北斗卫星导航终端的发展分析

北斗卫星导航终端的发展分析

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摘要：中国北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后，世界上第三个成熟的卫星导航系统，在导航终端上，北斗芯片、模块、天线等产品的国产化已经实现。随着北斗终端设备的普及，北斗应用场景也将不断丰富。目前，北斗系统正在交通、海事、减灾等领域的应用日益广泛。作为北斗应用的重要组成部分，导航终端市场快速发展，已经成为北斗产业的新增长点。本文将重点对北斗卫星导航终端的发展展开分析。

关键词：北斗卫星；导航终端；发展

1引言

随着科技的进步，现代社会对卫星导航技术的需求越来越高，尤其是对于交通、海事、减灾、航空航天等领域来说，卫星导航系统扮演着越来越重要的角色。GPS和GLONASS是目前世界上应用最为广泛的卫星导航系统，两者主要在民用市场提供服务。GPS和GLONASS各自都有不同的侧重点，GPS侧重于短报文业务，而GLONASS侧重于全球范围。随着北斗卫星导航系统的发展和完善，北斗应用正在从专业领域扩展到民用市场，例如北斗导航终端产品已经在汽车、电力、铁路、海事、水利等诸多行业得到了广泛应用。虽然北斗在民用市场的渗透率还不高，但随着北斗应用的不断深化，其市场规模将持续扩大，以下将对北斗卫星导航终端的发展展开分析。

2 北斗卫星导航终端的现状

2.1 定位、导航和授时（PNT）

北斗卫星导航终端设备的定位、导航和授时（PNT）是通过接收和处理卫星信号来确定用户位置的过程。北斗卫星导航终端设备通过信号的接收和处理来获取用户的位置信息，这是整个过程的基础。

在城市中，北斗卫星导航终端设备可通过3种方式定位：一是使用北斗卫星接收芯片直接接收卫星信号；二是利用惯性测量单元（IMU）/光电陀螺仪等传感器获取陀螺信息；三是根据 GPS/GLONASS等系统的定位原理，结合位置解算算法，获取用户位置。不同的定位方法和技术，对应了不同的定位精度和应用领域，不同的 PNT服务也决定了终端设备应用的特点和局限性。

2.2 守时

北斗卫星导航系统采用时间和频率作为信息载体，北斗终端设备通常为同步时钟模式，由主控模块对本地时钟进行高精度频率同步。与 GPS系统不同的是，北斗卫星导航系统时间基准是用卫星原子钟提供的频率作为信息载体，利用星地链路传输时间信息。由于北斗卫星导航系统的同步时钟授时精度高于 GPS，因而在导航终端设备中加入守时功能成为可能。

在民用领域，通过利用北斗卫星导航系统中的高精度时间和频率标准信号实现时间同步是一种比较成熟的应用方案。在军用领域，卫星导航终端设备中的时间同步信号可以用于确定发射或接受方位置、定时等目的。

守时模块的硬件部分由 FPGA的硬件逻辑来实现，其接收到主控制模块发送来的串口时间信息，然后利用终端装置的秒信号和本地时钟之间的时差，再运用卡尔曼滤波算法来对晶体振子的 DA进行调节，从而对晶体振子的输出频率进行调节，使得晶体振子的输出频率达到10 MHz的高精度，并将此信号传送到主板上，再利用分频算法将其变换为1 PPS的秒信号传送到主板上，最后再将其分配到其它各个模块，从而实现时钟信号的同步。

2.3 卫星导航抗干扰

卫导终端常使用的天线单元有微带贴片天线和螺旋天线。微带贴片天线可以采用双圆极化或单圆极化方式，在单频段上可实现多个不同方向的增益。螺旋天线可以分为单极子天线和双极子天线两种类型。单极子天线的单极子波束可以在360°范围内均匀辐射，通过调节振子数与螺旋数，使波束覆盖的区域随着振子数增加而变大，也可在一定程度上提高对卫星信号的接收灵敏度。一般情况下，利用抗干扰天线来改善导航终端的定位性能。抗干扰技术主要有空间域抗干扰、时间/频率域抗干扰和空间-时间联合抗干扰。最常见、也是最容易实现的一种空间域调零算法，其主要是利用了阵列天线上的多个信道的信号来对干扰进行调零，能够很好地压制干扰，但是在此算法的设计过程中，并没有将所需的信号纳入其中，从而导致所需的信号被压制；旁瓣对消算法简单，利用辅助天线对主天线进行抑制，可以形成指向和干扰零点陷落，但是这种方法很难实现，因为其需要构建一个封锁矩阵。在时/频域抗干扰方法中，需要延迟或 FFT，运算复杂，无法同时考虑到所需要的信号；与传统的空域调零法相比，空域和空域联合调零法的性能有了极大的提高。现有的可见光信号的抗干扰性指数已经达到65 dB以上，极大地拓展了北斗系统的使用领域。

