卫星导航与定位技术

2024-06-14

卫星导航与定位技术（精选九篇）

卫星导航与定位技术篇1

卫星导航与定位技术是利用各种用户终端接收由卫星导航定位系统播发的、并沿着视线方向传送的信号, 对目标进行导航、定位和授时。将卫星导航与定位技术与传统的导航定位技术相比较可知, 卫星导航与定位技术具有高时空分辨率、全天候、连续地提供导航、定位和定时的特点。经过几十年的发展, 卫星导航与定位技术取得了巨大的进步, 已经成为当今世界高技术群中对现代社会最具影响力的技术之一, 并且已然渗透到国民经济的各个领域, 应用于海上舰船、陆地车辆、航空与航天飞行器的导航, 以及大地测量、石油勘探、精细农业、精密时间传递、地球与大气科学研究以及移动通信等多领域。未来卫星导航与定位技术将进入以保障地球系统环境安全、发展战略性新兴空间信息产业、探索地球系统的新阶段。

卫星导航与定位技术是事关国民经济社会发展、国家科技进步、国家安全等方面的综合技术领域, 是国家科技实力与竞争力的重要标志之一[1]。世界主要军事大国以及经济体都竞相发展独立自主的全球卫星导航系统 (Global Navigation Satellite System, GNSS) , 包括:美国的GPS (Global Positioning System) 、俄罗斯的GLONASS (Global Navigation Satellite System) , 欧盟的GALILEO (Galileo Navigation Satellite System) 以及中国的北斗卫星导航系统BDS (Bei Dou Navigation Satellite System) 。

当前, 卫星导航与定位技术正在从单一的GPS时代转变为多星座并存兼容的GNSS新时代, 卫星导航体系全球化和增强多模化;从以卫星导航为应用主体转变为PNT (定位、导航、授时) 移动通信和Internet等信息载体融合的新阶段。BDS的逐步建成为我国卫星导航与定位技术的进一步发展提供了良好契机[2]。我国应该抓住这一机遇, 大力推进卫星导航与定位学科的进一步发展, 为培养大量高精尖专业技术人才, 争夺卫星导航与定位的国际市场奠定良好基础。本文旨在调研国内外卫星导航与定位技术学科的发展现状, 对国内外最具代表性的高校和研究机构进行了对比分析, 为我国卫星导航与定位技术学科的发展提出若干建议。

二、卫星导航与定位技术学科发展

目前, 国内研究卫星导航与定位技术的高校和机构主要包括:武汉大学、同济大学、中南大学、河海大学、山东科技大学、长安大学、上海天文台、中国测绘科学研究院和中国科学院测量与地球物理研究所等[3,4]。本文以武汉大学作为国内卫星导航与定位学科的研究代表。武汉大学卫星导航定位技术研究中心始建于1998年, 以建设世界一流学科为目标, 经过十余年的努力, 在卫星导航及相关领域开展了广泛深入的研究, 为我国自主卫星导航系统的新技术、新方法和新应用的发展做出了巨大贡献。

目前已建成亚洲唯一的国际IGS分析中心、国际IGS数据中心, 全球连续监测评估系统 (IGMAS) 数据中心以及武汉大学北斗试验跟踪网。发表高水平SC论文数量也与日俱增, 包括《Journal of Geophysica Research》、《Journal of Geodesy》和《GPS Solution》等。每年培养卫星导航与定位的硕士研究生、博士研究生达到两百余人。为了实现世界一流学科建设的目标, 需要以世界领先学科为标杆, 通过与世界领先学科的对比与分析, 找出本学科发展的优势和不足, 明确发展定位。为此, 我们深入调研了澳大利亚新南威尔士大学和美国麻省理工学院的测绘学科的发展动态, 从人才培养、队伍建设、科学研究、国际交流、社会服务几个方面进行了全方位的对比分析。

(一) 澳大利亚新南威尔士大学

澳大利亚新南威尔士大学 (UNSW) 测量与空间信息工程系成立于1960年, 隶属于土木与环境工程学院, 该学院在2012-2014年QS世界大学学科排名中位列前20。测量与空间信息工程系是世界一流的大地测量与卫星导航研究团队, 是澳大利亚排名第一的地球观测研究机构。测量与空间信息工程系以GNSS卫星导航定位为主要研究方向, 在卫星导航接收机设计和信号处理算法、组合导航、室内导航、遥感技术及应用等领域具有雄厚的实力。主要的研究方向包括:多GNSS系统导航定位、卫星接收机设计和信号处理算法、多传感器融合算法及应用、室内定位、大地测量参考框架、遥感技术与应用以及激光雷达测量等。该系现有1名教授, 3名副教授和4名高级讲师, 其中Rizos教授在2011年当选为国际大地测量学会 (IAG) 主席。为大地测量研究以及应用领域培养了大量优秀的人才, 现有在读博士研究生33名。该系自1960年成立之日起, 便与美国、德国、英国等著名大学、研究机构和产业部门建立了长期的、广泛的国际合作关系。2010年以来, 共发表论文450余篇, 其中SCI论文近200篇。培养了许多优秀的博士和硕士毕业生, 获得了许多学生奖, 同时毕业生受到用人单位的一致好评。导航定位领域的毕业生中, 许多已经成为澳大利亚最多产、最有创新能力和最有影响力的研究人员。

(二) 美国麻省理工学院 (MIT)

美国麻省理工学院 (MIT) 大地测量与地球动力学系隶属于地球、大气和行星科学学院, 该学院在地质、地球物理等领域有百余年的悠久历史。该系主要研究方向包括:卫星精密定位定轨理论、方法和软件、地壳形变监测、激光测高、地球内部构造等。现有研究和教学人员10人, 为大地测量领域培养了大批优秀人才, 很多已经成为了本学术领域的领军人物。大地测量与地球动力学系是世界著名GNSS高精度数据处理软件GAMIT的主要研发机构, 过去二十余年GAMIT软件在卫星精密定轨定位、地壳形变监测、地球环境变化等领域得到了广泛的应用, 并取得了大量的成果。上世纪90年代, 以该系为依托建立了IGS分析中心 (MIT) , 为IGS提供精密的GNSS产品, 其产品质量长期位列各分析中心前茅, 为推动GNSS技术在精密导航定位领域的应用做出了突出贡献。美国麻省理工学院的在GNSS数据分析方面研究处于世界领先水平。

与上述两个研究机构相对比可知, 武汉大学在卫星导航定位研究方向方面, 相对全面;在研究的深度方面, 与澳大利亚新南威尔士大学水平相当, 与美国麻省理工学院相比还有一些距离;从办学规模来看, 武汉大学优势明显。因此, 应该在需要巩固现有成绩的基础上, 进一步提升国际影响力, 建成具有世界一流水平的卫星导航定位技术的研发与创新平台。需要提高的方面包括如下四点:增加高端论文发表数量与质量, 尤其是SCI检索论文;加强国际间的交流和合作, 争取举办有影响力的大型国际会议;扩宽人才培养和就业渠道, 为国际大地测量界输出更多高层次的优秀人才;增加国际学术机构和国际学术期刊的任职, 掌握国际话语权。

三、结语

近二十年来, 我国在卫星导航与定位学科取得了巨大的发展, 一大批高校及研究设立了与该学科相关的一级博士点, 培养了大批优秀的专业人才。但与国外著名高校和研究机构相比, 在学科发展的深度和广度方面还存在着一定的差距。我国应紧抓北斗卫星导航系统建设的良好机遇, 建设世界一流的卫星导航与定位学科。

摘要：卫星导航与定位技术是事关国民经济社会发展、国家科技进步、国家安全等多方面的综合技术领域。北斗卫星导航系统的逐步建成为我国卫星导航与定位技术的进一步发展提供了良好契机。我国应该抓住这一机遇, 大力推进卫星导航与定位学科的发展, 为培养大量高精尖专业人才, 争夺卫星导航与定位国际市场奠定良好基础。本文旨在调研国内外卫星导航与定位技术学科的发展现状, 对国内外最具代表性的高校和研究机构进行对比分析, 为我国该学科的发展提出了若干建议。

关键词：卫星导航定位系统,BDS,学科发展

参考文献

[1]程鹏飞, 杨元喜, 李建成, 孙汉荣, 秘金钟.我国大地测量及卫星导航定位技术的新进展[J].测绘通报, 2007, (02) :1-4.

