北斗衛星導航系統是是中國自行研制開發的區域性有源三維衛星定位與通信系統（CNSS），是除美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統致力于向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務，其建設與發展則遵循開放性、自主性、兼容性、漸進性這4項原則。2011年4月10日4時47分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號甲運載火箭，成功將第八顆北斗衛星送入太空預定轉移軌道。2011年7月27日5時44分，我國在西昌衛星發射中心用“長征三號甲”運載火箭，成功將第九顆北斗衛星送入預定轉移軌道。
北斗衛星導航系統﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是 中國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。
北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成。空間端包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星。地面端包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站。用戶端由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）、歐洲“伽利略”（GALILEO）等其他衛星導航系統兼容的終端組成。
目前全世界有4套衛星導航系統：中國北斗、美國GPS、俄羅斯“格洛納斯”、歐洲“伽利略”。其中美國GPS、俄羅斯“格洛納斯”已建成投入使用。中國北斗，歐洲“伽利略”仍處于建設階段。
衛星導航系統是重要的空間基礎設施，為人類帶來了巨大的社會經濟效益。中國作為發展中國家，擁有廣闊的領土和海域，高度重視衛星導航系統的建設，努力探索和發展擁有自主知識產權的衛星導航定位系統。
2000年以來，中國已成功發射了9顆“北斗導航試驗衛星”，建成北斗導航試驗系統（第一代系統）。這個系統具備在中國及其周邊地區范圍內的定位、授時、報文和GPS廣域差分功能，并已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業、勘探、森林防火和國家安全等諸多領域逐步發揮重要作用。
我國正在建設的北斗衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務（屬于第二代系統）。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10米，授時精度為50納秒，測速精度0.2米/秒。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。
我國計劃2012年左右，“北斗”系統將覆蓋亞太地區，2020年左右覆蓋全球。我國正在實施北斗衛星導航系統建設，已成功發射九顆北斗導航衛星。根據系統建設總體規劃，2012年左右，系統將首先具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力；2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。
2000年，中國“北斗”導航系統建成運行，成為繼美國、俄羅斯之后世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。該系統已成功應用于測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和國家安全等諸多領域，經濟效益和社會效益顯著，特別是在2008年中國南方冰凍災害、汶川特大地震抗震救災和北京奧運會中發揮出非常重要的作用。
特色
北斗導航終端與GPS、歐洲的“伽利略”、俄羅斯的“格洛納斯”相比，最有特色的是它的短信功能，每條能發送120個漢字。
優勢
●和美國的GPS、俄羅斯的GLONASS相比，增加了通訊功能；
●全天候快速定位，與GPS精度相當；
●同時具備定位與通信功能，無需其他通信系統支持；
●覆蓋中國及周邊國家和地區，24小時全天候服務，無通信盲區；
●特別適合集團用戶大范圍監控與管理，以及無依托地區數據采集用戶數據傳輸應用；
●獨特的中心節點式定位處理和指揮型用戶機設計，可同時解決“我在哪？”和“你在哪？”；
●自主系統，高強度加密設計，安全、可靠、穩定，適合關鍵部門應用。
劣勢
●北斗一號系統屬于有源定位系統，系統容量有限，定位終端比較復雜。
●北斗一號系統屬于區域定位系統，目前只能為中國以及周邊地區提供定位服務。
