北斗卫星导航系统在城镇测绘中的应用

北斗卫星导航系统在城镇测绘中的应用

李阳

安徽省地勘局第二水文工程地质勘查院 安徽 芜湖 241000

1.前言

在人类社会步入二十一世纪以来，人口数量激增，城镇规模不断扩大。在这一背景下，城镇测绘工作的重要性越发突出。并随着科技的进步，各种新型技术与测绘工作的不断结合，使得测绘技术得到长远的发展。我国于2003年首次发射“北斗”卫星在2012年底正式为亚太地区提供导航服务，并于2020年实现“北斗”卫星导航系统的全球覆盖^[1]。该系统的组建为我国测绘工作带来了极大的便利和突破。而城镇测绘工作是测绘领域中相当重要的一部分，“北斗”卫星导航系统在城镇测绘工作中也得到了广泛运用。本文将对“北斗”卫星导航系统的相关概念及在城镇测绘中的具体应用展开论述，并对其应用前景做出分析，拟为日后相关城镇测绘研究和工作提供参考依据。

2.北斗卫星导航系统的相关概念

为响应国家高速发展带来的安全和经济需求，我国自主研发建设出能够面向全球用户的卫星导航系统，即北斗卫星导航系统（图1）。该系统作为美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之后第三个独立成熟的卫星定位系统，不仅为我国带来重要的军事安全保障，还能够给予服务用户高精度和全天候的实时定位服务。目前，该系统已被国际专业委员会授权和认定的技术供应商之一^[2]。

图1.北斗卫星导航系统概念图

2.1北斗卫星导航系统的基本组成

北斗卫星导航系统组成：由空间段、地面段和用户段三部分组成（图2）。

一、空间段

北斗卫星导航系统的空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星组成。其中，中圆轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间相隔120°均匀分布。

至2012年年底北斗区域导航正式开通时，共发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星、4颗中圆轨道卫星。

二、地面段

监测站、主控站以及注入站是构成北斗系统地面段的主要部分。

1、监测站主要是采集卫星发送的信息信号。再发送至主控站处，完成对卫星位置的监测以及定位，保证了卫星时间和位置信息的共享同步。

2、主控站的主要功能是控制系统以及保证日常运行。在主控站获取由监测站采集的数据后，开始对数据的处理，进而形成可用于卫星导航解读的电文以及其他工作信息。这些信息转交至注入站来实行对信息发送的命令。此外，主控站还能够对地面控制系统进行协调以及管理。

3、注入站的工作是对卫星发出控制信息，以实现对卫星的管理和调控，其主要信息来自于主控站发送的各类指令信息。

三、用户段

用户段也被称为用户的终端。它是能够在作为北斗系统的信号接收器的同时，对其它系统的卫星导航信息也能充当信号接收器的作用。在接收器的微机运算中，可以实现对接受信息的测距运算，按照一定的算法对距离变化、卫星轨道参数等进行分析，进而提升定位的准确率^[3]。甚至在这种接收器中还搭载了速度、高度、经纬度以及时间等参数分析机制，能够实现在不同环境下的位置定位功能。北斗系统将卫星无线电测定及导航功能集成一体，使得该系统不仅可以如同其他导航系统那样给服务用户给予卫星无线电导航服务的功能，还可以实现对用户的位置发出报告和短信的功能。

用于卫星信号的接收机可以依据其使用功能划分出多种类型。用于空间探索的接收机，如航天空和航海，常常为机器搭载的导航型接收机；用于测绘工作的测绘型接收机；还有日常人们所使用的手持及车载的接收机。此外，信号接收设备也可以与其他搭载的设备相结合成组合型的定位设备，最常见的就是手机和定位相机。

图2.北斗系统基本组成

2.2北斗卫星导航系统的运行原理

三球相交原理作为支持北斗系统定位的基本原理。当服务用户发出定位的需求指令时，在空间站的两颗卫星会对指令信息进行接收，再将相关指令信息发送至地面基站平台。而地面基站平台对发出定位信息的用户到两颗接受信息的用户之间的距离做出测距分析。其基本原理是将已确定坐标两颗的卫星当作定位原点或圆心，分别将已测定的卫星到用户的间距作为半径，构建两个半径不同的球面，由此可知，所构建的球面必然会相交成一条弧线，而需定位的用户将在这条圆弧之上。另一方面，地面基站可以利用已配有的电子地图，以地球球心为半径，基于已有定位点形成一个不规则的球形，这与上述的圆弧线会形成一个交点，该交点的坐标就是定位用户的位置。另外，在北斗系统的指挥中心可以对指定的用户发出定位指令，将所得的定位结果转发给用户，并且这些信息也可以在系统中心进行保存^[4]。

