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如何通俗地理解「北斗卫星导航系统」这一系统?它有哪些作用? 第1页

  

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如何通俗地理解「北斗卫星导航系统」这一系统?它有哪些作用?


主要分四个方面介绍北斗系统

  • 北斗是什么?
  • 北斗有什么用?
  • 中国为什么要建设北斗系统?
  • 北斗系统的基本情况以及原理。

先给出前两个比较通俗的介绍,后两个方面涉及较大,需要查阅大量资料,后续会慢慢更新。

通俗介绍北斗系统是什么

北斗卫星导航系统,正如这个词里面写的,主要作用就是导航,就是它的字面意思。

说到导航,和我们普通大众最密切相关就是高德导航/百度地图导航,此类的导航软件。手机芯片通过接收GPS/北斗的信号,可以在每秒都给出你所在的位置。

导航软件向手机获取你的位置,通过和地图匹配并生成你到达目的地的路线,这是整个导航的过程。这个过程中,我们可以看到,GPS/北斗的功能就是帮助手机实时的获取你所处的位置,而导航的这个过程实质是导航软件完成的,所以北斗系统的主要功能可以说是定位。

也许你会有疑问,没有北斗前,我只用GPS也是可以导航的,那北斗到底贡献了什么?而且一般我们开车过隧道时,导航软件都会提示GPS信号弱,但并没有提示北斗信号弱,是不是我的手机并没有用北斗系统?



针对第一个问题,使用了北斗会让你的定位更准确。只使用北斗或者只使用GPS,均能定位。但同时使用两个系统,定位能更加准确。比如你在阳台给朋友发了你家的位置,由于楼体遮挡的原因只用GPS或者北斗,定位偏了50米,朋友可能很难找到。但如果使用了GPS+北斗两个系统,定位精度可能只偏了20米,提高了定位精度,也节约了你们集合的时间。

第二个问题,GPS系统从1980年就开始建设,在我们普通大众的认知中,GPS=导航。导航软件可能为了迎合大众认知,故意突出GPS信号。其实现有的大部分手机都支持多个导航系统。现有的全球卫星导航系统,即在全球范围内都可使用的导航系统,除了GPS和北斗,还有俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)以及欧盟的伽利略(GALILEO)导航系统。除了全球的导航系统,还有区域的导航系统,比如日本的准天顶系统(QZSS)、印度的IRNSS等。全球导航系统加上区域导航系统,组成了卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)。现有的手机芯片基本均支持中国的北斗导航系统,所以开车再听到GPS信号弱时,你可以自己念叨一句,北斗信号也弱。


北斗系统可以用来做什么


  • 导航功能

对于普通大众,手机软件导航可能是我们使用北斗系统最多的应用场景,出行导航定位必不可少,已经深深的影响了我们的出行方式以及生活。除了大众熟知的导航,其实利用位置信息来扩展的应用有很多。

比如儿童手表的电子围栏,小孩子的活动范围超出父母规定的区域,立刻就会报警;危险物品运送的卡车轨迹监控,偏离指定路线立马报警;共享单车电子围栏技术,超出停车区域加收调度费;从操作系统层面禁止无人机在禁飞区飞行;导航系统的应用远远超出你我的想象。


  • 授时功能

时间在我们日常生活中至关重要,也许就差一秒没有打卡,你这一月的奖金就泡汤了,所以时间的精度要足够,至少我们得做到手机的时间和打卡器的时间要互差在秒的量级。

同样在我们日常使用的电力/网络/移动通信等很多方面,时间更要精确。以前没有手机的年代,我们都是跟着电视或者广播去校准自家的机械挂钟或者手表。网络时代,电脑或者手机通过访问网络服务器就可以快速的同步时间。那大家有没有想过服务器的时间如何维护?每天下午七点的央视报时,这个的时间又是从哪里来的?那么生活当中如此多的地方用到了时间,那时间根源在哪里,国家甚至世界是如何维护和传递时间的?

时间维护超出讨论范围,在此不讨论。而时间传递则是导航系统的强项,导航的定位原理就是通过计算导航信号传播的时间进而计算得到传播的距离,利用手机到每个卫星距离来计算得到我们所在的位置,所以精确的时间在定位过程中必不可少,同样除了使用北斗定位,还可以使用北斗来进行时间传递。

网上随意找到一个时间同步器。所以导航卫星的作用已经深入到我们生活中的方方面面,如果美国将中国上空的GPS卫星关闭,社会肯定会陷入瘫痪,但是我们有了北斗就不会受制于人,北斗是国之重器!






  • 测量测绘

中国是当之无愧的基建大国,修路造桥建房子,设计图纸完成后需要把图纸上的东西对应到实地,测绘工程是其中必不可少的一环。如何高精度的把图纸上的位置对应到现实世界,其中就有利用到卫星导航系统的一种技术,RTK技术。如图中,一个扁椭球的设备,可以实时获取到你所在的精确位置,精度在几个厘米。相较于传统的测绘技术,利用卫星导航系统的RTK技术的出现极大的提高了测绘行业的作业效率。




  • 灾情预警

导航系统加上RTK技术可以做到厘米水平的定位精度,再通过合理的数据处理策略,更是可以达到毫米量级的定位水平。我们基本都生活在丰富多彩的城市,但是对于山区,山体滑坡则预示着潜在的巨大危险。既然导航系统可以实时获取位移,自然可以用于监测山体的滑坡、监测大坝的形变,监测危楼的倾斜、监测尾矿的状态。





  • 水汽监测

与导航系统相关的另外一项技术,叫做精密单点定位技术,可以精确估计获得对流层湿延迟分量,进而可以反演出大气中的水汽含量,该技术提供高精度、高容量、快速变化的水汽信息。通俗点讲,北斗系统可以用来进行天气预报,是不是觉得北斗越来越高大上了!




  • 板块运动监测以及坐标框架维持

初中地理大家都学过,我们所处的各大板块其实都是在移动过程中,只是变化量太过微小,人类无法感知而已(废话,如果能感知的话,地球可能早玩完了)。那么板块老是运动就带来一个问题,上一个小时我们相对于地球的位置与现在是不一致的,一个小时的变化可能没有太明显,要是时间间隔是五十年呢,那这个位移可能就会达到几米的水平,也就是说可能五十年前的测量得到材料与现在差异很大,有可能不能用,这是一个很大的问题。

所以我们在规定坐标系时一定要指定是什么时刻的,只有这样如果有板卡运动的信息我们不同时间规定的坐标系才能进行转换,才能让较长时间跨度的测量结果得以衔接。




简单的介绍了几点北斗系统的应用,但是未来北斗导航系统可扩展的应用远超你我的想象,其作用也远远不是GPS的替代品。网上可能有质疑的声音,花着纳税人的钱,造着美国一直免费的GPS系统复制品,到底值不值。

希望看过此篇文章的你能略微给他们解疑答惑,为国之重器证明。北斗的相关应用,也希望相关同学在评论区进行补充。

我们为什么要建设北斗系统?国家层面

如何建设北斗系统?技术科普层面



参考

  1. 杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报, 2010, 39(1):1-6.
  2. 2011.cma.gov.cn/ztbd/20
  3. 周敏, 孔雪莲. GPS水汽监测的研究进展[J]. 科技资讯, 2008(14):8-9.
  4. eqhb.gov.cn/info/1435/1



  

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