GPS 英文全稱為Global Positioning System，中文翻譯為全球定位系統，又稱全球衛星定位系統，是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。系統由美國國防部研制和維護，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統包括太空中的24顆GPS衛星；地面上的1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。
覆蓋范圍
北斗導航系統是覆蓋中國本土的區域導航系統。覆蓋范圍東經約70°-140°，北緯5°- 55°。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統，能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到6-9顆衛星(實際上最多能觀測到11顆)。
數量和軌道
北斗導航系統是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛星，衛星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。GPS導航衛星軌道為準同步軌道，繞地球一周11小時58分。
定位原理
北斗導航系統是主動式雙向測距二維導航。地面中心控制系統解算，供用戶三維定位數據。GPS是被動式偽碼單向測距三維導航。由用戶設備獨立解算自己三維定位數據。“北斗一號”的這種工作原理帶來兩個方面的問題，一是用戶定位的同時失去了無線電隱蔽性，這在軍事上相當不利，另一方面由于設備必須包含發射機，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處于不利的地位。
定位精度
北斗導航系統三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前已由16m提高到6m，C/A碼目前已由25-100m提高到12m，授時精度目前約20ns。
用戶容量
北斗導航系統由于是主動雙向測距的詢問--應答系統，用戶設備與地球同步衛星之間不僅要接收地面中心控制系統的詢問信號，還要求用戶設備向同步衛星發射應答信號，這樣，系統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頻率。因此，北斗導航系統的用戶設備容量是有限的。GPS 是單向測距系統，用戶設備只要接收導航衛星發出的導航電文即可進行測距定位，因此GPS的用戶設備容量是無限的。
生存能力
和所有導航定位衛星系統一樣，“北斗一號”基于中心控制系統和衛星的工作，但是“北斗一號”對中心控制系統的依賴性明顯要大很多，因為定位解算在那里而不是由用戶設備完成的。為了彌補這種系統易損性，GPS正在發展星際橫向數據鏈技術，即使主控站被毀GPS衛星也可以獨立運行。而“北斗一號” 系統從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統受損，系統就不能繼續工作了。
實時性
“北斗一號”用戶的定位申請要送回中心控制系統，中心控制系統解算出用戶的三維位置數據之后再發回用戶，其間要經過地球靜止衛星走一個來回，再加上衛星轉發，中心控制系統的處理，時間延遲就更長了，因此對于高速運動體，就加大了定位的誤差。此外，“北斗一號”衛星導航系統也有一些自身的特點，其具備的短信通訊功能就是GPS所不具備的。
未來發展
較之目前仍在運行的“北斗一號”，“北斗二號”在諸多方面具有優勢，包括可以有效避免遭受電磁干擾和攻擊，實現無源定位，在精確度方面大大提高，“北斗一號”精確度在10米之內，而“北斗二號”可以精確到“厘米”之內。
隨著北斗2號的發射成功，中國自主研制的北斗衛星導航系統從2009年起進入了組網高峰期，預計在2020年左右形成覆蓋全球的衛星導航定位系統。2009年將有多顆衛星發射升空，3年內完成系統組網，并具備基本的運行能力。在此基礎上將逐步發展到為全球服務。
正在建設的北斗衛星導航系統空間段將由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，提供即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10米，軍事定位達到厘米級，授時精度為50納秒，測速精度為0.2米/秒。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。隨著“北斗一號”衛星導航定位系統的推廣應用和中國正在著力研究開發的下一代衛星導航定位系統（CNSS）。
中國將本著開放、獨立、兼容、漸進的原則，發展自主的全球衛星導航系統，其“三步走”發展路線圖為：第一步，從2000年到2003年，我國建成由3顆衛星組成的北斗衛星導航試驗系統，成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。第二步，建設北斗衛星導航系統，于2012年前形成我國及周邊地區的覆蓋能力。第三步，于2020年左右，北斗衛星導航系統將形成全球覆蓋能力。