图3.三球相交原理示意图

2.2北斗卫星导航系统的工作优势

一、安全性能高。

在北斗导航正式进入世界导航卫星市场之前，美国的GPS系统占市场的主导地位。这就表示我们在使用GPS系统时需要支付高昂的服务费给美国运营商。此外，更关键的是使用美国GPS系统意味着我们国家的地理信息很容易会曝光在美国军方处，从战略和发展的角度而言都是对我国的潜在威胁，缺乏主导权。北斗导航系统让我们在使用时不仅更为廉价还更为安全。

二、定位精度高。

与其他国家的卫星导航系统相比，我国的北斗卫星导航系统由35颗卫星构成，卫星数目比其他导航系统更多。这就使得北斗导航系统能够提供更加精准的定位和更为广阔的服务范围。最为关键的一点，由于北斗系统是我国自主开发运营的，必然在中国境内北斗系统更有优势。

三、定位可靠性高。

我国自主研发的北斗系统使用的信号为三频信号，GPS使用的为双频信号。这说明在实际运行过程中北斗系统能够更快接受和处理信号数据，减少模糊信号的干扰，提升可靠性。

四、有源定位和无源定位兼备。

在定位工作中，常根据是否需要用户在接收机处发送信号至卫星处来判断是有源定位还是无源定位。而在北斗系统中所采用的是有源定位和无源定位两种定位方式，这就使得北斗系统比GPS系统功能更为全面，主要表现在北斗的双向通讯以及短报文通讯的功能上，更具有实际运用性。

3.北斗卫星导航系统在城镇测绘中的具体应用

北斗导航系统测绘技术在测绘工程中被广泛使用，完全发挥了该技术所具备的优势，给测绘工程带来了很大的改善，极大地促进了测绘工程工作效率和质量的提升。下面将对北斗系统在城镇测绘这一重要领域的应用情况进行论述。

3.1地形测绘

地形测绘作为土地测绘工作中十分重要组成部分。在现场开展地形测绘工作时,为保证数据准确，常常会使用卫星定位系统进行动态测绘，以不受地形环境等的影响，在以前多是利用搭载GPS系统的RTK测量仪器进行现场作业。在北斗系统趋于成熟后，搭载北斗系统的RTK测量仪器（图4）逐渐成为中国市场用于进行地形测绘的主要测量仪器。

与传统的GPS-RTK相比，北斗RTK不仅仅可以对GPS以及GLONASS导航卫星的信号进行接收，还可以接受北斗卫星的导航信号。因为GPS卫星空间构成特点以及发出信号的强弱特征,在中国中、低纬度地区没24小时，就会出现2次信号盲区，持续时间大约在半个小时^[5]。此外，在正午期间中国地区依靠GPS-RTK在山区或一些房屋密集区容易出现信号接受不良以及容易屏蔽的现象。而北斗RTK在由于可以接受三种卫星信号，理论上不会出现无法接收信号的现象。

图4.北斗RTK

3.2城镇规划管理

在城镇建设对重要的基础项目进行规划时,往往是建立在实际可靠的测绘工作的基础之上的。那么保证测绘工作所取得资料的实时性和准确性是降低建设成本以及提高设计水平的重要前提。此外，通过专业的测绘人员所建立起的疆域接线以及地域划分是在建设中具有法律依据的重要文件，也是政府部门在执行相关法律形为的基础^[6]。而北斗系统的出现与测绘技术相结合，能实现动态测绘作业，在很多方面更有时效性和准确性。

从技术结合的角度上来说，利用北斗卫星系统与我国自主研发的遥感卫星相结合而成的遥感技术在城镇规划的过程中有着不可或缺的作用。在近些年的城镇规划中“智慧城市”概念的实现很大程度需要依赖这种技术来实现^[7]。

