衛(wèi)星導(dǎo)航通信在黃河治理中的應(yīng)用與展望

　　一、衛(wèi)星導(dǎo)航及應(yīng)用



　　衛(wèi)星導(dǎo)航的基本作用是向各類用戶和運動平臺實時提供準確、連續(xù)的位置、速度和時間信息。 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)目前已基本取代了無線電導(dǎo)航、天文測量、傳統(tǒng)大地測量技術(shù)。通常衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用市場可以分為三大方面，它們是專業(yè)市場、批量市場和安防市場。專業(yè)市場主要是指精密測量、油氣和地質(zhì)勘探、土木工程、民用建筑、精細農(nóng)業(yè)、物流管理、授時、氣象、地震，以及各種各樣的科學(xué)研究。批量市場主要是指車輛導(dǎo)航、船只導(dǎo)航、飛機導(dǎo)航、個人導(dǎo)航，移動目標監(jiān)控等。安全市場主要是指貨運、客運、緊急救援、搶險救災(zāi)、安全防范、防盜報警、應(yīng)急聯(lián)動等。目前國際上導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)主要有，美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)、歐洲伽利略系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等。



　　GPS（Global Positioning System）是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導(dǎo)航定位和時間傳遞系統(tǒng)，由地面控制站、GPS衛(wèi)星網(wǎng)和GPS接收機三部分組成。地面主控站實施對GPS衛(wèi)星的軌道控制及參數(shù)修正。GPS衛(wèi)星網(wǎng)向地面發(fā)射兩個頻率的定位導(dǎo)航信息，其中包括兩個定位碼信號：即C/A碼(民用)及P碼(美國軍用)。衛(wèi)星用2個L波段頻率發(fā)射單向測距信號，區(qū)別不同衛(wèi)星采用碼分多址。



　　GPS之所以能夠定位導(dǎo)航，是因為每臺GPS接收機無論在任何時刻、在地球上任何位置都可以同時接收到最少4顆GPS衛(wèi)星發(fā)送的空間軌道信息。接收機通過對接收到的每顆衛(wèi)星的定位信息的解算，便可確定該接收機的位置，從而提供高精度的三維(經(jīng)度、緯度、高度)定位導(dǎo)航及授時系統(tǒng)。



　　在黃河的治理開發(fā)中，GPS已經(jīng)應(yīng)用于水文測報、黃河三角洲防洪減災(zāi)、水土保持生態(tài)建設(shè)、淤地壩建設(shè)及黃河調(diào)水調(diào)沙、下游地區(qū)的洪水預(yù)報與災(zāi)情評估中。GPS定位技術(shù)在水土保持工程建設(shè)、水土流失監(jiān)測和生態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用發(fā)展很快。全國水土保持監(jiān)測方案中明確要求，在全國水土流失監(jiān)測中，尤其對地面監(jiān)測，要充分利用GPS全球定位技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集、對象屬性的實時分析。



　　“數(shù)字黃河”，就是借助全數(shù)字攝影測量、遙測、遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等現(xiàn)代手段及傳統(tǒng)手段采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對黃河流域及其相關(guān)地區(qū)的自然、經(jīng)濟、社會等要素構(gòu)建成一體化的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境，對黃河治理開發(fā)和管理的各種方案進行模擬、分析和研究，并在可視化的條件下提供決策支持，增強決策的科學(xué)性和預(yù)見性。



　　以眾多高新科學(xué)技術(shù)組成的“數(shù)字黃河”有五大技術(shù)環(huán)節(jié)：一是信息采集系統(tǒng)，利用全數(shù)字攝影測量、遙測、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等手段采集數(shù)據(jù)、圖像、聲音、視頻等基礎(chǔ)信息；二是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過微波、超短波、光纜、衛(wèi)星等快捷傳輸方式，傳輸防汛指揮、水資源管理、水質(zhì)監(jiān)測和水土流失治理等所需的基本信息；三是數(shù)據(jù)存儲及處理系統(tǒng)；四是數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)；五是決策支持系統(tǒng)。