北斗衛星導航系統將是一個由30余顆衛星、地面段和各類用戶終端構成的大型航天系統，技術復雜、規模龐大，其建設應用將實現我國航天從單星研制向組批生產、從保單星成功向組網成功、從以衛星為核心向以系統為核心、從面向行業用戶向大眾用戶的歷史性轉型，開啟我國航天事業的新征程，并將對維護我國國家安全、推動經濟社會科技文化全面發展提供重要保障。
北斗一號
“北斗一號”衛星定位系統由兩顆地球靜止衛星(800e和1400e)、一顆在軌備份衛星(110.50e)、中心控制系統、標校系統和各類用戶機等部分組成。
系統的工作過程是：
首先由中心控制系統向衛星i和衛星ii同時發送詢問信號，經衛星轉發器向服務區內的用戶廣播。用戶響應其中一顆衛星的詢問信號，并同時向兩顆衛星發送響應信號，經衛星轉發回中心控制系統。中心控制系統接收并解調用戶發來的信號，然后根據用戶的申請服務內容進行相應的數據處理。對定位申請，中心控制系統測出兩個時間延遲：即從中心控制系統發出詢問信號，經某一顆衛星轉發到達用戶，用戶發出定位響應信號，經同一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲；和從中心控制發出詢問信號，經上述同一衛星到達用戶，用戶發出響應信號，經另一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲。由于中心控制系統和兩顆衛星的位置均是已知的，因此由上面兩個延遲量可以算出用戶到第一顆衛星的距離，以及用戶到兩顆衛星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛星為球心的一個球面，和以兩顆衛星為焦點的橢球面之間的交線上。另外中心控制系統從存儲在計算機內的數字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶出于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經加密由出站信號發送給用戶。
“北斗一號”的覆蓋范圍是北緯5°一55°，東經70°一140°之間的心臟地區，上大下小，最寬處在北緯35°左右。其定位精度為水平精度100米(1σ)，設立標校站之后為20米(類似差分狀態)。工作頻率：2491.75mhz。系統能容納的用戶數為每小時540000戶。
北斗一號的應用：
“北斗一號”衛星導航系統在2008年的汶川地震抗震救災中發揮了重要作用，救災部隊攜帶的“北斗一號”終端機不斷從前線發回各類災情報告，為指揮部指揮抗震救災提供了重要的信 息支援。
地震中的北斗衛星導航定位系統
中國衛星導航應用管理中心負責人介紹說，地震發生后，中心為救援部隊緊急配備了1000多臺“北斗一號”終端機，實現了各點位之間、點位與北京之間的直線聯絡。在災區通信沒有完全修復，信息傳送不暢的情況下，各救援部隊利用“北斗一號”及時準確地將各種信息發回。[1][2]
2008年5月17日報道，成都軍區某部通過“北斗一號”發回信息：北川縣茶坪余震不斷，海子(湖泊在當地的稱呼)水位迅速上升，隨時可能發生重大洪災。災民已棄家轉移高處，46名重傷員急需救助。新華社2008年5月16日也曾報道，救援部隊攜帶的“北斗一號”終端機，15日繼續傳回汶川地震災區的最新災情和救援情況，大部分救援部隊已經到達指定位置，在災區各鄉鎮展開全面搜救。從這兩則報道可以看出，在當地通信設施嚴重受損的情況下，我國自主研制的“北斗一號”系統能發揮重要作用，救災指揮部可以通過“北斗一號”系統，精確判定各路救災部隊的位置，以便根據災情及時下達新的救援任務。[1]
曹沖研究員介紹說，我國的“北斗二號”全球衛星導航定位系統是建立在“北斗一號”區域衛星導航系統基礎上的。中國先后在2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月25日發射了3顆“北斗”靜止軌道試驗導航衛星，組成了“北斗”區域衛星導航系統。該系統具備在中國及其周邊地區范圍內的定位、授時、報文和GPS功能。但由于該系統用戶無法保持無線電靜默，也無法在高速移動的平臺上使用，“北斗一號”系統不能用于軍事用途。
中國的“北斗一號”系統，與美國和俄羅斯的全球導航衛星尚有較大的差距。“北斗一號”定位系統只能覆蓋中國和周邊一些國家和地區，是區域性而不是全球性的，它只是在亞太地區。美國和俄羅斯的導航衛星則是全球性的。
“所以，這次執行索馬里護航任務的中國海軍不可能使用‘北斗一號’衛星定位系統。”曹沖研究員說。
另外，“北斗一號”系統是在地球同步軌道上運行，也就是說在離地球3.6萬公里的高度上運行。而美國和俄羅斯的導航衛星則是在幾百公里到上千公里的低軌道運行。
“北斗一號”系統在導航方式上也與美俄的全球定位衛星有一定的差距。“北斗一號”屬于主動式的。就是說，“北斗一號”是用戶先發射需要定位的信號，通過衛星轉發至地面控制中心，地面控制中心解算出位置后再通過衛星轉發給用戶；而GPS和“格洛納斯”系統只需要接收4個衛星的位置信息，由自己解算出三維坐標。這是由于“北斗一號”本身是兩維導航系統，僅靠兩顆星的觀測量尚不能定位，觀測量的取得及定位解算均需在地面中心站進行。