[2]宁津生, 王正涛, 测绘学科发展综述[J].测绘科学, 2006, (01) :9-15.

[3]杨军, 曹冲, 我国北斗卫星导航系统应用需求及效益分析[J].武汉大学学报 (信息科学版) , 2004, (09) :775-778.

卫星导航与定位技术篇2

第十六条卫星导航定位科学技术奖坚持以“精神鼓励为主、物质奖励为辅”的原则，通过颁发获奖证书、奖杯及奖金，并通过有关媒体向社会公布的方式授予。卫星导航定位科学技术奖的授奖证书，不作为确定科学技术成果权属的直接依据。

第十七条卫星导航定位科学技术奖是推荐国家科学技术奖的基础。协会对于获得本奖一等奖的奖项，将推荐给国家测绘局及有关主管部门申报国家科学技术奖。对于获本奖一等奖以外的奖项，将推荐给获奖者所在单位的上级部门，建议予以表彰并作为业绩记入单位及个人档案。

第十八条卫星导航定位科学技术奖的经费来源，主要依靠社会力量特别是国内外从事导航定位的企事业单位的赞助，以及本协会的自筹资金。

第六章罚则

第十九条剽窃、侵夺他人的发现、发明或者其他科学技术成果的，或以其它不正当手段骗取奖励的，由协会奖励委撤销奖励并在有关媒体上予以公示。

第二十条推荐、申报单位提供虚假数据及材料，或协助他人骗取本奖的，由奖励委暂停或取消其推荐、申报资格。

第二十一条参与卫星导航定位科学技术奖评审活动的有关工作人员，在评审活动中弄虚作假、徇私作弊的，取消其参与评审的资格和活动。

第七章附则

第二十二条本办法实施过程中，若出现与国家法规政策现行规定不符的，以国家有关法规政策为准。

第二十三条本办法的解释权属中国全球定位系统技术应用协会。

卫星导航与定位技术篇3

从20世纪90年代末至今, 卫星导航相关专利申请数量迅速增加。我国的卫星导航产业在近5年间才开始进行专利布局, 而国外卫星导航技术起步较早, 在专利申请量以及核心技术和应用领域的布局上具有较大优势, 这无疑会对我国卫星导航产业的发展构成威胁。

面对国内外各大导航厂商不断拓展的专利布局现状, 只有全面的、准确的摸清国内外专利技术发展的具体方向, 深入了解拥有重要专利技术的主要国家和企业, 洞悉不同地区和企业技术研发的重点, 才可能做到及时把握技术发展动向, 知己知彼, 在新的产业竞争道路上探索出一条符合国情的发展之路。

针对上述需求, 笔者所在研究团队以专利信息为切入点:检索各重点分支技术;解析主要国外申请人专利布局;筛选国外主要竞争对手的重要专利;提出相关领域专利技术布局策略。由此形成了包含接收机天线、射频前端处理模块、重点企业专利布局、导航领域专利诉讼、混合室内外定位技术、导航电子地图以及信号格式等子专题在内的卫星导航领域专利分析报告。本文作为卫星导航专利分析报告之四, 主要聚焦卫星导航混合定位领域, 通过专利信息的统计分析, 对其产业现状和技术发展路线进行梳理。

2 卫星导航混合定位技术简介

全球卫星导航系统在车载导航等民用方面的应用已日益广泛。但是, 卫星信号会受到建筑物、树木、墙和地形的遮挡, 从而在大城市的楼群间、室内、隧道或者较深的矿区等地区, 卫星信号较为微弱, 这在很大程度上影响了民用导航的准确度。

为进行高精度的定位, 将卫星导航技术与其他的定位技术 (如室内定位技术、地面网络技术等) 相结合成为大势所趋, 具有全球导航卫星系统 (GNSS) 和地面网络集成的混合定位系统正在演进为技术发展的重要策略, 并且正在成为国家实力的重要代表。

综上所述, 有必要对混合定位技术进行研究和专利分析, 从中寻找研究热点和发展趋势。

目前的混合定位技术主要有高通的GPSOne技术, 以及GPS+Wi-Fi、GPS+短距离无线通信、GPS+GPSO ne、蜂窝网络+短距离无线通信等多种组合的混合定位技术等。

3 卫星导航混合定位技术专利申请态势分析

3.1 技术发展历程

纵观混合定位技术的专利申请, 自1990年开始出现相关专利申请, 到2013年9月31日为止, 全球专利申请为2, 541项, 其中中国专利申请为971项。

全球卫星导航混合定位技术发展历程大致经历以下三个阶段:

(1) 技术萌芽期 (1990~2000年)

随着20世纪80年代GPS定位技术的发展, 仅利用单独的GPS系统执行定位, 会导致定位精度不足和应用范围过小。各大公司在1990至2000年间开始组合多种定位技术进行定位。由于处于研发起步阶段, 因此申请量较少。美国联邦通信委员会 (FCC) 1996年10月颁布的E911法令, 要求所有的蜂窝无线通信网运营商在手机用户发出紧急呼叫时, 向公共安全应答点提供该手机的号码和位置。这项法令的颁布大大促进了无线通信定位技术发展, 该技术下的专利申请量开始增长。

(2) 技术发展期 (2001~2005年)

在该时期, 许多公司在E911法令实施前抢滩圈地。不仅许多小公司纷纷提交专利, 在2001年, 高通公司所提交的GPS和移动网络混合定位技术专利申请也高达16项, 充分说明了E911法令对于推定定位技术发展的巨大作用。在此期间涉及的定位技术, 不仅有GPS与移动网络混合定位技术, 还有各种室内定位技术。

(3) 技术成熟期 (2006至今)

自2006年起, 由于前期中国联通、中国移动纷纷开始提供手机LBS业务, 中国的定位技术申请量自2006年起有了较大增长, 全球申请量也有了较大回升, 从此申请量连年快速增长, 但申请人的数量增速相对较缓, 显示出了室内外定位技术已经进入相对成熟期。

3.2 专利布局

3.2.1 全球专利布局分析

涉及混合定位技术的专利申请在全球的专利布局情况, 如图1所示。美国的专利申请量达到869项, 居卫星导航混合定位技术全球申请量之首, 占全球总量的34%, 显示出美国是该领域的最大专利布局地区;排名第二位的是中国, 专利申请量达到591项 (另有实用新型380项) , 占全球总量的23%;排名第三、四位的是韩国和日本, 专利申请量分别为196和183项, 各占全球总量的8%和7%;欧盟的专利申请量为59项, 约占全球总量的3%。可以看出, 在卫星导航混合定位技术方面, 欧美在该领域具有传统的技术优势。日韩由于定位技术的应用起步较早, 发展成熟, 申请量也不容小觑, 我国在该领域也具有一定的专利布局。

3.2.2 中国专利布局分析

在中国申请的国外申请人的主要来源国是美国、日本、韩国、芬兰和瑞典。如表1所示, 美国、日本、芬兰和瑞典在中国申请的授权率和有效率在40%以上, 而日本的授权率则高达50%左右。可见这些国家一是对中国市场比较重视;二是技术确有先进之处、撰写质量高;三是专利策略清晰, 授权范围稳定, 并注重专利池的布置和专利的保有。

在中国申请的国内主要省市的发明专利申请量、授权量和有效量的对比情况。如表2所示, 北京、上海、江苏和广东的授权率在22%左右, 深圳的授权率相对较高在33%。有效率方面, 广东最高, 为73%, 其次是深圳, 为67%, 其他三个省市有效量在47%左右。这显示出在集中了大批科研院校和生产企业的上述五个省市, 专利申请的质量比之国外公司仍有提升的空间, 但授权专利的保有方面与国外公司相差不大, 显示出了这些省市对已授权专利的重视。