　　在黃河水文測報工作中，黃河口濱海區(qū)淤積測驗中使用GPS后不僅提高了精度，而且極大地提高了工作效率。過去微波定位儀測量1組船臺，需3組岸臺聯(lián)合作業(yè)才能完成測驗，測量占用人員多，人工整理數(shù)據(jù)需1～2個月。采用了GPS、計算機和先進的測深設(shè)備及完善的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后，外業(yè)測驗及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理實現(xiàn)了自動化，外業(yè)測驗人員減少50%，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理時間減少70%。GPS、全站儀在水庫河道測驗中的應(yīng)用替代了傳統(tǒng)的斷面標志塔、標志桿及六分儀、測深桿等落后設(shè)施工具，使定位、測深等技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。



　　2002年7月，小浪底水庫上游首場異重流現(xiàn)象形成，水文部門投入近百名直接測驗人員，集GPS、激光測距儀、回聲測深儀等高新技術(shù)測驗儀器于小浪底，按既定方案在潛入點附近斷面至桐樹嶺斷面80公里范圍內(nèi)布置7條測船全面展開異重流測驗，圓滿完成了異重流測驗任務(wù)。2004年10月，在三門峽庫區(qū)汛后淤積斷面測驗工作中，手持GPS得到應(yīng)用，它的使用徹底解決了斷面放線問題，有力地保證了測驗精度和資料的準確性。



　　1994年開始實施的中芬合作“黃河防洪減災(zāi)系統(tǒng)”項目，用于水庫河道地形快速精確測量的GPS技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水庫庫區(qū)地形測量、河道地形測量及黃土高原水土保持監(jiān)測和配合壩垛工程水下基礎(chǔ)探測的平面定位測量，大大提高了測量的速度和精度。



　　淤地壩建設(shè)作為2003年全國水利水土保持行業(yè)“三大亮點”工程之一，也是生態(tài)環(huán)境建設(shè)和西部大開發(fā)的重要組成部分。GPS定位技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，增加科技含量，提高工程質(zhì)量，具有非常重要的作用。GPS定位技術(shù)還應(yīng)用于淤地壩工程建設(shè)的全過程，包括工程設(shè)計、工程施工放樣、竣工驗收、動態(tài)監(jiān)測、工程信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新等內(nèi)容。



　　二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)



　　2003年5月25日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心將第三顆“北斗一號”導(dǎo)航定位衛(wèi)星送上太空，標志著我國擁有了自己的第一代完善的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是第一代全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，它由兩顆工作星和一顆備份星組成。前兩顆“北斗一號”衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空。



　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有三大功能，一是快速定位：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可為服務(wù)區(qū)域內(nèi)用戶提供全天候、高精度、快速實時定位服務(wù)；二是簡短通信：北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向數(shù)字報文通信能力，可以一次傳送超過100個漢字的信息。三是精密授時：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向兩種授時功能。根據(jù)不同的精度要求,利用授時終端,完成與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時間和頻率同步,可提供數(shù)十納秒級的時間同步精度等。



　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為船舶運輸、公路交通、鐵路運輸、野外作業(yè)、水文測報、森林防火、漁業(yè)生產(chǎn)、勘察設(shè)計、環(huán)境監(jiān)測等眾多行業(yè)以及其他有特殊調(diào)度指揮要求的單位提供定位、通信和授時等綜合服務(wù)。



　　三、北斗導(dǎo)航定位和GPS定位系統(tǒng)的區(qū)別



　　北斗導(dǎo)航定位和GPS定位系統(tǒng)，首先都是導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用的定位技術(shù)不同，定位的范圍也不相同。目前，北斗還不是全球定位。北斗是雙星定位，而非三星定位�！氨倍芬惶枴毙l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的主要區(qū)別是：