曹沖研究員說，即使“北斗一號”系統存在許多缺點，但在去年發生的汶川地震中也大顯身手。當時通訊中斷的情況下，攜帶“北斗一號”系統接收機的救援部隊，還是按指定時間到達了災區。
另外，“北斗一號”還可以提供用戶的雙向通訊功能，用戶與用戶、用戶與中心控制系統間均可實現雙向簡短數字報文通信。通過“北斗”系統，用戶一次最多可以傳輸120個字符。“汶川地震發生以后的幾天內，‘北斗’系統是災區和外界聯系的唯一途徑。”曹沖研究員說。
針對“北斗一號”系統的眾多缺點，一些西方防務專家認為，中國的“北斗一號”系統的功能還是有限的，它的地域有限，而且它的速度較慢，因為需要導航的車輛或飛機首先發出一個信號才能接收到自己位置的信號。還有，在軍事用途上，“北斗一號”系統比較危險，因為一個軍事單位或是一件武器要想確切知道自己的位置，首先要向北斗衛星發信號。而一發信號，就容易被對方判斷出自己的位置，因而暴露了自己。
曹沖研究員說，中國即將建立的“北斗二號”全球衛星定位系統無論是導航方式，還是覆蓋范圍上都和美國的GPS非常類似，而且有著GPS和“格洛納斯”系統無法比擬的獨特優勢。“北斗二號”系統主要有三大功能：快速定位，為服務區域內的用戶提供全天候、實時定位服務，定位精度與GPS民用定位精度相當；短報文通信，一次可傳送多達120個漢字的信息；精密授時，精度達20納秒。
在中國市場上，目前全球衛星定位系統的民用最集中體現在車載導航儀器上，GPS車載導航儀器占據了很大的市場。一臺普通GPS車載導航儀器甚至買到800元。在費用方面，為了競爭，GPS提供免費服務。
那么，在國產的GPS——“北斗二號”投入使用后，會不會取代GPS呢？曹沖研究員的答案是否定的。“‘北斗二號’和GPS以后將形成競爭，對于普通消費者來說是一個好消息，另外，中國的‘北斗二號’車載導航儀將兼容GPS，這樣，使用者將非常方便。”曹沖研究員說。
北斗二號具備全球導航能力）
2004年8月31日，中國擁有自主知識產權的“北斗二號”衛星導航系統立項，將于2008年前后建成。“北斗二號”衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成。“北斗二號”衛星導航系統將克服“北斗一號”系統存在的缺點，同時具備通信功能，其建設目標是為中國及周邊地區的我軍民用戶提供陸、海、空導航定位服務，促進衛星定位、導航、授時服務功能的應用，為航天用戶提供定位和軌道測定手段，滿足武器制導的需要，滿足導航定位信息交換的需要。
2007年4月14日，我國成功發射了第二代第1顆北斗導航衛星。2009年4月15日，又成功將第2顆北斗導航衛星送入預定軌道。中國衛星導航工程中心負責人介紹，這次發射的北斗導航衛星(COMPASS－G2)，是中國北斗衛星導航系統建設計劃中的前二顆組網衛星，是地球同步靜止軌道衛星。這兩顆衛星的成功發射，對于北斗衛星導航系統建設具有十分重要的意義。目前“北斗二號”衛星組網首批實用衛星發射已進入倒計時階段，在今年和明年兩年我們要發射10顆左右的導航衛星，計劃2015年建成一個由三十幾顆衛星組成的全球導航定位系統。目前我國的各種導航定位設備都要靠美國的GPS系統提供服務，“北斗二號”系統建成后，將使我國在衛星應用方面擺脫對國外衛星導航系統的依賴，并且中國導航衛星也從此開始具備全球導航定位能力。
“北斗二號”導航定位系統是通過測量衛星至用戶的信號傳播延遲，利用測距原理實現導航定位。通過3顆衛星測距，得到用戶至衛星的距離，確定兩維位置；再通過增加第4顆衛星的測量，可以計算三維位置和時間。該系統的空間段由分布在不同軌道多顆衛星組成，它們構成導航星座。該系統采用的衛星是一種全新的衛星，采用了很多新技術。自首顆衛星發射成功以來，就開始了在軌測試和新技術試驗驗證等工作。通過首顆二代導航衛星的發射、在軌測試和在軌試驗，驗證了衛星各種新技術，有力推進了導航衛星系統的建設。
“北斗二號”是我國開發的獨立的全球衛星地位系統，不是“北斗一號”功能的簡單延伸，更類似于GPS全球定位系統和伽利略系統。第二代北斗導航定位衛星飛行在高度為21500千米的中圓軌道運行，這兩顆不再以“試驗”冠名的北斗導航衛星順利升空，標志著中國自行研制的北斗衛星導航系統進入新的實際應用發展建設階段。我國將在未來幾年里陸續發射系列北斗導航衛星，計劃2009年左右滿足中國及周邊地區用戶對衛星導航系統的需求，2011年前滿足亞洲地區的導航服務，并進行系統組網和試驗，逐步擴展為全球衛星導航系統。這個系統將主要用于國家經濟建設，為交通運輸、氣象、石油、海洋、森林、通信、公安等部門以及其他特殊行業提供高效的導航定位服務。
正在建設的“北斗二號”衛星導航系統空間段將由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，它們是無源導航衛星，不同于第一代的有源導航，這可以為需要導航的用戶帶來極大的安全。該衛星提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10米，授時精度為50納秒，測速精度為0.2米/秒。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務。
