物联网网络层关键技术及智慧监所实务

网络层位于物联网三层结构中的第二层，其功能为“传送”，即通过通信网络进行信息传输。网络层作为纽带连接着感知层和应用层，它由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成，相当于人的神经中枢系统，负责将感知层获取的信息，安全可靠地传输到应用层，然后根据不同的应用需求进行信息处理。

物联网网络层包含接入网和传输网，分别实现接入功能和传输功能。传输网由公网与专网组成，典型传输网络包括电信网（固网、移动通信网）、广电网、互联网、电力通信网、专用网（数字集群）。接入网包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等各类接入方式，实现底层的传感器网络、RFID网络最后一公里的接入。

物联网的网络层基本上综合了已有的全部网络形式，来构建更加广泛的“互联”。每种网络都有自己的特点和应用场景，互相组合才能发挥出最大的作用，因此在实际应用中，信息往往经由任何一种网络或几种网络组合的形式进行传输。

由于物联网的网络层承担着巨大的数据量，并且面临更高的服务质量要求，物联网需要对现有网络进行融合和扩展，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。物联网的网络层，自然也成为各种新技术的舞台，如3 G/4G/5 G通信网络、IPv6、Wi-Fi和WiMAX、蓝牙、ZigBee等。

（一）ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特点有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

1.概述

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。

根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为868MHz，915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学（Indus-trial，Scientific and Medical，ISM）频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为250Kb/s；另外两个频段为915/868 MHz，其相应的信道个数分别为10个和1个，传输速率分别为40 Kb/s和20Kb/s，868MHz和915MHz无线电使用直接序列扩频技术和二进制相移键控（BPSK）调制技术。2.4GHz无线电使用DSSS和偏移正交相移键控（OQPSK）。

在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络，在每一个ZigBee组成的无线网络中，连接地址码分为16b短地址或者64b长地址，可容纳的最大设备个数分别为216和264个，具有较大的网络容量。

在无线通信技术上，采用CSMA-CA方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。

ZigBee设备为低功耗设备，其发射输出为0～3.6dBm，通信距离为30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可以自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。

为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee技术采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。

2.特征

ZigBee作为一项新型的无线通信技术，其具有传统网络通信技术所不可比拟的优势，既能够实现近距离操作，又可降低能源的消耗。相较于蓝牙等无线通信技术，ZigBee无线通信技术可有效降低使用成本，即便数据处理的速率并不高，然而，值得肯定的是，ZigBee无线通信技术更为便利，可作为众多用户的理想选择。对于ZigBee无线通信技术的特征而言，主要表现为：

（1）ZigBee能源消耗显著低于其他无线通信技术。通常而言，ZigBee开展传输处理过程中对应需求的功率为1MW。倘若ZigBee进入休眠状态，则其所需的功率将更低。通俗来讲，通过为装置有ZigBee的设备配备两节5号电池，该设备便可持续运行超过6个月的时间。

（2）ZigBee研发及使用所需投入的成本偏低。现阶段，ZigBee的成本普遍无需交付专利费。通常情况下，应用ZigBee过程中仅需交付最初的6美元，后续的实际操作便不会产生更高的费用。由此表明，ZigBee的研发及使用成本可被广大用户所接受。

（3）ZigBee具有较高的安全可靠性。ZigBee可实现十分完备的检测功能，同时在应用ZigBee时需要进行反复的检验流程。如此一来，切实确保了ZigBee的安全可靠性。另外，ZigBee在传输数据过程中可确保数据流的相对平行性，换而言之，ZigBee可为数据提供宽广的传输空间。

ZigBee技术致力于为固定、便携或者移动设备提供一种极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点：

（1）数据传输速率低。只有10～250Kb/s，专注于低传输速率应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。

（2）功耗低。工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短。在非工作模式情况下，ZigBee节点处于休眠模式，耗电量仅仅只有1μW。设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee设备非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也做了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年。

（3）数据传输可靠。ZigBee的介质链路层（以MAC层）采用CSMA-CA碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

（4）网络容量大。ZigBee的低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。网络协调器（coordinator）是一种全功能器件，而网络节点通常为简化功能器件。如果通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65 000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

（5）自动动态组网、自主路由。无线传感器网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被他人俘获，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点。

（6）兼容性。ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

（7）安全性。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码，AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。

（8）实现成本低。模块的初始成本在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元，且ZigBee协议免专利费用。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约无线传感器网络的强大功能。