　�。�1）覆蓋范圍：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋我國本土的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。覆蓋范圍東經(jīng)約70°～140°，北緯5°～55°。GPS是覆蓋全球的全天候?qū)Ш较到y(tǒng)。



　�。�2）衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設(shè)置2顆地球同步衛(wèi)星顆衛(wèi)星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設(shè)置24顆衛(wèi)星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。



　　（3）定位原理：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是主動式雙向測距二維導(dǎo)航。地面中心控制系統(tǒng)解算，供用戶三維定位數(shù)據(jù)。GPS是被動式偽碼單向測距三維導(dǎo)航。由用戶設(shè)備獨立解算自己三維定位數(shù)據(jù)。



　�。�4）定位精度：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前己由16m提高到6m，C/A碼目前己由25-100m提高到12m，授時精度日前約20ns。



　�。�5）用戶容量：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由于是主動雙向測距的詢問--應(yīng)答系統(tǒng)，系統(tǒng)的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應(yīng)頻率，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶設(shè)備容量是有限的。GPS是單向測距系統(tǒng)，用戶設(shè)備只要接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文即可進行測距定位，GPS的用戶設(shè)備容量是無限的。



　�。�6）“北斗一號”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也有一些自身的特點，其具備的短信通訊功能是GPS所不具備的。



　　綜上所述，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有衛(wèi)星數(shù)量少、投資小、用戶設(shè)備簡單價廉、能實現(xiàn)一定區(qū)域的導(dǎo)航定位、通訊等多用途，可滿足當(dāng)前我國陸、海、空運輸導(dǎo)航定位的需求。最重要的是，“北斗一號”導(dǎo)航系統(tǒng)是我國獨立自主建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。



　　四、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在“數(shù)字黃河”工程中的應(yīng)用



　　“黃河小花間暴雨洪水預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)”作為“數(shù)字黃河”的首項工程，是黃河水文由傳統(tǒng)水文邁向現(xiàn)代水文的標志性項目，它由水文測驗設(shè)施建設(shè)、水情信息采集傳輸、氣象水文預(yù)報和預(yù)警預(yù)報中心4個系統(tǒng)組成，充分應(yīng)用了“3S”先進技術(shù)。



　　根據(jù)小花間暴雨洪水預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)總體設(shè)計要求，水情信息采集傳輸采用我國自主產(chǎn)權(quán)的定位導(dǎo)航通信衛(wèi)星和GSM短信息兩種通信方式，互為備用。小花間遙測系統(tǒng)包括31處遙測站（委屬的20處水文站和11處雨量站）建設(shè)的第一期工程已于 2003年完成，2004年汛期運行結(jié)果證明了北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。



　　五、應(yīng)用展望



　　衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)是正在發(fā)展中的高新技術(shù)，北斗衛(wèi)星是我國擁有自主產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。水利部部長汪恕誠指出，到2010年，全國各大流域機構(gòu)將全面建成以“3S”技術(shù)為基礎(chǔ)、以大型數(shù)據(jù)庫為支撐的“數(shù)字化流域”，進而形成全行業(yè)的水利信息公用平臺和覆蓋全國的水利信息網(wǎng)絡(luò)。



　　利用若干顆導(dǎo)航定位衛(wèi)星組成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，綜合了傳統(tǒng)天文導(dǎo)航定位和地面無線電導(dǎo)航定位的優(yōu)點，相當(dāng)于一個設(shè)置在太空的無線電導(dǎo)航臺，可在任何時間、任何地點為用戶確定其所在的地理經(jīng)緯度和海拔高度。我國自行研制生產(chǎn)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，不僅具備了上述能力，而且在定位性能上有所創(chuàng)新。毋庸質(zhì)疑，隨著“數(shù)字黃河”工程建設(shè)的全面啟動，衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是我國自主產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)必將在水文測報、水土保持生態(tài)建設(shè)、水資源優(yōu)化調(diào)度、河道治理及下游地區(qū)的洪水預(yù)報與災(zāi)情評估中發(fā)揮越來越重要的作用。






摘自　北極星