目前我國衛星導航定位的應用范圍和行業不斷擴展，全國衛星導航應用市場規模以每兩年翻一番的速度快速增長。近年來，我國衛星導航定位業務發展很快，“北斗”衛星導航系統的用戶已突破30萬戶，直接產值達35億元，占中國導航定位產業的20%左右，由它帶動的相關產業將達數百億元。我國正出臺政策加快“北斗二號”衛星導航系統的建設，制定“北斗二號”衛星導航系統民用應用政策，促進“北斗二號”衛星導航系統的產業化應用，鼓勵其他行業和領域采用“北斗”衛星導航兼容其他衛星導航系統的服務體制。目前我國及周邊國家主要依靠美國的GPS系統來進行導航定位服務，而隨著中國“北斗二號”系統的建成，將使我國在衛星應用方面擺脫對國外衛星導航系統的依賴，也將逐步擁有大批的海外固定應用客戶，并帶動一大批國內高技術產業，形成新的經濟增長點，甚至直接拉動我國航太技術的進步。 [2
物聯網與北斗二號的結合應用之探討
1物聯網和北斗二號衛星導航定位系統簡介
1.1物聯網的簡介
物聯網的英文名是Internet of Things（IOT），也稱為Web of Things，是指通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。
物聯網于1995年在比爾蓋茨的書《未來之路》中提出，2005年國際電信聯盟（ITU）發布《ITU互聯網報告2005：物聯網》指出，無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行交換。2009年，IBM首席執行官彭明盛首次提出“智慧地球”這一概念，建議新政府投資新一代的智慧型基礎設施。當年，美國將新能源和物聯網列為振興經濟的兩大重點。2009年8月溫家寶總理在視察中科院無錫物聯網產業研究所時，對于物聯網應用也提出了一些看法和要求。自溫總理提出“感知中國”以來,物聯網被正式列為國家五大新興戰略性產業之一，寫入“政府工作報告”，物聯網在中國受到了全社會極大的關注，其受關注程度是在美國、歐盟、以及其他各國不可比擬的。
目前，國內外對物聯網的研究非常火熱，因為它是下一個萬億級別的超大產業，正值國內北斗二號的研究熱，關于北斗二號的發展路子可以借鑒美國GPS的成功經驗，在應用上面大膽創新與開發。雖然在物聯網的定義中出現了“全球定位系統”，但是國內外關于這方面的研究甚少，我國可以開此先河，認真研究北斗二號與物聯網的結合應用。
1.2北斗二號衛星導航定位系統的簡介
眾所周知，上世紀70年代美國最先嘗試用衛星實現地球表面的導航與定位，即全球衛星定位系統(Globle Positioning System)，其能提供定位、導航和授時等服務。GPS由三部分組成:廣播信號的衛星組成的空間部分、控制整個系統運行的控制部分以及各類 GPS 接收機組成的用戶部分，見圖1。
圖1 GPS的組成部分
GPS 定位的基礎就是測距，即通過測量時差獲得衛星和接收機之間的偽距，再通過“三球交匯”確定目標位置，見圖2。
圖2 “三球交匯”原理
為打破美國GPS的壟斷地位，歐盟已啟動“伽利略”衛星定位系統的建設，俄羅斯也已開始部署自己的“格洛納斯” 衛星定位系統，它們的定位原理與GPS大同小異。而北斗衛星導航系統是中國自主研制的衛星導航系統。按照北斗整體發展規劃的“三步走”戰略，目前已建成“北斗一號”并投入使用。“北斗一號”同樣采用三球交會的基本原理，但與GPS有所差別。相比于GPS，“北斗一號”特有短報文通信功能，定位與通信合一，可方便實現信息互通、指揮自動化、位置報告等，在2008年汶川大地震救援中“北斗一號”的定位與通信功能就顯示出了很重要的作用。
受技術體制與規模限制，“北斗一號”系統有其局限性。目前我國正在建設“北斗二號”全球系統。其建設目標是“2020年，建成全球衛星導航系統（簡稱北斗二號系統二期工程），性能達到同時期國際先進水平”。“北斗二號”的定位原理和GPS、GLONASS、Galileo大體相同，用戶終端無須發射信號，僅需要同時接收四顆以上的衛星信號，即可解算出自身的位置。與此同時，“北斗二號”還保留并加強了北斗一號的短報文通信功能，這也是北斗二號不同于GPS、GLONASS、Galileo的一大特色。“北斗二號”衛星導航系統的定位精度為米級，授時精度為50納秒，測速精度為0.1米/秒。按照建設規劃，2012年左右，北斗衛星導航系統將首先提供覆蓋亞太地區的導航、授時和短報文通信服務能力。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。“北斗二號”系統的建成將使我國在衛星導航定位應用方面擺脫對國外衛星導航系統的依賴。
2物聯網和北斗二號衛星導航定位系統的原理及關鍵技術
2.1物聯網的構架