3.3 主要技术构成

3.3.1 技术分支的划分及其涵义

按照主要室内外定位技术, 将卫星导航混合定位划分为10个技术分支, 各技术分支的划分及其涵义。如表3所示。

3.3.2 各技术分支全球申请年代分布

图2是上述各技术分支的全球申请量年度分布情况。可以看出, 各技术分支处于不同的发展阶段。如技术分支“GPS+蜂窝网络+其他”的申请量最多, 其从1996年开始申请量就开始明显增长, 在2008~2010年度达到最大值, 2011年申请量趋于稳定, 显示这项技术处于成熟期。而“短距无线通信”技术分支从2002年起申请量有了快速增长, 显示该技术自此时起进入了研发高峰, 显示该项技术处于快速发展期。再看“电视定位”技术分支, 其申请高峰出现在19 9 9~2 0 0 4年, 自此之后申请量迅速减少, 显示该项技术处于停滞期。

此外, 从各项技术的申请绝对数量来看, “短距无线通信”和“GPS+蜂窝网络+其他”、“无线传感器”是近期研究的技术热点, 尤其是“短距无线通信”技术, 申请增量率超过“GPS+蜂窝网络+其他”, 居于首位, 表明业界各家公司在此技术上申请和布局最多。

3.3.3 各技术分支中国申请年代分布

图3是各技术分支申请量中国年代分布图, 可以看出, 与全球不同, 中国自1996年才开始有涉及卫星导航混合定位的专利申请, 其余分布规律与全球申请量分布大体相同。除了“短距无线通信”、“无线传感器”是近期研究的技术热点外, “伪卫星”技术和“蜂窝网络+其他”的专利申请也持续增加且数量, 显示出我国研发机构对这两项技术仍保有研发热情。

(未完待续)

摘要：集成全球导航卫星系统 (GNSS) 和地面网络的卫星导航混合定位技术是定位技术发展的重要分支。本文以大量精确的数据统计为基础, 全面呈现了全球及国内卫星导航混合定位专利申请的态势、申请人特点及技术分支分布, 并以专利信息为切入点, 对其产业现状和技术发展路线进行梳理。

弱信号条件下的卫星导航技术进展篇4

弱信号条件下的卫星导航技术进展

弱信号条件下卫星导航技术的研究具有重要意义.人们为了实现弱信号条件下的.全球卫星导航,从提高接收机灵敏度和增加辅助信号设备两方面入手,取得了有效进展.两大技术途径的发展前景值得期待.

作者：戴卫恒朱文明常江吕晶作者单位：解放军理工大学通信工程学院卫星通信重点实验室,江苏南京,210007 刊名：全球定位系统英文刊名：GNSS WORLD OF CHINA 年，卷(期)：2009 34(1) 分类号：P228 关键词：弱信号 HSGNSS AGNSS

卫星导航与定位技术篇5

1. 北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。

从2000年发射两颗导航试验卫星以来, 2003年5月25日第3颗北斗一号卫星发送成功。2003年12月正式开通运行建成北斗导航试验系统 (第一代系统) 。中国计划2007年两颗北斗导航卫星, 2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求, 并进行系统组网和试验, 逐步扩展为全球卫星导航系统。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°一140°, 北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星 (实际上最多能观测到11颗) 。

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°。航卫星为准同步轨道, 绕地球一周11小时58分。

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。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题, 一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性, 这在军事上相当不利, 另一方面由于设备必须包含发射机, 因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。

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, 用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号, 还要求用户设备向同步卫星发射应答信号, 这样, 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。因此, 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, 因此GPS的用户设备容量是无限的。

6. 生存能力:

和所有导航定位卫星系统一样, “北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作, 但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多, 因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性, GPS正在发展星际横向数据链技术, 使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能性, 一旦中心控制系统受损, 系统就不能继续工作了。

7. 实时性:

“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统, 中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户, 其间要经过地球静止卫星走一个来回, 再加上卫星转发, 中心控制系统的处理, 时间延迟就更长了, 因此对于高速运动体, 就加大了定位的误差。此外, “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就是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。缺点是不能覆盖两极地区, 赤道附近定位精度差, 只能二维主动式定位, 且需提供用户高程数据, 不能满足高动态和保密的军事用户要求, 用户数量受一定限制。但最重要的是, “北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统, 它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位, 解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。此外, 该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反, 在此基础上还将建立中国的GPS广域差分系统。可以使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级, 可以更好的促进GPS在民间的利用。

二、北斗卫星定位系统的发展趋势

“北斗”系统的定位作业需要中心站直接参加工作, 中心站在每次定位过程中都处于核心的位置。这使它具有一些与GPS系统不同的特殊特性。第一, 从“北斗”系统的定位过程可以看出, 它是一个有源系统, 用户机在定位过程中必须发射信号。这是它与GPS系统最大的不同。既然可以发送信号, 就可以具备通信能力。因此, “北斗”系统具有低速通信功能, 可以在任意两个用户机之间一次发送36个汉字字符的信息, 经过授权的用户一次可以发送120个汉字的信息。这个功能是GPS无法具备的。第二, “北斗”系统每次定位作业都是由用户机发出请求, 经过中心站解算出坐标, 然后发送给用户机。这种工作方式使“北斗”系统存在着用户容量限制, 凡是未经授权的用户都无法利用“北斗”系统进行定位作业, 因而具备极好的保密性和反利用性。第三, “北斗”系统一次定位需要测距信号经中心站——卫星——用户机往返两次, 因此费时比较长, 从用户机发出定位请求到收到定位数据大约需要1秒钟, 因此它不适合飞机、导弹等高速运动的物体, 而更适合舰船、车辆、人员等低速运动目标的定位。根据以上分析, 我们可以看出, “北斗”系统与GPS系统的最大不同, 就在于它采用了有源定位和集中计算的工作机制。从计算机的角度来看, “北斗”系统实际上是一个主机——终端型的集中式计算机网络系统。相比之下, GPS系统采用24颗卫星组成的星座只提供测距信号, 计算由各个用户机自行完成。采用RDSS机制的“北斗”系统与采用军用P码的GPS系统相比, 在一些重要性能上存在着一些差距。一代"北斗"是区域卫星导航系统, 只能全天候、全天时用于中国及其周边地区;而GPS和GLONASS都是全球导航定位系统, 在全球的任何一点, 只要卫星信号未被遮蔽或干扰, 都能接收到三维坐标。"区域性是我国双星定位的技术特点、水平以及国家需求决定的,

二代‘北斗’可以称为‘中国的GPS’, 不过它仍然会比GPS多一个通讯为发展我国二代"北斗"的关键技术提供了准备。定位的“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器, 能够参照其他星, 把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功, 表明这种技术是有效而可靠的。这样, 当我们不断发射新的卫星构建二代“北斗”体系时, 众多卫星就会找准自己的位置, 构成符合标准的网络。此外, “北斗”一号的3颗星寿命都是8年, 专家正不断研究, 预计下一次发射的卫星寿命就能达到10年左右了;而目前GPS卫星的寿命都是12年左右, GLONASS卫星的寿命则是3到5年。

参考文献

[1]李天文, GPS原理与应用, 科学出版社, 2003

卫星导航与定位技术篇6

关键词：北斗卫星导航系统,定位精度,UERE,URE

0 引言

卫星导航系统定位精度定义为用户在定位过程中实际达到的精度。开展导航系统定位精度的分析可为导航用户在使用其服务时提供可靠的决策支持信息, 同时能促进系统的全面建设。描述导航系统定位精度的方法有很多种, 比较常用的有圆概率误差 (CEP) 、2倍距离均方根误差 (2DRMS) 、二维水平标准差等, 其他方法还包括简单的统计描述[1]。本文采用用户等效测距误差 (User Equivalent Range Error, UERE) 结合精度因子 (Di lution of Precision, DOP) 值精度评估方法对北斗卫星导航系统和GPS系统一段时间内的静态定位精度进行分析。

1 UERE计算方法

UERE是对伪距运算的统计描述。根据目前GPS和Galileo系统发布的相关文档, UERE包含用户测距误差 (User Ranging Error, URE) 和用户设备误差 (User Equipment Error, UEE) 两部分[2]。北斗系统UERE[4]的计算公式为:

