“新时代北斗精神引领创新实践”教育活动听课报告

以下为 9.28 直播听课时所作笔记。

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导航手段发展的四个阶段：跟着恒星走 $\to$ 跟着磁场走 $\to$ 跟着无线电信号走 $\to$ 跟着人造卫星走。

$\mathrm{GPS}$ 广泛运用于经济社会各个领域，但是在军事层面上为美国掌控——我国必须实现卫星导航系统自主可控。

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设，独立运行的卫星导航系统。

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北斗系统的发展历程

北斗系统发展历经三十年，有 $400$ 多家单位，$30$ 多万人参与。

• 北斗一号（2000年，陈芳允院士），为中国用户提供服务（$3\mathrm{G}$）。

• 北斗二号（2012年，孙家栋院士），为亚太地区用户提供服务（$5\mathrm{G}+4\mathrm{M}$)。

• 北斗三号（2020年，杨长凤、杨元喜院士），为全球用户提供服务（$24\mathrm{M}+3\mathrm{G}$）。

运作方式：地面运控 $\rightleftharpoons$ 空间星座 $\Rightarrow$ 用户终端。

地面接收北斗卫星发射电磁波信号，随后测量距离、交汇定位。

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实现北斗导航高精度

在太空、高层大气、平流层、对流层四个层面有大量误差需要克服，需要大量的物理知识与精确的数值运算。

同时北斗卫星还受太阳、各行星、月亮的引力以及太阳风（高能粒子）等各种因素影响。

北斗系统中的相对论效应

狭义相对论指出：速度变快，时间变慢。而广义相对论指出：引力越弱，时间越快。

通过北斗卫星与地面所在惯性系对比计算，北斗钟相对于地面每天变快 $38\mu \mathrm{s}$。

突破高精度卫星导航定位基础理论和关键技术（2004年）

简单了解就好了。

• 卫星导航高精度定位基础理论和软件

$1.$ 多类星座、多个轨道、多种卫星融合精密定轨定位时空基准统一，多系统多频点观测数据误差建模的非差非组合处理方法和模型统一。

$2.$ 基线向量的系统误差、相差处理及整体平差模型。

$3.$ 开发了我国具有自主知识产权的多卫星导航系统信息融合处理平台 $\mathrm{PANDA}$，实现了四大系统融合的事后厘米级定轨、定位。

• 广域实时精密定位系统理论和方法

$1.$ 实时轨道：先验轨道信息与实时观测信息综合的轨道动力学快速修正模型、短弧滑动精确轨道预报方法；实时钟差：伪距非差和相位历元间差分的组合模型、实时钟差平方根信息滤波处理算法。

$2.$ 广域精密单点定位：基于广域基准站网观测数据的卫星相位偏差严密估计模型、顾及卫星相位延迟的单站载波模糊度固定方法。

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北斗系统的应用

• 首个北斗地基增强系统在湖北省建成（2012年）。

• 建设国家北斗地基增强系统（2014年）。

从芯片到板卡、天线、基准站终端、用户终端，我国企业自主研制了北斗应用全系列产品，创建了北斗应用的自主产业链。

在服务上，北斗系统用于车道级导航、高精度网约车服务、出租车服务、物流配送、位置服务、监测共享单车位置服务等等。

此外还应用于交通运输、精准农业、减灾救灾、气象预报、位置大数据等等。

新型基础设施建设对高精度时间提出迫切需求。研究广域高精度授时技术，用卫星定位技术解决长距离、高精度、低成本时频传递问题。

$\mathrm{WPT}$（Wide-area Precise Timing System，2020年）是可覆盖全球的北斗高精度时间服务系统。

解决复杂场景高精度定位

如何解决室内密闭空间定位等问题是本领域的世界性难题。

• 利用角动量守恒定律，通过检测旋转轴的偏移测量物体的角速度；利用牛顿第二定律，通过测量外部受力推算物体加速度。

关键技术

• 复杂运动状态下的长航时自主精准定位

• 轻小型、低功耗、高性能传感器集成

• 复杂场景高精度时空基准快速构建

从而达成高精度泛在定位。

课堂中提到了“基于北斗室内外精准定位的校园安全管理”，中学操场与主教学楼室内外三维定位及摄像头坐标快速测量，能够测量出学生位于室内外的情况的高精经纬度，刻画运动轨迹。

应用场景和未来规划

$2023.6-2024.12$：

• 终端与北斗紧组合

• 服务器相关功能完善

• 产品相关资质与认证获取等

$2024.1-2025.12$:

• 面向石化工厂和反恐侦察等专业用户的算法开发，批量生产相应模块及产品

• 足覆/头戴协同定位算法研究

$2026.1-$：

• 面向大众应用的算法与模组开发

• 惯性、图像、激光雷达、地形等异构多源信息融合定位