一般認為物聯網由三層構成：感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網獲識別物體，采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。傳輸層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用，如圖3。
圖3 物聯網的基本構架
2.2與北斗二號結合的物聯網
在實現物與物、物與人、人與人的互聯過程中，位置信息是很重要的一個方面。建成后的北斗二號系統在物聯網中能為物和人提供很好的定位服務，如圖4。
圖4 基于北斗二號的物聯網構架（“ ”表示信息的傳遞方向）
兩外，從上圖可以清晰地看到人要獲得物的各種屬性比從傳統的物聯網獲得途徑多了一條途徑即通過北斗二號獲得物的屬性，這就使不方便上網的情況下可以對物實時監控。例如部隊在野外實行戰斗任務不知道敵方的情況時，可利用攜有北斗二號接收機的傳感小機器人上前探測，將探測的信息發給北斗二號，北斗二號再將這些信息以及它的位置信號發給人，這就能夠更好地探測前方的虛實了。
2.3相關關鍵技術
2.3.1物的身份識別
這也是物聯網遇到的首要問題，當前我國目前僅有2．3億個IPV4地址，顯然無法滿足IP地址高速增長的需求。更為嚴重是，截至目前全世界約45億個IP地址僅剩下6％，碼址資源正面臨枯竭。中國的情況更為嚴重，美國獲得了67％的IPV4的地址，每個人有9個IP地址，中國每個人只有0．06個地址。另外，要使北斗二號識別如此眾多的物體，給每一個物體編址也是亟待解決的問題。對于物聯網來說，可以使用IPV6，以期將IP地址總量由2的32次方，躍升至2的128次方，開啟一個“取之不盡”的網絡地址庫。
2.3.2數據融合與信息存儲
物聯網中信息種類、數量都成倍增加，其需要分析的數據量成級數增加，同時還涉及到多個系統之間各種信息數據的融合問題，如何從海量數據中挖掘隱藏信息等問題，云計算是當前能夠看到的解決辦法之一。面對如此眾多的信息量，BD-2的信號接收能力甚至顯得“單薄” ，所以采用何種壓縮編碼和信息存儲也是當前亟待解決的關鍵技術。
2.3.3如何減小定位誤差
北斗二號的設計精度為米級，對于更高精度的定位需求應如何實現？為實現更高精度的定位可采用差分技術。建設在精確已知位置處的差分參考站，參考站產生定位差分無線電信號（即在參考位置上產生定位的修正量，再通過無線鏈路將修正量廣播給待定位的接收機），實際待定位的北斗二號接收機接收這些差分信號后即可用此對已定位的結果進行修正（如圖5）。采用差分定位時準確度受距離參考站的距離影響，越遠效果越差。
圖5 利用差分技術減少北斗二號定位誤差
2.3.4接收機的性能指標的提高
接收機的跟蹤通道數、接收跟蹤信號的種類、測量定位精度、時間同步精度、位置數據更新率、首次定位時間、接收靈敏度等指標在現有的基礎上要有所提高，同時應注重接收機的小型化、低功耗化。
3物聯網與北斗二號的結合應用舉例
3.1貴重物品保管及防盜
將某些貴重物品連入物聯網，能實時地獲得關于其的各種信息，同時輔以北斗定位功能，能實時知道其準確位置，這對了解物品的保存狀況以及在物品不慎丟失后將其追回提供便利。不時有歐洲某某名畫被竊事件發生，國內亦有重要涉密筆記本丟失的情況，如能對此類貴重物品采取以下描述的技術措施，將有可能挽回損失（以筆記本電腦為例）：
在筆記本生產時嵌入高清攝像頭、指紋提取器、微型北斗二號接收機。當筆記本被不正常開機或者拆卸（即被未授權用戶操縱）時，筆記本自動開啟攝像頭和指紋提取器，將未授權者的影像（一般是頭部像）記錄下來并存儲，在未授權者觸摸筆記本某些部位時指紋提取器自動提取其指紋信息并存儲（這里指的某些部位即一般操作筆記本時必須用手接觸的部位如鍵盤、觸控板等，在這些部位安裝有指紋提取器）。同時，北斗二號接收機接收衛星信號，解算出該筆記本的準確定位信息。存儲的未授權者的影像、指紋和筆記本的定位信息（甚至筆記本中資料被竊取等記錄——如果安裝了相關的保密軟件的話）通過移動通信網或者通過北斗衛星傳送給控制中心，控制中心即可獲得追中此丟失筆記本的重要線索（如圖6）。當然為完成此項工作，需將嵌入的高清攝像頭指紋提取器、微型北斗二號接收機等設備置于隱蔽狀態，并且其供電系統與筆記本開機的供電系統分離，以保證在筆記本未開機時仍能完成以上任務。在控制中心獲得關于丟失筆記本的相關信息后，可發送控制命令給北斗二號接收機，從而控制該筆記本采取自我保護措施——或者將攜帶的重要、涉密信息自我銷毀，或者使竊取者無法施竊。
圖6 筆記本電腦的物聯與定位追中
3.2環境監測
目前，生態環境問題已成為我國國民經濟發展的重要問題，也是關系到人民群眾生活健康幸福的重大問題。我國部分地區生態環境的惡化已引起有關部門的重視，但具體對環境的監測、治理、管理的力度還欠缺。在物聯網的發展進程中，可將某一地區的環境狀況納入物聯網，并利用北斗二號定位系統對具有相應環境指標的地點進行精確定位，從而可實現對此地區環境狀況的全面了解，且方便快捷，替代傳統的人力在采樣地點進行數據采集的落后狀況。下面以洞庭湖水質監測為例：