1.1 URE概念及计算方法

URE定义为导航卫星位置与钟差的实际值与利用预报导航星历得到的预测之差, 投影在卫星到用户视线上的等效距离误差[3]。它反映了预报的导航星历及钟差精度, 并最终影响实时导航用户定位精度。

空间信号精度是导航电文 (导航星历和钟差) 精度的确切反映。URE计算公式如下:

式中:R, A, C分别表示轨道径向、切向、法向误差;T为卫星钟差。式 (2) 、式 (3) 反映出不同的轨道误差分量对导航定位的影响程度。

北斗卫星导航系统的星座主要由高轨卫星GEO, IGSO以及中轨卫星MEO构成, 这与GPS等其他卫星导航系统有明显的差异。北斗系统全球平均均方根URE推导如下:

假设地球是半径为1的理想球体, 在地心地固坐标系中, 卫星的坐标为 (0, 0, r) , r表示归一化后的卫星到地心的距离, 则接收机在纬度为θ, 经度为ϕ和高程为0时, 瞬时URE公式计算如下:

式中:⋅是矢量点积;R, A, C分别表示轨道径向、切向、法向误差;l是从接收机指向卫星方向的矢量。全球平均URE为卫星空间信号误差 (轨道误差E、卫星钟差T) 在覆盖范围内各传播方向上投影误差的RMS统计值[4]。因此, 可获得URE的RMS计算公式如下:

式中:T是卫星钟差;ϑ是卫星的半张角, 即卫星覆盖地球范围边缘的纬度。在用户没有仰角限制时, S=2π (1-sinϑ) 是卫星覆盖地球的弧面面积。

假设地球平均半径为6 371 km, 北斗系统的MEO卫星轨道高度为21 528 km, IGSO/GEO卫星轨道高度为[4]35 786 km。可获得北斗系统MEO卫星:r=4.379 , ϑ=13.20°;IGSO/GEO卫星:r=6.617, ϑ=8.692°。代入公式 (6) , 可获得北斗卫星导航系统各类卫星URE计算公式, 如式 (7) , 式 (8) 所示:

1.2 UEE分析

UEE取决于电离层、对流层延迟误差等与空间物理环境相关的误差以及多径、接收机噪声等与用户设备相关的误差, 会因为空间用户位置的不同而不同。下面分别对UEE的主要误差项的计算模型进行分析研究。

1.2.1 电离层延迟误差

电离层误差是卫星导航定位误差中影响较大的误差之一。本文使用双频接收机直接利用双频观测量值对北斗系统电离层误差进行修正。双频修正方法[5]详解如下:

ρ1与ρ2对应的伪距观测方程式表示为:

式 (9) 与式 (10) 的等号右边只有电离层延时这一项不同。已知电离层延时与载波频率之间的函数关系式, 则双频电离层延时I1与I2分别表示为:

式中:f1与f2分别为载波B1与B2的频率。式 (11) 中两两相减整理得载波B1受到的电离层延时的计算公式, 同理得到B2受到电离层延时的计算公式:

1.2.2 对流层延迟误差

本文结合中国地区的地理环境和气候特点, 采用SHAO模型[6]修正对流层延迟误差[7]。模型表达式如下:

式中:h0表示每个网格点的平均高度 (单位:km) ;h表示测点高度;ϕ表示测点纬度;Z0 (ϕ, h0) 表示每个网格平均高度上的天顶延迟;ΔZ0 (ϕ) 表示每个网格平均高度上天顶延迟的振幅;a1表示每个网格天顶延迟随高度的递减率;a2表示每个网格天顶延迟随高度的递减加速度;D表示年积日, 在北半球, Dmin=28, 在南半球, Dmin=211。

2 DOP值分析

卫星定位系统的精度性能很大程度上取决于卫星的数目和几何布局, 而DOP正是衡量卫星几何布局优劣的一个量度。根据性能的不同, 精度因子分为GDOP, HDOP, VDOP, PDOP和TDOP[8]。

2.1 观测矩阵计算

导航定位解算的线性化观测方程可写为:

式中:x为4×1矢量, 其元素分别为接收机X, Y, Z坐标和时钟钟差的真值相对于线性化点x0= (X0u, Y0u, Z0u, ct0u) 的偏移量, 有x0 (已知) 和x可惟一描述接收机位置和钟差真值[9], 为便于描述, 以下将x作为真值的代表;y为矢量n×1, 其元素是测量伪距与在线性化点预测伪距间的差值;n是可视卫星数;ε为n×1维测量噪声矢量;H为系数矩阵:

式中: (Xms, Yms, Zms) 为卫星m (m=1, ⋯, n) 的位置;Ri为卫星m到线性化点x0所代表用户位置的距离。

2.2 各类DOP值计算

由观测矩阵H和地心直角坐标系到站心坐标系转换矩阵T, 计算得到用户某历元的所有DOP值[10]如下:

式中:权系数阵A的主对角线元素为Aii (i=1, 2, 3, 4) , 矩阵A的条件数表示了解的误差放大倍数, 称该条件数为几何精度因子。A1∶3, 1∶3为矩阵A的去掉第4行第4列组成的新3×3矩阵。

3 实验分析

卫星导航系统提供的导航定位精度的计算一般在95%的置信概率下, 由UERE与DOP值相乘得到[8]。计算公式如下:

95%导航定位精度≈95%UERE×DOP

本文采用司南导航公司生产的K505 GPS/BDS双系统5频高精度GNSS板卡和司南导航AT301天线等实验设备, 接收了北斗系统和GPS系统2012年11月28日7:40—11:10的静态数据。根据上述模型和算法对北斗系统定位精度进行了分析, 实验结果如图1, 图2所示。

图1和图2分别是北斗和GPS双频静态数据处理的定位精度结果, 具体结果见表1, 三个方向的结果都为平均值, 单位为m。从表1中可以看出, 不论北斗系统还是GPS系统双频静态数据, E方向和N方向的定位精度远远高于U方向。从上述依次的实验结果来看, 北斗区域导航系统的定位精度水平方向上优于5 m, 在高程方向上优于15 m, 这与GPS全球定位系统的定位精度还有一定的差距, 主要是由于GEO星上多径的影响, 导致消电离层组合噪声增大, 影响定位精度, 需要在以后的研究中改进相关算法和模型。

参考文献

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北斗卫星导航系统定位性能评估篇7

在过去的20年里,GNSS系统在大地测量以及地学研究领域获得广泛应用,从导航应用、高精度控制网布设、城市建筑变形监测、地震监测与预报到全球板块地壳运动研究等,GNSS系统都扮演着重要的角色[1]。北斗卫星导航系统 ( Bei DouNavigation Satellite System,BDS ) 是中国自行研制的继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统[2]。2012年底第13、14号卫星的成功运行标志着覆盖亚太地区的北斗区域卫星导航系统已经建设完成,伪距定位精度可达10m以内,并且初步具备高精度定位能力[3~5]。随着北斗系统的进一步提高和完善,其在地震监测、预报,大陆板块运动等研究领域的潜力逐渐显现,这一系列应用的基础便是正确的位置解算。近年来,越来越多的国内外学者就北斗单点定位、精密单点定位、基线解算等方面开展学术研究,创新数据处理方法,评估系统定位导航性能。Oliver Montenbruck等利用北斗实测数据从轨道、多路径效应、卫星钟差、单点定位、相对定位等多个方面对北斗卫星导航系统进行初步评估并给出相关的计算结果[6]。李敏基于武汉大学提供的北斗卫星精密轨道和卫星钟差产品,利用武汉大学“北斗卫星观测实验网”实测北斗观测数据,首次开展北斗卫星导航系统精密单点定位应用研究[7]。施闯等利用北斗GEO、IGSO卫星实时观测数据进行精密相对定位,解算结果可达厘米级[5]。本文就北斗卫星导航系统单点定位、精密单点定位、基线相对定位等算法开展研究,利用实测数据评估了北斗系统的定位性能,为北斗系统进一步应用于地学研究领域打下一定的基础。

1 定位解算方法

1. 1伪距单点定位

对于北斗伪距观测量可以罗列如下方程[8]:

