北斗卫星导航系统在地质调查领域应用综述.pdf

第 1 8卷第 3期 2 0 1 2年 9月 地 质 力 学 学 报 J OURNAL OF GEOMECHANI CS Vo L 1 8 No 3 S e p 2 0 1 2 文章编号 ：1 0 0 6 - 6 6 1 6 ( 2 0 1 2 )0 3 - 0 2 1 3 1 1 北斗卫星导航系统在地质调查领域应用综述 温 静 ，汪大明，孟月碉，方洪宾 ( 中国国土资源航空物探遥感 中心 ，北京 1 0 0 0 8 3 ) 摘 要 -北斗卫星导航 系统由中国自行研制 ，拥有完全 自主知识产权，具有快速定 位、双 向通信和精 密授 时三大功能。介绍了北斗卫星导航系统的特点、功能及其在 数据采集与监测、监控与指挥调度 等方面的典型应用，总结了北斗卫星系统在野外 地质调查与安全保障、地质灾害实时监测、抗震救灾与应急指挥中的应用，重点介 绍 了基 于北斗卫星的野外地质调查服务与管理系统、滑坡实时监测系统、青藏高原 地应力实时监测系统、抗震救灾应急指挥 系统的组成及功能，并分析 了北斗卫星导 航 系统在地质领域 的应用优势。 关键词 ：北斗卫星导航系统 ；地质调查；安全保障；地质灾害监测 中图分 类号 ：V 4 7 4 2 ；P 6 2 7 文献标 识码 ：A 北斗卫星导航系统( C N S S )是 中国 自主研制、 自行管理 的全球卫星定位与通信系统， 与美 国的全球卫星定位系统 ( G P S ) 、俄罗斯的格洛纳斯系统 ( G L O N A S S )以及欧盟的伽利 略定位系统( G a lile o )并称全球 四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统安全可靠 ，覆盖范围 大 ，无通信盲区，架设 与维护简便 ，是野外数据传输的理想通信 系统 。目前北斗卫星导 航系统已经广泛应用于地质调查、测绘 、交通、海洋渔业 、减灾救灾等领域 ，并产生 了显著 的经济效益和社会效益。 1 北斗卫星导航 系统概述 北斗 卫 星导航 系 统是 中 国 自行研 制 、具 有完 全 自主知 识产 权 的卫 星导航 系统 。北 斗卫 星 导航系统由空间端 、地面端和用户端 3部分组成。该系统可在全球范围内全天候 、全天时为 各类用户提供高精度的定位 、导航和授时服务 ，并具备短报文通信能力 。 中国此前 已成功发射 4颗北斗导航试验卫星和 l3颗北斗导航卫星( 其 中，北斗 1 A已 经结束任务) ，自2 0 1 1年 1 2月 2 7日，该系统已开始 向中国及周边地区提供连续的导航定位 和授时服务 ，后续将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。 目前其定位 精度优于 2 0 m，授时精度优于 1 0 0 n s 。 1 1 系统 功 能 北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务 ，包括开放服 收稿 日期 ：2 0 1 2 -03 - 2 3 基金项 目：国家发改委高技术 产业化 示范工程 项 目 “ 基 于我 国卫星 的野外 地质调 查应用 高技 术产业 化示范 工程” 国土资源部公益性 行业科研 专项“ 基于 3 s技术 的野外地质工作管理与服务关键技术研究与应用” ( 2 0 1 0 1 1 0 1 0 ) 作者简介 ：温静 ( 1 9 8 4 ) ，女 ，山西太原人 ，工程师 ，主要从事遥感地质研究 。E - ma i l：w e n j i n g 9 1 1 1 6 3 c o rn 2 1 4 地质 力 学 学报 务和授权服务 2种方式。开放 服务是 向全球免 费提供定位、测速和授 时服务 ，定位 精度 1 0 m，测速精度 0 2 m s ，授时精度 1 0 n s 。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的 用户提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。 1 2系统优势 北斗卫星导航系统是中国 自主知识产权 的卫星导航 系统 ，安全、可靠、稳定 ，保密性 强 ，适合关键部 门应用。它同时具备定位与通讯功能 ，不需要其他通讯系统支持。数据通信 实时性强 ，传输快捷 ，一次数据发送时间大约为 1 s 。 覆盖范围大 ，无通讯盲区。“ 北斗一号”卫星导航系统覆盖 了中国及周边 国家和地区， 不仅可为中国、也可为周边国家服务。 “ 北斗” 二代将覆盖全球。采用有源定位导航体制 ， 用户终端需要发射入站 ( 返程)信号。 随着 “ 北斗”二代的建设 ，“ 北斗 ”系统发展成为具有全球导航能力 的卫星定位系统， 定位体制将变为垂直定位 ，而且 随着通信终端性能 的逐步提 高，通信 内容及形式将逐渐丰 富，应用的领域也将逐步扩大。 