自上世紀中葉以來洞庭湖的湖面面積急劇萎縮，水質也明顯變差，對其監管刻不容緩。若要對其水質進行全面監測，可用直升飛機向水面均勻播撒一些傳感器，這些傳感器同時也是北斗二號接收機（覆蓋力求均勻）。傳感器首先應是對水體無污染的。傳感器可測量水中某些作為衡量水質好壞的物質的濃度、水生動植物的密度（甚至是水下動植物圖像）、水深、水流速等。同時作為北斗二號接收機能接受北斗衛星信號，解算出此傳感器的準確位置。將傳感器檢測到的水質指標和傳感器位置通過北斗衛星發送給控制中心，控制中心即獲得湖面各個不同位置的定位信息和水質指標數據。控制中心可據此數據得到洞庭湖的整體水質情況。此種方案免去了大量的人力物力，但若要做到降低成本，應降低每個傳感器的成本，同時可考慮傳感器的重復利用——這需要考慮傳感器的壽命問題。另外，傳感器中的北斗二號接收機盡量貼近水面，以便能準確接收衛星信號，減少定位誤差。
3.3智能交通管理
目前已經將GPS等導航定位系統應用于智能交通，但針對目前城市交通擁擠、交通事故頻發、醉酒駕車等現象，相關部門的監管顯得力不從心。我們設想利用物聯網和北斗二號系統讓現代交通變得更智能，更透明：車輛上安裝北斗二號接收機用于對車輛進行精確定位，同時車內裝有采集車廂溫度、濕度等信息的傳感器，采集載重信息的傳感器，甚至在駕駛座處裝有酒精濃度監測傳感器——將這些信息采集后通過移動通信網傳送給交通控制中心，控制中心即可獲得任意車輛的位置、車內環境、是否超載、駕駛員是否醉酒駕車等信息，并可在必要時刻發送消息對駕駛員進行提醒和對行車狀態進行控制。另外在城區重要交通路段，對每一車輛的位置信息獲得后，可對其行車路線進行引導，這有助于疏導交通擁擠。
3.4無人駕駛
只需向汽車發出一個指令，就可以直接被送到目的地，駕駛員完全不需緊張的手握方向盤，甚至可以悠閑的上網、看報和聊天。車上裝有攝像頭、雷達傳感器和激光探測器等先進的儀器，通過它們來感知公路的限速和路旁交通標志，以及周圍的車子移動情況，如果要出發的話只需借助北斗二號來導航即可，人還可以遠程通過物聯網監控。
無人駕駛技術是一項非常重要的技術，可應用于智能的交通、月球無人駕駛小車探測等。
3.5物流查找
目前，網上購物越來越多，而且呈飛速發展趨勢，這也極大地促進了現代物流（如圖7）的發展。越來越多的物品流動，也造成了一定程度上的混亂，這給顧客也帶來了很多憂慮。北斗二號導航技術與物聯網結合使用可以很好地解決這個隱患。每個包裹上都有一個唯一的電子標簽，并有小型北斗二號接收機（可以做成低功率芯片），當顧客想要知道包裹的地址時，可以利用北斗二號發射定位信號給小型北斗二號接收機，然后將信息傳給RFID站（例如高速公路上的收費站可作為RFID站），RFID站連接物聯網，于是顧客就可以在Internet上查到最新物流情況。
圖7 現代物流
3.6智能災害防控
建設地震、海嘯等地質災害監測系統，對地質災害進行早期監測、預警和有效應急處理。一旦發生了地震、海嘯等地質災害，在地面的通信系統失效或者通信系統沒有覆蓋的地方，北斗二號既可以給檢測站提供定位信息，又可以通過接受傳感器信息實時檢測該區域的災害情況。
北斗系統在應急救援系統中的應用
摘要
本文主要介紹了北斗系統相對于GPS系統在我國應用中的區別和優勢、北斗系統的工作方式。通過應用案例進一步驗證北斗系統在應急救援系統中的應用和發展前景。
關鍵詞：GPS 北斗系統 應急減災
1、 引言
全球定位系統（Global Positioning System－GPS）是當前世界上最先進的導航系統。從1994年GPS系統投入全運營至今，GPS已廣泛用于民航、艦船、車輛的導航定位；公安、銀行、醫療、消防等部門的監控、報警、救援系統；企業物流管理等系統。
衛星導航技術是國家綜合國力的重要組成部分，美國、俄羅斯、歐盟都不惜投入巨資建設衛星導航系統。2003年我國的雙星定位系統——“北斗一號”衛星導航系統投入全運營，標志著我國成為繼美國、俄羅斯之后第三個擁有衛星導航系統的國家。在今后五年甚至更長時間內，北斗定位系統將是我國唯一可應用于軍事目的的衛星導航系統，因此基于對北斗定位系統的應用技術研究對于我軍提高武器效能，加快數字化、信息化建設，增強戰斗力具有不可估量的重要意義。隨著北斗定位系統向民間用戶的逐步開放，它對我國國民經濟的建設也將會產生巨大的推動作用。
2、 北斗系統簡介
20世紀70年代末，美國科學家G.K.Oneill提出了利用地球靜止軌道衛星進行定位的設想。80年代初，我國科學家陳芳允院士建議研制中國自己的地球靜止軌道衛星導航系統，并稱之為“雙星定位系統”。1989年9月我國首次完成了雙星快速定位通訊演示實驗。2000年10月和12月我國發射兩顆“北斗一號”導航衛星，分別定點于東經80°和140°的地球靜止軌道上。2003年5月第三顆“北斗一號”導航衛星發射成功，定點于東經110.5°赤道上空，作為系統備用衛星。至此“北斗一號”全面建設成功，并投入全運營。“北斗一號”衛星導航定位系統是我國自行研制的區域性有源衛星導航定位通信系統。該系統可以對我國領土、領海及周邊地區的各種用戶進行定位及授時，并可以實現各用戶之間、用戶與中心控制站之間的簡短報文通信。