式 ( 1) 中,P代表伪距观测值; 上标j表示当前的卫星号; ρ表示卫星到接收机的几何距离; δtr和δts分别表示接收机钟差和卫星钟差; δion、δtrop、δrel分别表示电离层延迟、对流层延迟和相对论效应误差; MP表示伪距多路径误差; εP表示伪距的随机噪声。为了方便起见,所有的项都以m为单位。

在实际解算中分别对以上各误差项采用如下策略进行改正:

( 1) 对于卫星钟差δts,采用北斗广播星历提供的卫星钟钟差、钟速、钟速变率等参数进行改正,即δts= a0+ a1( t - toe) + a2( t - toe)2;

( 2) 对于电离层误差δion,本文采用Klobuchar( 克罗布歇) 的8参数模型进行改正;

( 3) 对于对流层误差δtrop,本文采用了Hopfield( 霍普菲尔德) 模型进行改正;

( 4) 对于相对论相应δrel,本文采用北斗ICD文件中提供的改正公式进行改正。

1. 2 精密单点定位

对当前时刻的伪距、载波相位观测数据可罗列如下方程[8]:

式 ( 2) 中, φ代表载波相位观测值; m φ表示相位多路径误差; ε φ表示相位随机噪声; Nj表示整周模糊度参数,λ为相应信号的波长。

对于双频接收机,一般采用无电离层组合观测值进行解算。无电离层组合可以消除电离层延迟的一阶项,其组合方程如下:

其中,L = λ φ,f表示相应频段的频率。把组合观测值带入式 ( 2) 即可。

在进行精密单点定位时,除了常规单点定位解算时考虑电离层、对流层等误差改正外,还要对其他误差进行更为细致和精准的改正,误差项以及改正方法见表1。

进行解算时,对于静态观测,位置参数可以作为常未知数处理; 没有周跳情况下,整周未知数作常数处理; 出现周跳时,整周未知数看做一个新的常数参数计算。同时,接收机钟存在抖动现象,因此将其参数当作白噪声处理; 对流层变化较为平缓,在模型改正后可利用随机游走的方法估计其残余影响。本文采用常规的序贯最小二乘法进行精密单点定位的解算。

1. 3 相对定位

GNSS绝对定位的精度受到诸多因素的影响。相对定位可有效削弱这些误差的影响。观测方程进行双差后,可消除接收机和卫星钟差,其观测方程为[8]:

式 ( 4) 中,下标A,B为测站,上标i,j为观测卫星,其中A为基准站,i为参考卫星; 下标组合表示对测站作差,上标组合表示对卫星作差。d X、d Y和d Z分别为基线向量的三个坐标改正数; l、m和n分别为三个坐标方向上的方向余弦; I和T分别为电离层延迟改正和对流层延迟改正,当基线长度较短时此两项误差可忽略不计。常数项:

双差观测值的随机模型为[9]:

式 ( 6) 中,S表示观测值类型,nS为该类观测值的卫星数。

高精度的定位结果依赖于正确的模糊度解算,因此模糊度固定是基线解算的核心。为便于模糊度的固定,文中先固定双差宽巷模糊度,而后根据B1和B2的线性关系固定B1和B2的模糊度[10,11]。具体流程如图1所示。

2 北斗系统定位性能评估

2. 1 北斗系统概述

北斗系统是中国自主研制的全新一代卫星导航系统,截止2014年,在轨工作的卫星有5颗地球静止轨道 ( GEO ) 卫星、4颗中圆地球轨道( MEO) 卫星和5颗倾斜地球同步轨道 ( IGSO) 卫星。现阶段星座具体发展情况如表2所示。

北斗系统的时间基准采用北斗时 ( Bei DouSystem Time—BDT) 。北斗时基于原子时,起始历元为2006年1月1日协调世界时 ( UTC) 00时00分00秒,采用周和周内秒计数。北斗系统采用CGCS2000坐标系 ( 2000中国大地坐标系) 。目前北斗系统已经覆盖中国以及大部分亚太地区,成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统 ( 见图2、图3) 。

2. 2 实验数据

本文用于系统性能评估的数据全部来自各个测站的实测数据。其中用于单点定位和精密单点定位评估的测站数据采用Trimble NetR9以及UB240CORS型接收机采集,采样间隔设为30s。用于短基线定位评估的数据由同济大学提供,采用和芯星通( UNICORE) 公司生产的UB240-CORS北斗/GPS双系统四频接收机 ( GPS: L1、L2; 北斗: B1、B2)对两条小于1km的短基线进行了数据采集,一条位于北京的超短基线3. 0669m,数据时间段为2012年11月8到10日; 另一条位于上海同济大学的基线长度为470. 3009m,数据时间段为2012年11月8到15日,数据的采样间隔均为1s。

2. 3 单点定位评估

如图4所示,为Rcv01站一天24h观测值北斗B1频率伪距单点定位N、E、U方向与真值偏差的时间序列,其他测站结果见表3统计。

由表3可知,N方向一般在4m以内,E方向一般在2m以内,U方向一般在5m以内,三维精度已满足设计要求的10m。同时可以看到,一般解算结果都是E方向最好,U方向最差。U方向为高程方向,高程方向解算结果最差在情理之中; 而北斗系统定位的东西方向结果明显好于其他两个方向,这是由于北斗特殊的星座构成导致的。现阶段北斗系统大量采用GEO卫星进行定位导航,5颗GEO卫星近似均衡地分布在我国赤道上空,加强了星座东西方向的约束,对E方向的定位结果提高显著。

2. 4 精密单点定位评估

对8个测站一天24h的观测数据利用自编的软件进行了精密单点定位解算,给出了各测站的静态解。在该软件解算的数据预处理过程中,采用了M-W联合GF组合的方法进行野值点剔除、周跳探测和修复[12]。同时利用相位平滑后的伪距作为辅助观测值,提升精密单点定位初始化的效率[13]。各测站结果见表4。

可以看到,对于北斗精密单点定位,平面精度一般在3 ~ 4cm左右; 高程方向精度一般在4 ~7cm,不超过10cm; 系统已经具备高精度定位能力。

2. 5 基线相对定位评估

利用自制的北斗短基线数据处理软件,按1s采样率分别解算了同济大学测站11月8到15日、北京测站11月8到10日的实测数据。由于篇幅所限,本文只将上海站11月8日一天观测数据 ( 采样率1s,解算历元86400个) 求得的北斗基线相对于标准值的偏差时间序列如图5所示。其他时间段观测数据的解算结果如图6所示。

由图5的误差序列求得北斗基线在N、E、U各方向上的RMS值分别为0. 41cm、0. 30cm、和0. 71cm。

为了评估北斗系统在上海、北京两站的定位表现,对多天解算结果进行了统计分析,如图6所示。经统计,上海基线6天解算结果N、E、U方向误差序列的平均RMS值分别为0. 42cm、0. 31cm、0. 80cm; 北京基线3天解算结果N、E、U方向误差序列的平均RMS值分别为0. 21cm、0. 18cm、0. 55cm。可以看到,对于这两条短基线数据,北斗单历元基线解算得到了较好的结果。

3 结论

北斗是中国自行研制的全新一代卫星导航系统,目前系统已经覆盖中国以及大部分亚太地区,成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。本文就北斗卫星导航系统单点定位、精密单点定位、基线相对定位等算法开展研究,利用实测数据评估了北斗系统的定位性能,现初步得到以下结论:

( 1) 对于基于伪距观测值的单点定位,N方向一般在4m以内,E方向一般在2m以内,U方向一般在5m以内,三维精度已满足设计要求的10m。

( 2) 对于北斗精密单点定位,平面精度一般在3 ~ 4cm左右; 高程方向精度一般在4 ~ 7cm,不超过10cm; 系统已经具备高精度定位能力。

( 3) 对于1km以内的短基线,单历元基线解算结果可以达到平面精度5mm左右,高程方向精度1cm左右。

( 4) 现阶段,北斗系统大量采用GEO卫星进行定位导航,5颗GEO卫星近似均衡的分布在我国赤道上空,加强了星座东西方向的约束,E方向的定位解算结果明显好于其他两个方向。