1 3 北斗一号卫星系统 北斗一号卫 星系统于 2 0 0 3年建成并投入使用 ，系统 由 2颗地球静 止卫星( 8 0 。E和 1 4 0 。E) 、一颗在轨备份卫星 ( 1 1 0 5 。E ) 、中心控制系统 、标校系统和各类用户机等部分组 成。信号覆盖范 围为中国领土及周边地区。卫星上行 L波段 ，下行 s波段。卫星上设有转发 器 ，可以接收地面站发送 的信号，并转发给用户 ；也可以接收用户请求发送定位信号 ，并转 发给定位总站。 北斗一号卫星系统具有定位功能、授时功能和短报文功能。定位功能具有主动式定位和 被动式定位 2种 ，主动式定位在中心站计算 ；这两种定位都是二维定位 ，精度为 1 5 m左右 。 授时功能可以单向授时、双向授时，精度为 5 5 0 n s 。短报文功能使用户和中心站之间可进 行双向 1 2 0个字 的短报文通信 。 北斗一号卫星系统 由空间卫星、地面系统和用户设备等部分组成( 见图 1 ) 。 空间卫星部分 由2颗对地静止轨道卫星和 1 颗在轨备份卫星组成 ，其主要任务是执行地 面中心站与用户设备之间的双向无线电信号 中继业务 。 地面系统部分包括主控站和技术 中心( 两者合在一起叫地 面中心站 ，配有数字化地形 图) 、测轨站、气压测高站 、校准站等组成设备 。 北斗一号卫星系统 的用户设备是具有全向收发天线 的接收 发送设备 ，其基本功能一是 接收地面中心站通过卫星转发的信号 ，从 中提取信息 ，并对其进行必要的测量 ；二是将测量 信息或通信信息按一定 的时间要求通过卫星发往地面中心站。 北斗一号卫星系统在中国国防建设和经济社会发展 中发挥了积极作用 ( 见表 1 ) ，系统 目前广泛应用于海洋监测 、气象预报、抗震救灾等方面 ，特别是在汶川抗震救灾中，北斗一 号卫星系统为抗震救灾提供 了实时的定位 、导航 、远程监测、灾害预警及公共应急信 息服 务 ，发挥了不可替代的作用。 总体来说 ，北斗一号卫星系统的短报文通信功能应用主要集中于数据采集 、监测类和监 控、指挥调度类 ；而其实时定位、精确导航及远程监测等功能在抗震救灾和灾害应急救援领 域可发挥显著作用。 在应用技 术方 面，基 于北 斗一 号卫 星 系统 的各种 应用 大 多都集 成 了地理 信 息 系统 ( G I S ) 、北斗 G P S 、遥感 ( R S ) 、通信 ( C o mm u n i c a t i o n ) ，是 “ 3 S+C ” 的综合应用系统。 2 2 0 地质 力 学 学报 该系统开发完成后 ，在西藏曲水 、林芝两地建立了 2个野外监测站 ，在北京地质力学研 究所建立了中心站 。实际运行情况表明 ，北斗一号导航卫星系统在青藏高原地应力实时监测 的应用是成功而有效的，该系统 的建立为北斗一号导航卫星系统在相关领域的应用 以及地质 灾害监测数据的远程传输提供了借鉴经验。 4 北斗卫星导航系统在抗震救灾与应急指挥中的应用 4 1汶川 地震抗 震救 灾 在 “ 5 1 2 ”汶川地震后的抗震救灾工作 中，北斗卫星导航系统发挥了重要 的作用 ，保 障了抗震救灾与应急指挥的顺利进行 ，充分体现了北斗导航定位系统在抗震救灾应用中的不 可替代性 。北斗卫星导航系统在“ 5 1 2 ”抗震救灾 中的应用主要有 ：为 “ 5 1 2 ” 抗 震救灾的救援直升机提供 了导航定位 ；在地震造成通讯中断、道路损毁的情况下为抗震救 灾提供可靠的通信保障 ，为灾 区一线和指挥部建立 了实时通信通道，把灾区的实时情况及时 传 回指挥部 ，在决策、搜救、医疗等过程中发挥 了关键作用 ，为取得 5 1 2抗震救灾的伟大 胜利奠定 了决定性的基础；为减灾防灾提供远程监测和灾情预警 ；为社会大众提供公共 应急信息服务 。 4 2 抗震 救 灾应急 指挥 系统 中国地质环境监测院与清华大学合作 ，以北斗卫星导航系统为平 台，集计算机技术、测 绘技术、卫星导航定位技术、通信和图像传输等技术于地理信息系统 ，在掌上 P D A实现抗 震救灾分队与指挥部信息共享 ，建立了抗震救灾应急指挥系统 川 。通过北斗卫星可以为抗 震救灾提供导航、定位及实时灾情上报，协助抗震人员实施各种抗震救灾行动 ，从而大大提 高抗震救灾能力 ，最大限度地减少地震带来的财产损失和人员伤亡。用 P D A实时将灾 区信 息标绘在电子地图上并迅速发送到指挥部 ，及时提供准确的灾区信息，为抗震救灾决策提供 了科学依据 ，为夺取抗震救灾决定性胜利提供可靠的技术保障。 抗震救灾应急指挥系统主要包括灾情信息采集和灾情信息发布 2个子系统。灾情信息采 集子系统按照其功能可分为导航监控 、指挥管理、辅助决策 、数据分发模块 ；灾情信息发布 子系统包括了导航定位 、应急标绘 、应急信息发布模块 ，两个子系统均以 G I S管理和网络通 信为支撑 ( 见图 7 ) 。 