou-1 Satellite, the article introduced work-station structure, management and service platform of geological survey in the field, and reviewed the application to the communication and positioning technology of Beidou Navigation Satellite System in the northwest of field geological survey.
Key words: Beidou Navigation Satellite System    GSIGrid    DGSInfo    geological survey    
0 引言

北斗卫星系统(CNSS)是中国自行研制的卫星导航定位系统,具备快速定位、双向短报文通信、精密授时三大功能[1]。北斗一号卫星自2004年4月正式运营、全面对民用用户开放至今,整个系统运行稳定,工作状态良好,已在测绘、电信、水利、交通运输和国家安全等诸多领域开始逐步发挥重要作用。作为一种新的卫星导航定位系统,北斗系统的导航定位功能与GPS系统相比还处于劣势,但在高山峡谷、戈壁、沙漠等诸多通信条件十分恶劣的无人区,其短报文通信功能显得尤为重要。

本文分析了北斗一号卫星导航定位系统的应用特点,介绍了基于北斗卫星系统通讯与定位技术的野外地质调查工作组网架构、野外地质调查工作管理与服务平台,并对北斗卫星导航系统在西北区野外地质调查中的应用进行分析总结。

1 北斗一号卫星系统应用特点

北斗一号卫星系统是典型的双星定位导航定位系统,由2颗地球同步卫星(80.0° E和140.0° E)、1颗在轨备份卫星(110.5° E)、中心控制系统、标校系统以及各类用户机等部分组成[2~3]。卫星系统的覆盖范围是北纬5°—55°、东经70°—140°,最宽处在北纬35°左右;水平定位精度100 m,设立标校站之后为20 m(类似差分状态);工作频率为2491.75 MHz[4~6]。系统能容纳的用户数为每小时540000户。

1.1 北斗一号卫星系统定位原理

北斗一号卫星系统的工作原理如图 1所示。首先由地面中心站向2颗地球同步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1颗卫星的询问信号,并同时向2颗卫星发送响应信号,经卫星转发回地面中心站。地面中心站接收并解释用户发来的信号,然后根据用户申请的服务内容进行相应的数据处理。对于定位申请,地面中心站首先要测出2个时间延迟[7],即:① 从地面中心站发出询问信号,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地面中心站的延迟;② 从地面中心发出询问信号,经上述同一卫星到达用户,用户发出响应信号,经另一颗卫星转发回地面中心站的延迟。由于地面中心站到2颗卫星的距离S1S2是已知的,依据卫星信号传播速度和延时,可分别求得用户到2颗卫星的距离R1R2。分别以卫星为球心、卫星到用户的距离为半径得到2个球面,两球面与地球椭球面的交点即为用户所在的位置;地面中心站根据存储在计算机中的数字化地形图查询到用户高程值,最终计算出用户所在点的三维坐标,这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

图 1 双星定位过程 Figure 1 The process of positioning based on Beidou satellites
1.2 北斗一号卫星系统通信原理

北斗卫星系统通讯采取点对点双向数据传输方式[8]。以数据包的形式传输,一次可发送210 Byte;一般用户一次最多可发送110 Byte信息。北斗终端设备发送采用码分多址直接扩频序列调制,扩频伪码采用周期伪随机序列,发送频率为L波段,通过卫星转换为C波段由地面站接收,再由中心站处理后发到卫星,最后卫星转换为S波段由北斗终端接收,完成一次点对点的通信。反向发送过程亦然。

在北斗卫星通信点对点方式中,还有一种通播的方式,即在一个用户群中,将一个作为主站(中心站)的终端设备号码写入本群中其他终端设备的映像地址中,当此中心站做通播方式发送时,则群中的所有使用同一波束的终端设备都能同时收到此信息。

1.3 北斗一号卫星系统通讯与定位使用特点

北斗系统每颗卫星拥有2个波束,东星波束为1、2,西星波束为3、4,备份星波束为5、6,北斗终端设备(用户机)收到任意波束即可通信。北斗卫星属于地球同步卫星,定轨于赤道上空,卫星数量少,因此中国境内接收信号的最佳方向为:北斗终端设备信号接收器朝南,并且与前方障碍物的仰角不超过50°。另外依据北斗双星定位原理得知,北斗终端设备必须同时收到东星、西星信号才能完成定位操作。

2 北斗卫星系统在地质调查领域的应用

2011年,依托基于3S技术的野外地质调查工作管理与服务关键技术研究与应用项目,西安地质调查中心在西北区开展基于北斗卫星通讯与定位技术的野外地质工作组网示范工作,搭建相应的野外地质调查工作管理与服务平台,并通过秦岭、青藏高原等地区长时间、长距离的野外测试与示范,验证了北斗卫星系统为地质调查工作带来的便捷性。

野外地质调查工作北斗卫星组网架构由野外驻地—野外工作站—大区中心—北京中心4级构成,各级之间互联互通。野外地质工作管理与服务平台可实现野外地质调查工作生产调度以及突发事件应急处置的远程管理和服务,为野外地质调查人员和项目管理人员提供一体化的地质调查工作管理与服务新模式,全面提升公益性地质调查工作综合管理能力和水平。