摘要：北斗卫星导航系统是中国自行研制的继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。本文就北斗卫星导航系统单点定位(SPP)、精密单点定位(PPP)、基线相对定位等算法开展研究,利用实测数据评估了北斗系统的定位性能,为北斗系统进一步应用于地学研究领域打下了一定的基础。评估结果显示,伪距单点定位精度可达10m以内,精密单点定位和基线相对定位精度可达厘米级。

高精度卫星导航定位行业发展综述篇8

1.1 行业发展现状

1.1.1 发展历程

中国卫星导航定位行业起步较早, 但只在近些年才真正发展起来, 军用和民用市场齐头并进。中国从八十年代中期开始引进GPS技术。随着全球卫星导航定位产业的发展, 以及第一代自主卫星导航系统--北斗系统的建成, 卫星导航定位技术与产品已进入我国国民经济的多个领域并发挥了重要作用, 尤其在测绘、勘探、海上渔业、车辆定位监控等方面。从企业发展的角度来看, 我国卫星导航定位行业的发展历程大致可划分为四个阶段。

(1) 50年代末至60年代末是GPS研发的初级积累阶段。

1958年底, 美国海军武器实验室委托霍布金斯大学应用物理实验室, 研究为美国军用舰艇导航服务的卫星系统, 即海军导航卫星系统。60年代末, 美国在此基础上着手研制新的卫星导航系统, 以满足海陆空三军和民用部门对导航越来越高的要求。

(2) 70年代初至80年代末GPS研发正式开始。

GPS系统从本世纪70年代开始研制, 历时20年, 至80年代末具备了实际应用的条件。1973年12月, 美国国防系统采购和评估委员会批准GPS的建议书, 20世纪70年代中期, 开始了GPS系统的地面试验。

(3) 1989年至1994年是GPS实用组网阶段。

1989年2月4日, 第一颗GPS工作卫星发射成功, 宣告了GPS系统进入工程建设阶段。同年, 麦哲伦公司生产了第一台GPS手持接收机。1992年1月, 在沙漠风暴战争中应用GPS。1994年, GPS系统正式建成。

(4) 1994年至2000年是GPS军转民的过渡阶段。

1996年2月, 美国总统令宣布GPS为军民两用系统, 标准定位服务 (SPS) 对民用开放, 2000年5月, 美国总统令SA关闭, 价格不贵的民用GPS接收机能将其水平定位精度从不低于100m提高到15～20m, 民用GPS的具备了真正的实用价值。

(5) 2000年GPS正式放开在全球广泛推广应用。

GPS产业从军用转入民用后, 逐渐向普通消费群体发展, 作为使用终端的GPS产品正逐渐的深入人们生活得各个领域。GPS使用终端最主要的应用方面主要体现在各种接收器, 比如航空、航海用途的接收器, 汽车导航设备, 或用于登山、远足的手持接收器等终端产品。

现阶段, 刺激整个民用GPS市场消费的主要因素当属汽车行业的高速发展。目前经济最发达同时也是汽车产业极为繁荣的的美国、欧洲、日本三个地区, 由于电子地图与消费电子技术的高度发达, 再加上智能型运输系统的成熟应用, 成为了汽车导航普及率最高的三个地区, 带动了全球导航市场的发展。

1.1.2 市场规模与增长

在21世纪的头十年, 中国卫星导航产业应用市场规模历经了从弱小到逐步成规模的发展阶段, 在全球年均25%增长的大环境下, 中国卫星导航产业保持了领先于全球的增长势头, 年均增长超过50%就算在历经危机的2008年, 其增长势头依然, 特别在中央"保增长、扩内需、调结构"的政策措施的影响下, 国家继续加大对基础建设的投资, 土地测量、资源勘探、工程测量、港口建设、海洋渔业、精密机械控制等各方面应用市场需求的增长, 而在民用市场包括汽车导航、智能交通、个人位置服务等各细分消费市场需求增长就更为显著, 2008年整个中国卫星导航产业应用市场产值仍然保持了50%左右的高速增长, 在2009年, 中国卫星导航产业整体市场规模接近600亿人民币。

1.2 行业基本特点

1.2.1 专业市场正在成长, 国内厂商加速赶超国外厂商

中国高精度GNSS产品市场已经越来越成长为一个开放竞争的市场, 尽管在市场形成的初期, 国内厂商在产品创新和渠道影响力上不及在全球市场上久经考验的国外厂商, 但是随着国内各厂商十年来不懈努力, 国内厂商逐渐成为高精度GNSS产品市场最有力的竞争对手。

1.2.2 国内企业竞争力提升, 从进口主导格局走向国产替代进口

GNSS产品又属于技术门槛较高和具有一定成本门槛的行业, 国内品牌通过引进学习国外技术和自主研发, 目前中国企业已经开始具备自主创新、产品升级换代的能力, 中国GNSS行业已经初步具备参与国际市场竞争的能力。

经过10多年的发展, 我国高精度GNSS产业已经从进口主导格局开始走向国产替代进口, 并逐渐主导国内市场, 并积极参与国际市场的竞争。

1.2.3 行业毛利随着技术进步、成本回落以及规模影响的共同驱动下稳步提升

随着行业技术水平的进一步提升GNSS产品的成本也在逐步下降, 加上国产品牌综合竞争力的提升, 特别是国产品牌对行业的GNSS应用起到了重要普及和客户引导的作用, 使得GNSS在行业的应用中取得了较大发展, 并取得了较大规模的增长。

1.2.4 GNSS产业已经形成专业的上下游产业链结构, 中国高精度GNSS产业链已经初步形成, 国产品牌在GNSS产业价值链上取得重要位置

国产品牌GNSS将进入新的品牌整合阶段, 由现在的少数主流品牌到新的多品牌并存阶段发展到最后少数主流品牌长期共存。随着国产品牌综合竞争能力的提升, 包括中海达、南方测绘等国产品牌不断走出国门, 积极参与到全球市场竞争并逐渐成为全球高精度GNSS市场的新生力量的代表。

2 卫星导航定位应用市场概况

2.1 应用市场规模

2.1.1 产业规模与增长

卫星导航应用分为专业应用和消费应用, 专业应用市场主要涉及航空、航海、测绘、GIS采集、精密机械控制、精细农业等领域。2009年全球专业应用市场规模在150-200亿美元之间, 占整个卫星导航定位市场四分之一强。

中国专业应用市场在2009年市场规模超过100亿元, 约占整体卫星导航应用市场的五分之一强, 保持不低于20%的增长趋势。其中, 最值得关注的是GIS应用领域依然保持着40%以上的快速增长。

2.1.2 细分应用结构

在专业应用细分领域, 由于该行业在中国发展和成熟度低于全球水平, 其结构与全球结构存在较大差异, 在2009年, 在测绘勘探和系统工程领域, 两者产值各约为40亿元, 所占比率各约为45%左右, 而GIS应用领域产值规模较小, 处于起步阶段, 约为10亿, 占比不到10%。

2.2 行业应用市场发展

2.2.1 测绘仪器市场

(1) 市场规模与增长。

中国测绘仪器市场的起步要慢于全球市场, 但由于中国整体经济发展水平处于快速增长阶段, 加上国家不断加强对基础建设的投资, 以及国内不同行业的信息化水平的提高, 在2005～2009年间, 中国测绘仪器市场销售量年均增长率17%, 市场销售额年均增长率为18%。

(2) 产品销售结构。

对与全球来讲, 随着GNSS技术的发展, 应用的广泛和深入, GNSS产品的销售比重和销售数量也在逐年提升, 在销售额上已经占到整体销售的三分之一强。

从中国测绘仪器市场的产品销售结构来看, 其销售变化态势与全球基本一致, 随着产品结构的进一步优化, GNSS产品销售增长明显高于整体市场的平均水平, 也明显快于常规测绘仪器的增长水平。中国测绘仪器市场的产品结构向着有利于GNSS产品方向增长, GNSS产品的销售比重也在逐年提升。

2009年, 在测绘领域, 高精度GNSS产品销售额比重37%以上, 但GNSS产品的销售比重低于同期的全球水平。显然, 说明中国高精度GNSS产品在测绘领域空间尚未被挖掘, 中国市场与全球应用水平相比, 不仅仅有着很大的市场提升空间, 而且相对于全行业的应用水平以及高速增长的中国市场而言, GNSS产品也具有巨大的市场发展潜力。