北斗导航卫星系统在应急情况下的应用 导 航 监 控 模 块 一 r I 指 挥 管 理 模 块 辅 助 决 策 模 块 0 管 理 模 块 灾情信息发布 网 络 通 信 模 块 导 航 定 位 模 块 应 急 标 绘 模 块 基 础 地 理 信 息 数 据 库 j 图7 抗震救灾应急指挥系统体系结构 急信息发 第 3期 温 静等 ：北斗卫星导航系统在地质调查领 域应 用综述 2 2 1 实际应用 中灾情核查人员将附有定位信息的灾情信息通过北斗卫星以短信方式传输给应 急指挥 中心 ，指挥中心将信息和数据及 时汇总，并通过 G I S技术将灾情信息整合到电子地图 上 ，从而迅速开展灾情评估工作 。 北斗卫星导航系统 良好的导航定位功能 ，可以为灾区的现场工作组和救援人员提供实时 的定位服务 ，尤其是在边远山区，可以为灾情信息采集提供高效 、实时的技术保障，以便及 时制定应对措施。 5 北斗卫星在地质行业的应用优势 首先 ，目前地质行业普遍应用的卫星导航系统是美 国的全球定位系统( G P S ) ，其数据 安全保密性得不到保障。从 国家长远战略角度考虑 ，作为国家重要 的行业 ，其信息数据受制 于国外 ，存在极大的安全隐患。北斗卫星系统是 中国 自主知识产权 的卫星导航系统，安全、 可靠 、稳定 、保密性强，非常适合地质领域的应用。 其次 ，在地质调查 、矿山监测、地质灾害调查等很多涉及野外工作的领域 ，坐标信息是 非常重要的。没有坐标信息 ，其他的地质资料就没有依附介质 ，也就无法为实际找矿提出依 据。而在相应的野外工作 中，坐标信息 的获取则更是必不可少 的环节 。区域地质调查工作 中 ，使用的 G P S定位精度只需满足图幅 1 m m的误差即可。而遥感地质调查工作中，不仅需 要对采样点 、观测点及异常点采集定位坐标信息 ，更主要的还需要采集控制点的定位坐标信 息用于图像 的几何校正 、镶嵌融合。根据 中国地质调查 局地质调查技术标 准中的 遥感影 像地图制作规范规定 ，误差不 能大 于 1个像 元。北 斗二号 卫星导航 系统具 有精确定位 ( 差分定位精度 达到 1 I n ) ，完全可 以满足面 向国土资源调 查监测 的基 于位置服务 的精度 要 求 。 第三 ，在野外地质调查工作 中，需要将实地获取的坐标信息及时回传给管理部门，一方 面实时更新相关数据 ，另一方面便于野外作业管理。而 目前 国际上通用的几种卫星导航 系统 都采用无源定位方式 ，这种定位方式下定位人员只能 自己看到定位信息 ，而无法使其他人获 知。因此 ，通常通过 I n t e r n e t 网络 、G P R S或 3 G网的方式传至管理 中心。在一些偏远地 区， 没有互联网、基站等设施时 ，则无法实现数据的回传。而在 国土资源行业 ，在这样偏远地区 的业务工作不在少数 。北斗系统独有的短信通讯功能可以向有关方面传达信息，实现互联互 通 ，使管理部门实时了解野外地质调查工作态势 ，并在应急情况下向野外作业人员提供实时 援助 ，保 障野外作业人员的安全。 第 四，在艰险地区进行野外工作的外业人员 ，由于实地地理环境复杂、人烟稀少 、手机 信号覆盖差等情况，其野外作业安全问题一直较为突出。尽管主管部 门出台了一系列措施并 配备了电台、海事卫星电话等设备加强野外工作安全 ，但艰险地区事故发生率依然很高。其 主要原因在于没有较为低廉轻便的通信设备进行 日常的安全管理 。随着国产北斗卫星导航技 术的发展 ，近年来 ，北斗一代卫星在地质调查领域有了广泛的应用 ，初步形成 了基于北斗一 代卫星的野外地质调查管理与安全保障技术体系 。主要是使用北斗一代卫星 的定位功 能实现地质调查领域的基于位置的服务需求 ，使用北斗一代卫星的通讯功能实现野外人员与 管理中心之间的实时通讯 ，保障野外人员的作业安全。“ 十一五 ”期 间，中国地质调查局启 动 了北斗一代卫星在地质调查领域 的应用示范项 目，这为艰险地区的野外工作安全保障提供 了又一条 可 行之路 。 2 2 2 地质力 学 学报 2 0 1 2 6 结论 北斗卫星导航系统是中国具有 自主产权的卫星导航系统 ，既有导航定位功能 ， 文通信功能 。北斗系统已经广泛应用到中国野外地质调查 、地质灾害监测等领域 ， 查安全保障、地质灾害实时监测 、灾害信息采集和应急指挥提供了有力的技术支撑 其在中国偏远、地形复杂 、通信不畅的地 区使用更具有明显的优势 。 随着北斗二代卫星系统的建设 ，北斗卫星导航系统将成为全球覆盖 、高精度、 区的导航系统 ，在国家卫星导航科技专项 和相关政策推动下 ，北斗卫星导航系统将 查领域发挥更加重要和不可替代的作用。