3.Zigbee技术协议

ZigBee技术协议属于高级通信协议，是基于20世纪的IEEE协会制定的802协议，主要约束了网络的无线协议、通信协议、安全协议和应用需求等方面的标准，其有效转播速率可以达到300Kbps。和计算机通信的模式类似，ZigBee的网络协议是分层结构，ZigBee技术的协议栈结构很简单，不像诸如蓝牙和其他网络结构，这些网络结构通常分为7层，而ZigBee技术仅分为4层，如图2-7所示。

图2-7　ZigBee技术的协议栈结构

Zigbee的结构分为4层（图2-8），分别是物理层、媒体介质访问层（MAC）、网络层（NWK）和应用支持子层（APS）。其中应用支持子层与网络层由Zigbee联盟定义，而媒体介质访问层和物理层由IEE802.15.4协议定义，以下为各层在Zigbee结构中的作用：

图2-8　ZigBee的结构

物理层：作为Zigbee协议结构的最低层，提供了最基础的服务，为上一层MAC层提供了服务，如数据的接口等。同时也起到了与现实（物理）世界交互的作用。

媒体介质访问层：负责不同设备之间无线数据链路的建立，维护，结束，确认的数据传送和接收。

网络层：保证了数据的传输和完整性，同时可对数据进行加密。

应用支持子层：根据设计目的和需求使多个器件之间进行通信。

4.ZigBee应用实例

（1）定位解决方案。

设想一下，您冲进购物中心，急切地想为您的另一半选购他（她）称心如意的生日礼物。在这种情况下，该从何下手？您会很自然地掏出手机或平板电脑来选择购买生日礼物的最佳方案。此时，您的移动手持终端设备将显示出购物中心的导购图，并在图上标明您需前往的采购区。当您在购物中心转悠时，移动手持终端设备上将显示出您可能会感兴趣的商品。

当今的射频（RF）技术已经使上述设想成为现实。TI ZigBee RF设备中内嵌的定位引擎可以与室内GPS系统相媲美，其内嵌的定位引擎使用ZigBee网络的RF基础设施来计算事物或人们所处的位置。与GPS相比较而言，定位引擎在单芯片RF收发器中与MCU集成在一起，成本也不及GPS硬件的十分之一，功耗也只是GPS硬件的一小部分。该定位引擎既可用于室内，也可用于室外，而且只要有现成的ZigBee网络，就无需安装移动的接收天线。

典型的应用包括：遥控开/关房屋中所有房间的灯具；跟踪码头仓库的集装箱起运情况；跟踪网站的设备。另外，当新设备接入网络时，该定位引擎能够确定其物理位置，因此定位引擎还能用于简化无线网络的设置。

大多数的无线传感器网络都要求具备一种确定网络节点位置的方法。因此在设备安装期间，您需要弄清楚哪些节点相互之间直接进行数据交换，或者确定哪些节点直接与中央数据采集点进行数据交换。

当通过基于软件的计算方法来确定网络节点位置时，我们就会考虑到市场化解决方案（market solution）。这些具体的计算方法是：节点首先读取计算节点位置的参数，然后将相关信息传送到中央数据采集点对节点位置进行计算，最后，又将节点位置的有关参数传回至该节点。这就是典型的数据密集型计算，并且需要配置一台PC或高性能的MCU。

这种计算节点位置的方法之所以只适用于小型的网络和有限的节点数量，是因为进行相关计算所需的流量将随着节点数量的增加而呈指数级速度增加。因此，高流量负载加上带宽的不足限制了这种方法在以电池供电的网络中的应用。

针对上述问题，可以采用了一种分布式定位计算方法。这种计算方法根据从距离最近的参考节点（其位置是已知的）接收到的信息，对节点进行本地计算，确定相关节点的位置。因此，网络流量的多少将由待测节点范围中节点的数量决定。另外，由于网络流量会随着待测节点数量的增加而成比例递增，因此，此定位计算方法还允许同一网络中存在大量的待测节点。

定位引擎根据无线网络中临近射频的接收信号强度指示（RSSI），计算所需定位的位置。在不同的环境中，两个射频之间的RSSI信号会发生明显的变化。例如，当两个射频之间有一位行人时，接收信号将会降低30dBm。为了补偿这种大的差异以及出于对定位结果精确性方面的考虑，定位引擎将根据来自多达16个射频的RSSI值，开展有关的定位计算。其依据的理论是：当采用大量的节点后，RSSI的变化最终将达到平均值。

