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北斗卫星导航系统在海洋气象监测中的应用
【摘要】北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立运行的区域性卫星导航系统，可提供高质量的定位、导航和授时服务，具有定位精度高、全天候使用、通信快捷和运营成本低廉等诸多特点。本文介绍了北斗卫星导航系统的功能与特点，并对北斗卫星导航系统在海洋气象监测中的应用进行了初步的探讨与分析。
【关键词】北斗；卫星导航；海洋气象；监测；应用
0.引言
卫星导航技术是利用导航卫星对地面、海洋以及大气空间进行精确定位。卫星导航定位系统是重要的空间基础设施，我国高度重视卫星导航系统建设，一直努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。正在建设的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，具有定位精度高、全天候使用、通信快捷和运营成本低廉等特点，目前已在交通运输、海洋渔业、防灾减灾、电力授时以及环境监测等诸多领域得到了广泛的应用。
1.北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System，简称CNSS）是我国正在实施的自主研发、独立运行的区域性卫星导航系统，是继美国GPS系统和俄罗斯GLONASS系统后第三个运行成熟的卫星导航系统。该系统由空间卫星、地面中心站和用户终端三部分组成，其覆盖范围包括中国大陆及沿海、台湾、南沙及其他岛礁、日本海、太平洋部分海域和周边部分地区。
1.1 系统功能
1.1.1 快速定位
北斗卫星导航系统可为服务区域内的用户提供全天候、高精度、大范围的实时定位服务，其定位精度一般为几十米。若采用差分定位技术，重点地区定位精度可达10 m以内，测速精度优于0.2 m/s，这与美国GPS系统定位水平基本接近。
1.1.2 精密授时
北斗用户机可提供单向优于50 ns、双向优于10 ns的授时精度，可实现全天候、高精度、大范围、高可靠的UTC时间播发，并可提供高精度的时间同步。与其他导航系统相比，北斗卫星导航系统同时具备定位与通讯等功能，无需其他通讯系统支持，而GPS系统则只能定位。
1.1.3 双向通信
由于其特殊的工作方式，北斗用户机可通过卫星实现短报文通信服务，且不受地形条件与气象因素的影响。该服务能保证在我国及周边地区具备短信息交换能力，可用于解决资料稀少地区海洋气象要素观测，对现有无线、有线通信网所不能覆盖的海域进行通信，以及对等台风、海啸和风暴潮等海洋气象灾害进行监测预警。
1.2 系统特点
1.2.1 系统使用安全稳定
北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，具有全天候运行、无通讯盲区、融合卫星导航增强系统等优势，使用时不受国外势力所影响，系统安全可靠、性能稳定、保密性强。
1.2.2 数据通信实时性强
数据传输方便快捷，一次发送时间约为1 s，接收终端在几秒内就可接收到发送端传输的数据，数据信息实时性较强。
1.2.3 设备通信成本低
北斗通信终端体积小且成本不高；系统容量大，并发能力强，可同时处理30万用户的申请；数据传输快捷，发送一包数据用时约为1 s；功能强大，具有定位和授时功能。
1.2.4 便于各种载体使用
导航定位用户容量不再受到限制，用户设备体积小、质量轻、功耗低，能同时满足手持、机载、星载和弹载等各种载体需要，具备一定的抗干扰和抗摧毁能力。
2.北斗卫星导航系统在海洋气象监测中的应用
气象领域是最早应用我国北斗系统的重要应用领域之一。在边远台站和海岛，气象实时观测数据最先通过北斗卫星导航系统传送到中心预报服务部门。早在北斗卫星导航系统建设之初，我国气象部门就开展了基于北斗MEO试验卫星的北京上空大气水汽探测试验，并取得了较好的应用效果。北斗导航卫星的广泛应用对我国气象基础观测业务从定性向定量、从陆地向海洋、从二维探测向三维立体探测产生了极其重要的影响。