(3) 中国GNSS产品应用市场国内外品牌销售格局。

中国GNSS产品在2005年以前, 国外品牌在中国市场占据主导地位, 但随着国产品牌的技术积累、市场开拓能力的提升, 国产品牌不断蚕食了已有的应用市场, 同时在新生的应用市场也迅速掌握先机, 在成本降低和技术提升的共同驱动下, 国产品牌凭借其综合竞争能力的不断提升, 逐渐掌握了行业市场的价格主动权, 进而成为GNSS产品行业应用市场的主导品牌。

2004年至2009年五年间, 国内外品牌在市场地位上正历经一场翻天覆地改变, 在销售数量上, 国外品牌从2005年占到中国市场8成, 下降到2009年的2成;销售额方面, 国外品牌从2005年所占比例的85%, 下降到2009年的50%左右。这种市场竞争结构的变化, 充分说明在中国GNSS产品的市场, 国产品牌地位与国外品牌的竞争中逐步体现出优势地位。

2.2.2 GIS地理信息市场

(1) GIS数据采集器在中国的市场发展历程。

就GIS数据采集器而言, 通常以精度为尺度, 即亚米级、0～3米级、5米及以上级分为高中低端三个档次;以应用领域为尺度, 划分为专业级和民用级两个级别。而在中国国内GIS数据采集器市场中, 各个厂商也存在着较大的差别, 其中最为典型的就是中海达和合众思壮, 中海达是以中高端产品应用于专业领域, 合众思壮以中低端部分应用于专业领域和部分应用于民用领域。

从GIS数据采集器在中国的发展历程来看, 大致分为三个阶段。

第一阶段:全部由国外产品占据国内市场, 国内厂商以代理国外产品为主。此阶段以合众思壮为代表。

第二阶段:国内厂商通过代理, 逐步对行业进行了了解, 在此基础上, 通过采购厂商部件, 在国内进行组装, 同时开发相应的行业数据采集软件进行嵌入, 最终形成自主品牌的销售, 但都局限于中低端市场, 此阶段国内厂商的毛利较低。此阶段以合众思壮为代表。

第三阶段:国内个别颇具实力的厂家通过自主研发, 成功开发出高端GIS产品, 打破国外厂商在中国的垄断, 实现与国外厂商的竞争。此阶段以中海达为代表。

(2) GIS数据采集器的市场发展趋势。

GIS数据采集行业作为高精度GNSS行业一个新兴的应用领域, 其将成为继高精度测量型GNSS产品之后又一重要的应用领域, 同时, 其发展趋势归集起来主要有如下特点。

第一, GIS数据采集器成为继传统专业测量型GPS产品后的重要新兴市场。

第二, GIS数据采集器依托其便携移动和专业测量的双重特点, 广泛渗透到各个行业应用市场, 但市场应用还处于启动的初期阶段。

第三, 承载巨大发展潜力需求的GIS市场, 技术的不断革新和产品的推陈出新, 提高GIS数据采集器在各行业的渗透率。

第四, 专业测绘产品品质与符合专业用户和消费用户需求的GIS数据采集器将在价格驱动、技术驱动和产品驱动下呈现爆发性地增长, 未来市场潜力无限。

2009中国GIS数据采集器销售额突破2亿元关口, 而随着GIS数据的应用被逐步推开, 估计到2014年中国GIS数据采集器市场规模将超过10亿元, 在未来的五年间, 中国GIS数据采集器市场销售额年均增长率将超过40%。

2.2.3 系统工程

(1) GNSS系统工程应用发展。

GNSS系统工程产品可广泛应用于变形监控、精密机械控制 (港口自动化、工程机械控制、海上施工定位、飞机进近及船舶靠泊) 、精细农业、气象服务等方面。

GNSS系统工程应用之一:变形监控

国外从20世纪80年代开始用GPS进行变形监测, 发展到今天已经相当的成熟。但在我国, 由于高精度卫星导航产业的发展起步较晚, 其应用水平还远低于国外水平, 但我国地质自然灾害频发, 国家防灾减灾意识提升, 变形监控领域将在未来应用将被广泛挖掘。

GNSS系统工程应用之二:精密机械控制精密机械控制主要应用在港口自动化、工程机械控制、海上施工定位、飞机进近及船舶靠泊、精细农业、气象服务等领域, 精密机械控制作为人类全面进行体力解放的重要方向, 其应用和发展将不可限量。

(2) 发展趋势。

成熟的市场化GNSS系统工程产品与符合用户预期的价位是未来市场提速的“发动机”GNSS系统工程产业化将在产品升级、价格驱动和技术推进三方面为市场带来良性循环, 促进中国传统产业进行以GNSS为基础的信息化融合。

预计2010至2014年的五年间, 中国GNSS系统工程市场规模将保持在40%左右的增长趋势, 到2014年, 产值有望达到20亿。

2.2.4 海洋水声探测市场

(1) 整体概述。

海洋水声探测设备作为水下作业的"眼睛", 代表了人类探索水下世界技术发展的巨大成就。水声探测设备的市场流向按照用途主要有四个, 分别是测绘、勘探、工程、航海, 分别主要对应海洋测绘业、海洋资源勘探业、海洋工程建筑业、海洋船舶工业。水声探测设备深入渗透到海洋经济一、二、三产业中, 可应用于多个海洋细分产业, 保证了海洋经济的发展。

(2) 市场规模与发展。

全球水声知名品牌有ODOM、RESON、Se mra d、C-Ma x、Ge o-Ac ou st ic s、EL AC、ATLAS、SeaBeam等。就全球水声产品而言, 主要可划分物理海洋仪器设备、海洋物探仪器设备、海洋测绘仪器设备以及水下工程仪器设备几个产品线。海洋水声探测设备应用领域广泛, 下游应用行业的繁荣会促进市场的螺旋式上升。具体包括以下五个下游应用领域:测绘应用、勘探应用、工程应用、航海应用、防灾应用。

全近年来, 全球水声探测市场一直保持着平稳增长势头, 从2005年的6亿美元增长到2009年的10亿美元, 年均增长率在15%左右。

中国市场潜在需求极大, 但由于价格、技术发展阶段等原因, 目前市场规模较小, 在全球范围所占比重极小, 2004年, 中国海洋水声探测市场规模约为1.5亿人民币, 2009年超过3个亿人民币, 年均增长率保持在15%左右, 呈现一个稳步增长势头, 但与全球市场规模相比, 整体规模偏小, 而且以进口为主, 进口品牌约占了整体市场规模的65%以上。

国产设备相对低端, 在中国水声探测市场的比例为35%, 主要原因是高端水声市场研发投入过高, 国产企业产品技术水平落后, 不能满足高端水声市场的需要。

市场的保有结构方面, 全国水声探测设备市场保有资产规模约为11亿人民币, 其中, 以国产为主的单波束产品占比约为三分之一, 进口为主的多波束约占三分之二。

3 卫星导航定位行业细分产品市场竞争分析

3.1 高精度GNSS测绘产品市场层次分明, 国内企业市场销售量拥有绝对优势

中国目前GNSS产品市场格局可划分为三个梯队, 第一梯队是有着多年经验的成熟外资企业, 如天宝、徕卡、拓普康, 优质的产品和业内口碑是外资企业维持市场格局的利器, 但国内客户对性价比更高一筹的国内企业的青睐将悄然改变这种格局。第二梯队由行业领先的国内品牌, 以中海达和南方测绘为主, 在行业整体格局中起着至关重要的作用。第三梯队有上海华测、合众思壮、苏一光等国内中小品牌, 也是市场里面活跃的追随者。

在2008至2009年间, 在销售数量方面, 以中海达和南方测绘为代表的国产强势品牌, 占据了市场接近55%的份额, 两大国产品牌各平分秋色;而进口品牌所占数量份额已经不足30%, 市场占有率已经牢牢为国产品牌占据。