2.1 野外地质工作北斗卫星通讯组网架构

西北区中心节点属于中国地质调查局北斗组网架构中的二级节点,上链北京总站,向下与西北区野外工作站建立联动机制,基于北斗卫星通讯与定位技术,共同为项目野外驻地及野外地质调查人员提供生产调度、时事要闻推送、安全保障等服务。各级节点北斗设备部署方案:西北区中心站机房部署北斗中心式指挥机,配套有北斗中心式指挥卡(管辖1000用户);野外工作站和野外驻地部署北斗普通式指挥机,配套有北斗普通式指挥卡(管辖100用户)。北斗指挥卡除了拥有短信收发、定位基本功能之外,同时还具备监控与广播功能。

目前,为野外地质调查人员(单兵)提供的北斗终端设备有2款,分别为北斗蓝牙通讯定位模块和北斗手持一体机,均配套有北斗普通卡。前者无显示屏,成本低,采用蓝牙技术与掌上机配套使用;后者可直接进行北斗通讯与定位操作。将野外地质调查人员的北斗卡号信息作为下属卡在指挥卡上进行注册后,指挥机即可对其通讯、定位信息进行监控与管理。野外地质调查工作北斗通讯组网示意图见图 2

图 2 野外地质调查工作北斗通讯组网示意图 Figure 2 Diagram of network organization of Beidou communication in field geological survey
2.2 野外地质工作管理与服务平台

西北区野外地质工作管理与服务平台分为野外地质调查管理服务与安全保障系统(GSIGrid)、数字地质调查信息综合平台(DGSInfo)、数字填图野外数据采集系统(Rgmap)3部分,分别部署在大区中心机房、野外工作站或野外驻地以及野外地质调查人员手持终端,与相应的北斗设备配套使用(见图 2)。

野外地质工作管理与服务平台分级部署在各地质调查单位,与野外地质调查工作紧密结合,主要功能包括定位与通讯信息的实时监收、人员信息查询、北斗历史信息(定位、通讯)查询、路线追踪、紧急搜救和交互通讯,路径分析等,为野外地质调查工作的生产调度、业务交流、野外工作验收提供远程管理与服务通道,实时推送单位时事要闻,实现野外地质调查工作人员的态势管理。同时通讯与定位的结合,可在管理平台形成野外地质调查人员移动轨迹图,紧急情况下,可依据移动轨迹,快速制定应急救援方案,并推送自救措施,从而为野外地质调查人员提供生命安全保障。

2.3 应用案例

为检验、完善野外地质工作管理与服务平台的功能,西北区基于3S技术的野外地质调查工作管理与服务关键技术研究与应用项目组,深入秦岭腹地柞水县,开展野外地质调查工作应急预案库模型研究工作。该区域多为高山峡谷地貌特征,存在大量手机通信盲区。野外地质调查人员通过北斗终端设备,实现了与野外驻地和项目管理单位之间的无障碍通讯;同时野外地质调查人员的连续定位信息在管理平台上形成了每天的路线轨迹(见图 3),紧急情况时,以备管理平台向野外工作人员推送预防方法、自救措施等信息。示范应用达到了野外地质调查人员态势管理、实时了解野外工作动态的目的。

图 3 野外地质调查工作人员路线轨迹图 Figure 3 The route diagram of geological survey personnel in the field
3 北斗卫星通讯与定位技术应用总结

北斗卫星系统通讯与定位技术在地质调查领域的应用意义十分重大,尤其在手机通信和地面网络通信盲区,发挥着不可替代的作用。其主要优势表现在:① 通讯信号覆盖广,目前可覆盖中国境内及周边地区,且成本比卫星电话低;② 实现了野外地质调查工作的远程管理与服务,可实时了解野外项目组工作动态;③ 通讯与定位功能相结合,形成野外地质调查人员的移动轨迹,为快速制定应急救援方案提供决策依据;④ 野外工作人员、司机之间相互通信,车辆可迅速抵达目的地,从而可提高野外工作效率。

同时,受北斗卫星系统及其终端设备的制约,存在以下缺陷:① 北斗通讯与定位受时间频度限制,普通卡1 min内只能发1条短信或定位信息;② 短信字数有限制,每次短信字数不能超过38个汉字;③ 部分设备厂商之间的北斗卡因通讯协议不同,相互之间不能通讯;④ 定位精度、速度与GPS相比还存在较大差距。

4 结论

北斗一代卫星系统卫星数量少,定位速度、精度与GPS相比存在较大差距,现阶段北斗通讯功能与GPS定位功能相结合更适合于野外工作的管理与服务。随着北斗二代卫星导航定位系统的启用,定位精度与速度将得到大幅度提升。国产北斗导航定位系统的应用必将融入到地质调查领域的各项工作中,尤其在手机信号盲区将会发挥不可替代的作用。

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