3.3建筑物变形监测

随着建筑技术的日益成熟，每年都有一批超高层建筑和特大型桥梁开工建设及投入使用。建成后的大型工程，也会因强风荷载作用、地面沉降及地震灾害作用造成损害，影响建筑物的使用寿命。对于高层建筑的安全性问题，特别是异型结构超高层建筑的安全性问题，国家制定了相应规范，从施工过程到建筑物使用、运营过程都应进行变形监测和建筑物健康评估^[8]。高层建筑在建设中的安全问题时有出现，往往这种灾害的出现会伴随着巨大的人民生命财产的损失。

另一方面，北斗系统常常会应用于建筑施工过程检测。考虑到建筑过程中要遵循的标准规范，利用北斗高精度定位技术手段，并且倡导多技术融合，建立实时动态监测系统，保证施工过程的顺利进行。其中，比较常见的就是在建筑基坑施工种对基坑变形进行监测。在进行基坑开挖所产生的变形发生速率快，造成的损失和危害性较大。所以在对基坑形变进行监测时，要求所使用的仪器设备有很快的采集速率且收环境影响较小^[9]。常常人们将北斗系统与维护结构相结合（图5），这样就可以在实际施工中能实时获取位移信息，进而对基坑变形做出分析和预判。

图5. 北斗系统在基坑监测的运用

4.北斗卫星导航系统的应用前景分析

北斗导航技术的成熟打破了GPS导航系统在中国市场的占有率。在中国北斗导航技术几乎不受场地密集程度以及所处位置的偏远程度影响。所测得的位置数据更加准确，工作效率也会更高。在近些年的实际工作中，大量的测绘工作者也验证了这一点。

从当前来看，在测绘地理信息行业，实际工程以及工作需求对于测绘工作要求逐渐变高，这就意味着在测绘工作中定位精度的要求要更加准确。这也正慢慢形成一种趋势。相对于单系统的GPS接收机，北斗导航的多系统接收机有着显而易见的优势：多系统使得定位盲区明显减少的同时，定位更加精确和稳定。因此，从需求角度来看，未来国内测绘地理信息产业与北斗导航定位产业的结合会越来越紧密

^[10]。随着政策的不断深化，我国北斗产业发展取得了显著成效，北斗产业的未来发展成为市场关注的重点。

对此，国家发改委指出，“十四五”时期，要紧紧抓住北斗三号全球卫星导航系统全面建成和开通服务的重大机遇，坚持问题导向和目标导向，围绕我国经济转型和社会发展重大需求，以推动北斗规模应用市场化、产业化、国际化为目标，提高北斗产业链供应链现代化水平，优化完善产业生态，推动北斗应用深度融入国民经济发展全局^[11]。在政策支持和市场需求旺盛的大背景下，北斗产业的发展前景广阔。

5.总结

北斗卫星导航系统的诞生与成熟，为我国测绘工作带来了极大的便利和安全，尤其在城镇化不断增加的今天，城镇测绘工作愈发重要。北斗系统在城镇测绘过程中的地形测绘、城镇规划管理以及建筑物变形监测等工作里都发挥着至关重要的作用，并有着GPS无法媲美的发展优势，在未来北斗卫星导航系统将会有着更加广阔的发展前景。

参考文献

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[3]田原, 卢伟. 北斗导航在地理信息测绘中的应用[J]. 电子世界, 2020(1):2.

[4]张晨晰, 党亚民, 王潜心,等. 北斗三频组合在数据预处理中的应用[J]. 测绘通报, 2014(10):6.

[5]黎峻宇, 刘立龙, 蔡成辉,等. 北斗RTK在地形测绘中的优越性[J]. 地理空间信息, 2014, 12(6):3.

[6]谭述森. 北斗系统创新发展与前景预测[J]. 测绘学报, 2017, 46(10):6.

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[8]王坤. 融合北斗与GPS的超高层建筑变形监测数据处理与分析研究[D]. 北京交通大学, 2016.

[9]赵飞. 北斗卫星导航技术在建筑深基坑变形监测中的应用研究[J]. 工程建设与设计, 2020(4):2.

[10]苏宇. 北斗卫星导航系统发展与前景[J]. 写真地理, 2020(2):1.

[11]杨军. 北斗卫星导航系统建设与发展[J]. 卫星应用, 2021(6):4.

作者简介：李阳，1988.06年生，安徽合肥人，测绘工程专业。