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 参 考 文 献 又有短报 为地质调 手段 ，尤 无 通讯 盲 在 地质 调 韩 波北斗卫星导航定位系统 J j 中国计量 ，2 0 0 4 ，( 3 ) ：2 22 3 H A N B o B e i d o u s a t e l l i t e n a v i g a t i o n a n d p o s i t i o n i n g s y s t e m J C h i n a Me t r o l o g y ， 2 0 0 4 ，( 3 ) ： 2 22 3 北斗卫 星导航 系统简介 E B O L ( 2 0 1 0 -01 1 5) 2 0 1 2 - 0 3 1 5 h t t p ： w w wb e i d o u g o v cn 2 0 1 0 0 1 1 5 2 01 0 0l 1 5 51 O f 4 5 f 4 7 t98 4 c4 8 9 b a 2 d 6 9 4 0 6e 4 7 c a 8 h t m1 I n t r o d u ct i o n o f B e i d o u N a v i g a t i o n S a t e l l i t e S y s t e m E B O L ( 2 0 1 0 -01 - 1 5 ) 2 0 1 2 -03 1 5 h t t p ： w w w b e i d o u g o v cn 2 0 1 0 0 1 1 5 2 01 0 0 1 1 5 5l 0f4 5 f 4 7198 4 e 4 8 9b a 2 d 6 9 4 0 6e 4 7ca 8 h t m1 张孟阳北斗卫星导航 系统应用发展综述 J 国际太空 ，2 0 0 9 ，( 1 1 )：2 73 1 Z H AN G Me n g - y a n g S u mma r i z e o f t h e a p p l i ca t i o n a n d t h e d e v e l o p me n t in B e i d o u N a v i g a t i o n S a t e l l i t e S y s t e m J S p a ce I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 9 ，( 1 1 ) ： 2 73 1 范一大 ，张宝军中国北斗卫星导航系统减灾应用概述与展望 J 中国航天 ，2 0 1 0，( 2 ) ：7 9 F A N Y i- d a Z HA N G B a o - j u n A p p l i ca t i o n s a n d p r o s p e ct o f B e i d o u S a t e l l i t e Na v i g a t i o n S y s t e m i n d i s a s t e r mi t i g a t i o n J A e r o s p a ce C h i n a ， 2 0 1 0 ，( 2 ) ： 7 9 周平根 ，过静瑁 ，李昂 ，等基于 “ 北斗一号 ” 导航卫星通 讯的滑坡 实时监测 系统研究 J 全 球定 位系统 ， 2 0 0 8，3 3 ( 5 ) ：2 02 3 Z HO U P i n g g e n ，G U O J in g - j u n ， L I A a n g ， e t a 1 A p p l i ca t i o n o f N o 1 B e i d o u N a v i g a t i o n S a t e l l i t e co mm u n i ca t i o n t e ch n o l o g y i n t h e l a n d s l i d e r e a l t i me m o n i t o r i n g J G N S S Wo r l d o f C h i n a ，2 0 0 8， 3 3 ( 5 ) ： 2 02 3 朱永辉基于北斗卫星的地质灾害实时监测系统研究与应用 D 北京 ：清华大学 ，2 0 1 0 Z HU Y o n g - h u iT h e r e a l - t i m e m o n i t o r i n g s y s t e m f o r g e o l o g i ca l d is a s t e r s b a s e d o n C o m p a s s S a t e l l i t e S y s t e m D B e i j i n g ： Ts i ng h u a Un iv e r s it y，2 0 1 0 朱永辉 ，自征东 ，罗腾 ，等北斗一号导航 卫星 系统在 青藏 高原地 应力 监测 中的应 用 J 工 程勘察 ，2 0 0 9 ， 3 7 ( 5 )：7 67 9 Z HU Yo n g h u i ，BAI Z h e n