在销售额方面, 2008年中国高精度GNSS产品销售规模约为8亿, 2009年销售规模将超过9亿。由于进口品牌多年以来累积的国家部委单位客户, 其价格较高, 从而在销售额上体现出了相当的份量, 其销售额市场占比在50%左右, 与国产品牌平分秋色。而中海达、南方测绘两家销售额市场占比合计在40%左右, 其余的10%左右市场销售额为第三梯队品牌所分割。

3.2 G I S采集器产品边界向消费市场扩展, 或取代手持机成为高端个人导航定位终端

专业级GIS采集器在2007年以前, 一直为外资品牌天宝、徕卡、拓普康所垄断, 2008年, 中海达推出国内专业级高精度GIS数据采集器, 打破了外资品牌规定国内市场的垄断, 同时国内其他一些著名的卫星导航企业也逐步介入高专业级GIS数据采集器领域, 开始与外资品牌进行同台竞争。2009年, 专业级GIS数据采集器市场规模超过一个亿, 国产品牌中海达作为在专业级GIS数据采集器领域与外资品牌同台竞争的企业, 占到该专业市场10%以上的市场份额。

3.3 系统工程市场

目前GNSS系统工程主要由四大部分组成:即系统产品、应用软件、系统实施、系统营运。国内厂商中海达作为此领域新兴的参与者, 目前跨越了从系统产品、应用软件、系统实施三大链条环节, 具备了全面解决方案的实施能力。

GNSS系统工程在国外发展了多年, 外资企业一直试图用国外市场的经验将中国市场培育起来, 但受市场发展阶段的限制, 国内市场仍然以科研院所为主导, 企业的参与将改变这一结构, 在市场上参与竞争的企业主要有徕卡、天宝、中海达等企业。预计09年所有系统统称应用领域的销售额超过4个亿, 在目前以企业为主导参与的变形监控领域, 其销售规模约在6000万～7000万之间。

3.4 水声探测设备

水声探测设备市场按产品先分为单波束和多波束等, 国内企业的产品均为单波束, 多波束产品除少数科研院所研制的设备, 基本依靠劳雷、青岛领海、青岛海洋这些代理商。在2009年超过3个亿的水声探测设备市场中, 劳雷、青岛领海、青岛海洋等三大代理商代理的国外品牌产品, 占到这个市场绝大部分市场。在国内自有品牌方面, 中海达凭借进入先机优势、客户基础以及与国外品牌相比的性价比优势, 取得了国产水声探测市场 (测绘用) 的第一国产品牌市场的位置, 占到国产品牌水声探测设备销售额的三分之一强, 海鹰加科紧随其后。

4 行业发展趋势分析

4.1 行业发展的影响因素

(1) 良好的经济发展势头和独特的中国经济发展模式是中国GNSS产业发展的基石。

目前支撑中国经济继续保持平稳增长, 并形成独特的经济发展模式, 离不开中国经济发展的五大支点, 包括“推进有中国特色的新型工业化、信息化与工业化的融合和相互促进、推进中国有特色的城镇化、推进中国全方位的市场化进程和以全球思维推进国际化”。

未来一个时期, 在中国特有的发展模式下, 而以卫星导航定位新技术为代表的新兴产业将会出色纷呈。

(2) 《测绘资质管理规定》和《测绘资质分级标准》的修订, 进一步规定了测绘单位必须拥有的测绘仪器。

《测绘资质分级标准》中对测绘单位拥有测绘仪器的规定, 有效保证了GNSS和水声测绘产品的市场销售。测绘仪器是从事测绘生产的工具, 测绘仪器的各项指标是否符合规定将直接影响测绘成果的质量。因此, 各测绘单位在采购仪器时既要保证仪器性能, 又要保证仪器的价格和数量, 对性价比高的国内企业是一个难得的机会。

(3) 伴随产品质量的提升, 成本与性价比优势将帮助国内企业抢占国内外市场。

在品牌与产品同步升级的情况下, 国内企业的发展壮大对外资品牌市场份额的挤占将不仅表现在国内市场, 天然的成本与价格优势有利于国内企业在东南亚、非洲等地的业务拓展。中国产品较高的性价比不仅对于中国本国, 就是对俄罗斯、马来西亚这样还不太富裕的国家一样具有吸引力。随着经济形势好转, 东南亚、非洲等持续快速建设中的发展中国家经济必将为中国的GNSS测绘仪器企业提供更多的发展机遇。

(4) 伴随着国家信息化建设的推动, GNSS产业将是继通信产业、IT产业后信息化社会构架的支柱产业之一。

根据国家十一五规划, 未来15年内, 中国将大力推进国家信息化建设, 充分利用信息技术, 提高经济增长的质量和效益。

随着各主要国家, 美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS卫星系统、我国的北斗系统, 以及欧盟的伽利略系统的建立, GNSS产业有了更大的可供发挥的平台。在全球范围内, GNSS产业将成为一个全新的朝阳产业。

(5) 北斗二代卫星导航系统的规模应用和产业化发展将推动民品产业化的道路。

根据国家发改委的文件通知显示, 中国正加速以卫星通信广播、卫星导航、卫星遥感应用为核心的卫星应用产业发展, 到2020年, 完成应用卫星从试验应用型向业务服务型转变, 地面设备国产化率达80%, 使卫星应用产业产值年均增速达到25%以上, 成为高技术产业新的增长点。对于卫星导航产业的自主创新道路以及加强北斗二代系统的应用, 将会进一步推动民品产业化发展的道路。

(6) 电子信息产业结构软化, 基于内需的软件和服务产业保持较快增长。

随着中国经济的快速发展和信息化建设的推进, 中国电子信息产业和市场的竞争重心正逐步由“产品和技术”向“应用和服务”转变, 这其中有2个重要特点:其一, 电子信息产业构成逐渐从以硬件为核心向以软件和服务为主导的方向过渡;其二, 电子信息企业也日益将“应用和服务”置于战略重点地位。

4.2 行业市场发展趋势

对比发达国家的产业发展历程和我国当前的行业状况, 从更长远的角度来看行业的成长趋势, 我们可以发现, 中国的高精度GNSS产业已经进入了一个中长期的上升阶段, 而且这种成长趋势才刚刚开始, 未来极为可能持续5～10年以上的快速增长, 其增长的主要驱动因素如下。

第一, 经济进入重工业阶段后城镇化、新农村建设、海洋开发、防灾减灾、环境保护、铁路、公路基础设施投资带动内需持续增长;

第二, 国家信息化的建设, 推动GNSS卫星导航改造传统产业的驱动力进一步增强, 并成为国家信息化建设的支柱性产业;

第三, 中国北斗二代的进一步完善, 将增强自主导航卫星系统在国民经济各行各业的应用, 并促使国家大型安全系统的快速发展, 推动国产卫星导航产业的各行各业的自主化品牌的大发展;

第四, 国产品牌依托其自主创新能力建设和技术突破, 竞争力进一步提升, 替代进口品牌, 同时走向国际市场。

基于以上各项因素判断, 预计在未来五年内, 中国高精度GNSS行业将依然保持高速成长的势头, 届时会形成一个产值在70～80亿之间的大市场。其中在高精度GNSS测量型产品领域, 预计整体市场依然保持增长势头, 但增长会呈现平缓下移式的增长态势, 市场规模可达到35～40亿之间;在GIS数据采集领域, 预计整体市场年均增长将在40%以上, 市场规模将突破10亿元大关;在系统工程领域, 预计整体市场年均增长率在40%左右, 市场规模将突破20亿大关;在海洋水声探测领域, 预计整体市场平均增长率也将保持30%的增长, 市场规模将接近15亿。

有望在五年后的2014年, 整体市场规模将达到35～40亿之间。

摘要：本文以高精度卫星导航定位行业的发展为研究对象, 论文首先分析了卫星导航定位行业的发展现状和基本特点, 进而探讨了卫星导航定位应用市场的规模与发展现状, 在此基础上, 笔者详细分析了卫星导航定位行业细分产品市场的竞争态势, 探讨了整个行业发展的趋势, 全文是对我国高精度卫星导航定位行业现状与未来发展趋势的全面总结与分析, 相信对相关同行有着重要的指导作用。