“北斗一號”衛星導航定位系統由空間部分、地面控制管理部分及用戶終端三大部分組成。空間部分由三顆地球同步衛星（其中一顆為備份星）組成（圖1）；地面控制部分由一個中心控制站及若干個標校站組成。中心控制站位于北京，是整個系統的管理控制處理中心，同時與兩顆工作衛星進行雙向通信，完成對每個用戶的精確定位，并將定位信息以短信的方式通過衛星直接發送給用戶。標校站分布于全國各地，每個標校站均設置于位置精確已知的固定點上，用于對整個工作鏈路中各環節的時延特性（如大氣傳播延遲）進行監測和標校處理；各種類型的用戶機是整個系統的用戶終端，可用于陸地、海洋和空中的各種用戶，滿足用戶對定位（導航）、授時及通信方面的需求。整個系統的工作原理示意圖如圖2所示。
定位主要是通過偽碼測距的方式，測出用戶到每顆衛星的距離，并利用用戶自身提供的測高數據（用戶至地面的高程）及中心控制站的地面高程數據庫中的數據，經計算后得到用戶的經度、緯度、高度三維位置信息。
通信的數據主要為漢字和代碼兩種形式的短消息。通過衛星的轉發和中心控制站的交換處理，用戶與用戶、用戶和中心站之間，可實現雙向報文通信。
中心控制站通過出站信號以幀時標形式將“北斗一號”系統標準時發往用戶，用戶在收到標準時和信號傳輸時延后，可獲取高精度的時間信息，實現精密授時功能。在特定情況下用戶機還可以發送雙向定時申請信息給中心站，中心站處理之后可將更高精度的定時信息發往申請用戶，實現雙向精密授時功能。
與全球定位系統（GPS）相比，雙星定位系統增加了通信功能，具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數字報文通信能力，一次可以傳送多達120個漢字的信息。“北斗一號”系統由我國自主開發，具有安全、可靠、穩定、保密性強等優點，是我國在戰時唯一可以為我所用的衛星導航系統。
3、 北斗系統在應急救援系統中的應用案例
案例1 北斗系統在雨量監測速報系統方面的應用
雨量檢測速報系統采用我公司的數據轉發型用戶機進行組網。該系統憑借其自主性和無通訊盲區的優勢，突破陜南多山地域水文測報信息的傳輸瓶頸，實現了漢中、安康、商洛三地市用戶所需的水文水情信息的實時傳輸，從而大大提高陜南地區的雨情、水情、旱情和災情信息采集的準確性及傳輸的時效性，并對其發展趨勢做出及時、準確的預測和預報，為制定防洪抗旱調度方案提供重要的科學依據，對陜南水利的發展將起到積極的推動作用。
該系統與目前大多數雨情、水情監測速報系統采用的通信方式不同，系統首次正式采用了我國自行研發的北斗一號衛星作為它的通信系統，由于通過衛星轉發，數據可同時發送至縣雨情處理中心、市防汛辦與市水文局的市雨情接收處理中心、省防汛指揮中心，因而從根本上改變了雨情必須逐級上報的狀況，這種“一發四收”的工作方式將過去的“串行”通信改為“并行”通信，大大提高了傳輸的可靠性及上報的速度，這在“雨情就是災情”，“時間就是生命”的防汛抗災階段，更有重要的意義。
案例2 北斗系統在武警救援監控平臺方面的應用
2006年在武警總隊監控系統平臺建設中主要采用我公司BD-DTX01型北斗多功能通信終端進行組網。設備實現的功能分為單機功能和組網功能兩大部分。單機功能是指設備在單獨使用時所能完成的功能，包括接收北斗/GPS位置信息，具備獲取本機位置能力；短信通信功能實現點對點加密通信、文件自動組包和拆包以實現文件收發功能。組網服務功能是指本設備與其他電子設備連接為電子化指揮系統提供服務的功能。當本設備與電子化設備連接時，這些設備可以通過指定的命令訪問本設備，獲得定位、通信信息。該系統所具有的特點為：使用監控軟件對所有信息以文件形式存儲，可選擇合適文件進行發送，文件擴展名任意，最大文件傳輸為400K；以及短信群發功能。
案例3 北斗系統在城市應急指揮體系方面的應用
2007年在洛陽應急指揮系統平臺建設中衛星定位子系統采用我公司BD-JZ指揮型用戶機進行組網。人防指揮大樓指揮中心衛星定位子系統主要由北斗一號指揮機和其控制計算機組成。
指揮機可下屬100個下屬用戶，在一期設計中人防大樓衛星定位子系統下轄了十臺車載型用戶機和十臺手持型用戶機。車載型用戶機安裝于大型移動平臺和小型移動平臺上，手持型用戶機配備給機動人員使用。指揮機可分別將受控車輛和人員位置信息（經緯度坐標或平面坐標）傳遞給指揮機的控制計算機所帶的GIS系統和大屏幕的GIS系統。GIS系統具有自動漫游、自動跟蹤或查詢移動目標的運行軌跡、方向、速度、時間等重要參數功能，可動態標記并區分移動目標，并將相關信息顯示在控制計算機的屏幕中，實時掌握系統內各用戶行動的動態情況。監控中心能廣泛、直觀地了解整個救災人員、車輛、物資的情況；指揮站可對下屬人員、車輛進行調度和下達命令，從而對整個系統進行有效地監控、指揮、服務。
本系統所具備的主要功能有：1、指揮中心具備檢測其下屬用戶定位點的功能；2、指揮中心具備對其下屬用戶通播信息的功能；3、指揮中心具備監測下屬用戶之間通信信息的功能；4、指揮中心具備對其下屬用戶進行點對點通信的功能；5、指揮中心具備自動接收下屬用戶回執的功能；6、指揮中心具備和普通手機短信互通的功能；7、指揮中心具備顯示北斗時間的功能和授時功能。