在RF网络中，具有已知位置的定位引擎射频称为参考节点，而需要计算定位位置的节点称为待测节点。

要求在参考节点和待测节点之间传输的唯一信息就是参考节点的X和Y坐标。定位引擎根据接收到的X和Y坐标，并结合根据参考节点的数据测量得出的RSSI值，计算位置进行定位。

一些采用定位引擎的应用可能要求，放置若干个参考节点作为基础设施设置不可或缺的一部分。ZigBee技术能够实现对家庭、办公以及工业等应用的无线控制。人们期望，随着ZigBee设备在楼宇基础设施中的安装数量不断增多，ZigBee将会在家庭和办公自动化方面拥有更为广阔的应用前景。

典型的办公场所都会配置ZigBee设备，通过各办公室和会议室中的温度传感器，控制温度调节装置以及A/C导管。同时，每个房间还会安装由ZigBee控制的灯具开关和设备，而这些设备又易于作为定位引擎的参考节点。将ZigBee射频作为ZigBee协议栈上的参考节点所需的代码容量通常小于1Kb。

定位引擎从3～16个参考节点采集数据，并使用这些数据对应定位的位置进行计算。如果定位引擎从16个以上的节点接收到数据时，它则会将接收到的参考节点位置进行分类，然后采用16个参考节点中信号最强的RSSI值。

（2）“掌”控无线生活。

“索诺马溪谷，气温急剧上升。但这家位于吉克庄园的葡萄酒商正在通过每棵葡萄树上的小型无线Zigbee传感器密切地监控自己的田地。这些一枚硬币大小的机器可以跟踪土壤的温度和营养成分等数据。它们利用卫星无线发射机相互连接。”当解释Zigbee无线技术是怎样改变我们生活的时候，《商业周刊》如是描述。

事实或许更加美妙。尽管21世纪的人们并没有实现科幻小说中的某些预言，然而更为奇妙的场景很快便会成为现实：只需一台电脑，一切尽在掌控之中。你可以一边从个人PC中欣赏影片，一边控制烤箱的温度，等待享受美味的下午茶，同时密切地监控与了解一切需要关注的信息：工作室里机器的运行，实验室里研究的进度，家中饮用水的成分和空气中或许可能出现有毒物质的示警，酒窖里不同位置的温度与湿度，私家公路的灯光调控，各类仪表的数据变更……不会再有过火而败味的美食，更不会有《小鬼当家》中入室的匪徒，火灾和毒气泄漏都将最大限度地被防止，博物馆的馆长则不再担惊受怕地忧虑古董名画的命运。

而这一切，皆无需线缆。如同计算机从单任务到多任务的跨越一般，人类将从事事亲力亲为却免不了顾此失彼的尴尬中解脱出来，同时兼顾生活与工作的方方面面，一切将变得从容而妥当。最为诱人的是，这样的效率不需要被烦冗杂乱的设备线路所缠绕，无线传感Zigbee将工作与生活的广阔空间浓缩于双手可以掌控的距离。

1999年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用。不过相关规格已与现有的蓝牙脱钩。于是有媒体甚至预言：Zigbee和UWB（Ultra-WideBand超宽频道）切入市场可能使蓝牙尚未普及即成历史。这种论调显然言过其实，因为Zigbee不支持语音，但Zigbee的低价格、低功耗和可靠支持成为其闪亮登场的亮点，使得它超越蓝牙的简单实用成为事实。

广阔应用，一切无线。Zigbee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器数据）、间歇性数据（如照明控制）和重复性低反应时间数据（如鼠标）。

根据Zigbee联盟目前的设想，Zigbee的目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。

（二）WIFI无线网络

所谓无线网络，是指无需布线就能实现各种通信设备互联的网络。无线网络技术涵盖的范围很广，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线及射频技术。根据网络覆盖范围的不同，可以将无线网络划分为无线广域网（WWAN：Wireless Wide Area Network）、无线局域网（WLAN：Wireless Local Area Network）、无线城域网（WMAN：Wireless Metropolitan Area Network）和无线个人局域网（WPAN：Wireless Personal Area Network）。