3 北斗卫星导航终端发展趋势

3.1高安全性

从应用场景来看，北斗卫星导航终端的主要用户为民用行业。民用行业对信息安全的要求普遍较高，这就要求北斗卫星导航终端应该具备较高的安全性，主要包括：

（1）网络安全：需要支持WPA3、AES-128等加密算法，同时能够支持 RSA/ECC/SHA等多种数字签名算法。

（2）数据安全：需要支持数据加密，对于用户而言，可提供不同级别的加密服务，对于北斗卫星导航终端而言，一般也需要具备相应级别的数据安全。

（3）身份认证：需要支持 PKI/CA体系，即有自己独立的数字证书体系；同时还应该支持各类身份认证机制。

3.2 芯片化

芯片化是北斗卫星导航终端发展的一大趋势，在多模多频、多频段等领域，北斗卫星导航终端已经实现了芯片化的突破。

从芯片化角度来看，北斗卫星导航终端应具有以下几个特征：

（1）拥有高性能、高集成度的导航信号处理器，能够实现快速导航定位、信号处理、数据通信和人机交互等功能；

（2）具有高精度的 GNSS定位技术，能够提供高精度的空间位置信息；

（3）具备智能处理能力，具有先进的基带和射频处理算法，可以根据不同场景的应用要求，实现快速定位和动态导航；

（4）提供丰富的接口类型，支持多种通信协议和丰富的应用功能。

3.3 标准化

在我国北斗卫星导航终端发展的历程中，已经逐步形成了北斗卫星导航终端标准体系，这也是我国自主研发的北斗卫星导航终端设备能够不断取得成功、在全球市场中占据更高市场份额的重要保障。根据目前北斗卫星导航终端产品应用的情况，为了推进北斗卫星导航终端的应用，促进产业发展，应着力做好以下几方面的工作：

（1）制定和完善北斗卫星导航终端相关技术标准。目前，我国已经制定了一系列北斗卫星导航终端技术标准，这些技术标准涵盖了北斗卫星导航终端设备的设计、生产、检测和验收等各个方面。但是，在制定和完善技术标准体系的同时，还应该针对不同应用领域，在不同时间阶段进行相应的研究和开发，结合国内外技术发展动向以及用户使用需求，逐步建立一个功能丰富、性能稳定、兼容性好、成本低的北斗卫星导航终端标准化体系。

（2）逐步建立北斗卫星导航终端检测体系。当前，我国已经建立了一套北斗卫星导航终端的检测体系，但是由于检测方法比较单一，在一定程度上影响了北斗卫星导航终端产品的质量。因此，需要针对不同应用领域的需求，研究相应的检测方法。

（3）鼓励北斗卫星导航终端制造企业积极参与国际标准组织制定活动。在国际标准组织制定的过程中，我国企业可以利用自身在技术、生产和市场等方面的优势，积极参与标准组织开展的工作，并在参与国际标准化活动中提高我国北斗卫星导航终端设备的知名度和美誉度，逐步扩大我国北斗卫星导航终端产品在国际市场中的影响力。

4 结束语

总而言之，中国北斗卫星导航系统经过20年的发展，已经形成了完整的产业链，在全球卫星导航系统中起着主导作用。未来，中国北斗将继续推进系统的建设和应用。同时，北斗在工业和信息化部的推动下，已经进入了新一轮的发展阶段，将以“低成本”和“高精度”为核心，不断开拓应用领域，重点推动北斗导航终端的产业化与市场化，加快北斗产业化步伐。随着北斗应用的不断拓展，相信未来中国北斗将在全球卫星导航系统中发挥更大作用。

参考文献

[1]黎俊明.北斗卫星导航终端的发展分析[J].信息通信,2018,(03):96-97.

[2]高强.北斗卫星导航终端的发展分析[J].现代导航,2017,8(04):239-242.

[3]雷创,王党卫.卫星导航芯片技术发展趋势分析[J].现代导航,2012,3(03):160-164.