2.1 海洋气象数据通信
北斗卫星导航系统在海洋气象监测中的应用主要是数据通信，应用框图如图1所示。当前一些海岛和观测船上的海洋气象监测系统，由于与岸上通信距离较
远，数据通信只能采用卫星数据传输方式[1]。在任何天气条件下，北斗卫星导航系统能为海上航行的船舶提供导航定位和安全保障，同时其特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。除此之外，北斗卫星导航系统还具备短报文通信功能，通过卫星导航终端设备能及时报告船舶所处位置和受灾情况，有效缩短救援搜寻时间与提高抢险救灾时效，从而大大减少生命财产损失。
2.2 海洋大气环境监测
为了保障我国海洋环境监测数据的安全、稳定和可靠通信，国家海洋中心依托浮标监测平台，开展了海洋环境监测北斗应用技术研究，研制了北斗通信通用控制和接口模块，实现了基于北斗卫星导航系统的数据长报文压缩、加密、传输等数据传输通信控制技术[2]，为北斗卫星导航系统在海洋监测领域的应用和业务化奠定了坚实的基础。
2.3 海洋气象高空探测
利用卫星导航定位技术测风已成为高空气象探测的发展趋势。利用导航卫星反射信号探测风场和海浪场数据的技术已成为海洋气象探测的重要手段之一[3]。卫星定位测速功能可以直接用在北斗探空系统的高精度海洋测风定位上，移动应急和特殊环境气象数据收集更是北斗快速通讯功能的直接应用。目前，全国有数百个基准站实时联网进行导航卫星探测大气水汽和电离层电子浓度业务探测。
2.4 海洋气象定量遥感
利用北斗卫星导航系统能定量遥感水汽和电离层电子浓度，海洋气象参数定量探测等领域是对导航卫星信号遥感的深度应用。运用该系统可以提高暴雨等强对流天气预报能力，增强沿海大风、海雾等要素预报和服务能力。发展卫星掩星廓线探测已成为未来气象关注的重要领域[4]，在长期地面试验基础上，该技术已在“风云”三号气象卫星上得以实现。
2.5 海洋气象灾害监测
我国是世界上自然灾害频发最为严重的国家之一，构筑全方位、全时空、快速反应的海洋气象服务体系，对于保持经济持续快速发展具有重要意义。据统计，我国气象灾害损失呈逐年上升趋势，迫切需要提高气象灾害监测预警能力与提升海洋气象灾害的预报能力[5]。海洋气象灾害监测与预警，需要对海上风场、海面波浪场以及波浪能量谱等进行全天候监测，且要求监测覆盖面广、周期短、精度高。基于北斗卫星导航系统的海洋气象监测预警应用，通过对台风结构的探测提高台风路径的预报能力，探测海洋上空水汽输送，通过岸基探测海风海浪，增强近海天气预报的精度。
3.结束语
北斗卫星导航系统是具有我国自主知识产权的卫星导航系统，它的研发为我国海洋气象监测预警提供了一个新的平台。根据北斗发展战略，北斗卫星导航系统将逐渐建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆盖全球的卫星导航系统，将在更加广泛的领域为用户提供更加优质的服务。随着海洋气象监测手段、卫星导航技术与信息可视化技术的迅猛发展，北斗卫星导航系统在海洋气象监测中的应用必将具有更加广阔的发展前景。
参考文献：
[1]成方林，冯林强，张翼飞.北斗导航系统在海洋水文、气象监测系统中的应用[J].海洋技术，2004，23（3）：70-72.
[2]樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2004.
[3]蒋尚城.应用卫星气象学[M].北京：北京大学出版社，2006.
[4]林晓鹏.卫星遥感在海洋监测中的应用[J].福建水产，2006，（1）：59-60.
[5]许小峰，顾建峰，李永平.海洋气象灾害[M].北京：气象出版社，2009.
本文来源：https://www.wddqxz.cn/ba7553e84328915f804d2b160b4e767f5acf802b.html
2022-07-16