g d o n g，L UO T e n g ，e t a 1 T h e a p p l ic a t io n o f Be i d o u I in g e o s t r e s s mo n it o r in g f o r T ib e t a n p l a t e a u J J o u rna l o f G e o t e ch n i ca l I n v e s t ig a t io nS u r v e y i n g ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 5) ： 7 6 7 9 赵康 宁北斗导航系统在四川 抗震救灾 中的应用实践与启示 J 全球定位系统 ，2 0 0 8 ，3 3 ( 4 ) ：4 5 4 7 Z H A O K a n g - n i n g A p p l ica t io n o f B e i d o u C OMP A S S S a t e l l i t e N a v i g a t i o n S y s t e m i n t h e S i ch u a n e a r t h q u a k e r e l ie f J G N S S Wo r l d o f C h i n a ， 2 0 0 8， 3 3 ( 4 ) ： 4 5 4 7 黄维北斗导航定位系统在抗震救灾中的应用与二次开发 D 成都 ：成都 理工大学 ，2 0 1 0 H U A N G We i Ap p l ica t i o n a n d cu s t o m i z a t i o n o f C h in e s e B e i d o u N a v i g a t i o n S y s t e m i n t h e e a r t h q u a k e r e l i e f D C h e n g d u ： C h e n g d u Un iv e r s it y o f Te c h n o l o g y，2 01 0 朱永辉 ，白征东 ，过静瑁 ，等基于北斗一号的地质灾害 自动监测系统 J 测绘通报 ，2 0 1 0 ，( 2 ) ：5 7 Z H U Y o n g h u i，B A I Z h e n g d o n g ， GU O J i n g - j u n ， e t a 1 A n e w w i r e l e s s s y s t e m f o r g e o l o g i ca l d i s a s t e r s m o n it o r i n g b a s e d o n B e i d o u J B u l l e t i n o f S u rve y in g a n d Ma p p i n g ， 2 0 1 0 ，( 2 ) ： 5 7 郝 斌基 于北斗卫星的野外移动定 位环境监测技术研究 D 南京 ：南京航空航天大学 ，2 0 0 6 第 3期 温静等 ：北斗 卫星 导航 系统在地质调查领域应用综述 2 2 3 H AO B i n R e s e a r ch o n t e ch n o l o g y o f fie l d mo b i l e l o ca t i o n e n v i r o n me n t m o n i t o r i n g b a s e d o n B e i d 0 u S a t e I l it e D N a n j i n g ：N a n j i n g U n i v e r s ity o f A e r o n a u t i cs a n d A s t r o n a u t i cs ， 2 0 0 6 1 2 吴才聪 ，苏怀洪 ，褚天 行 ，等 基 于北 斗的 移动 应 急监 控与 指 挥技 术 J 数 字 通信 世 界 ，2 0 1 1 ， ( 1 2 ) 6 0 6 3 WU Ca i_ c。 n g ，S U Hu a i_ h o n g ，ZHU T ia n - x in g，e t a 1 M0 b il e e me r g e n cY mo n it 0 r in g a n d co mma n d i“ g t e c h n o 1 o g y b a s e d 0 n B e i d o u S a t e l l i t e J D i g i t a l C o m mu n i ca t i o n Wo r l d ， 2 0 1 1 ，( 1 2 ) ： 6 0 6 3 APPLI CATI ON OF BEI DOU NAVI 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