1.分类

无线网络是对一类用无线电技术传输数据网络的总称。根据网络覆盖范围不同、网络应用场合不同和网络架构不同等，可以将无线网络划分为不同的类别。下面将从以上三个角度来具体阐述无线网络的分类情况。

根据网络覆盖范围的不同，可以将无线网络划分为无线广域网（WWAN：Wireless Wide Area Network）、无线局域网（WLAN：Wireless Local Area Network）、无线城域网（WMAN：Wireless Metropolitan Area Network）和无线个人局域网（WPAN：Wireless Personal Area Network）。无线广域网是基于移动通信基础设施，由网络运营商，例如中国移动、中国联通、Softbank等运营商所经营，其负责一个城市所有区域甚至一个国家所有区域的通信服务。无线局域网则是一个负责在短距离范围之内无线通信接入功能的网络，它的网络连接能力非常强大。目前而言，无线局域网络是以IEEE学术组织的IEEE802.11技术标准为基础，这也就是所谓的WIFI网络。无线广域网和无线局域网并不是完全互相独立，它们可以结合起来并提供更加强大的无线网络服务，无线局域网可以让接入用户共享到局域之内的信息，而通过无线广域网就可以让接入用户共享到局域之外的信息。无线城域网则是可以让接入用户访问到固定场所的无线网络，其将一个城市或者地区的多个固定场所进行连接起来。无线个人局域网则是用户个人将所拥有的便携式设备通过通信设备进行短距离无线连接的无线网络。

根据网络应用场合的不同，可以将无线网络划分为无线传感器网络（WSN.Wireless Sensor Network）、无线Mesh网络，也称为多跳网络（Multi—hopNetwork）、可穿戴式无线网络和无线体域网络（WBAN：Wireless Body AreaNetwork）等。

根据无线网络拓扑结构的不同，无线网络又可以划分为不同的类型。众所周知，在有线网络中，有五大网络拓扑结构，分别是总线（Bus）、令牌环（Ring）、星型（Star）、树型（Tree）和网状（Mesh）。但是，不同于有线网络，在无线网络中，只有星型和网状两种拓扑结构。在星型架构中，主要由一台中心计算机来负责各客户机之间的通信，每两个客户机之间通信都要经过这台中心计算机。网状拓扑架构不同于星型架构，其没有负责各客户机之间通信的中心计算机，而是每个客户机与其通信范围内的客户机进行直接通信。

2.特点

（1）可移动性强，能突破时空的限制。无线网络是通过发射无线电波来传递网络信号的，只要处于发射的范围之内，人们就可以利用相应的接收设备来实现对相应网络的连接。这个特点极大地摆脱了空间和时间方面的限制，是传统网络所无法做到的。

（2）网络扩展性能相对较强。与有线网络不一样的是，无线网络突破了有线网络的限制，其可以随时通过无线信号进行接人，其网络扩展性能相对较强，可以有效实现网络工作的扩展和配置的设置等。用户在访问信息时也会变得更加高效和便捷。无线网络不仅扩展了人们对使用网络的空间范围，而且还提升了网络的使用效率。

（3）设备安装简易、成本低廉。通常来说，安装有线网络的过程中是较为复杂烦琐的，有线网络除了要布置大量的网线和网线接头，而且其后期的维护费用非常高。而无线网络则无需布设大量的网线，安装一个无线网络发射设备即可，同时这也为后期网络维护创造了非常便利的条件，极大地降低了网络前期安装和后期维护的成本费用。

与有线网络相比，无线网络的主要特点是完全消除了有线网络的局限性，实现了信息的无线传输，使人们更自由地使用网络。同时，网络运营商操作也非常方便，首先，线路建设成本降低，运行时间缩短，成本回报和利润生产相对较快。这些优势包括改进了管理员的无线信息传输管理，并为网络中没有空间限制的用户提供了更大的灵活性。

3.关键技术

无线网络可以有效地感知外界环境出现的变化，进而更深次的进行理解与学习，高效调整与配置通信网络内部的相关资源，以此来迎合外界环境发生的转变。通过充分借鉴无线认知网络技术，既能解决频谱日渐增长的需求和有限频谱资源之间的冲突，还能将频谱资源紧缺的问题进行有效的解决，促使频谱应用效率的合理提高。

（1）频谱共享。频谱共享可借助于管理干扰项让用户最大化提升对频谱的应用概率。频谱可从不同层面进行分类，依据不同的网络构架划分成分布式与集中式。集中式是指以中心服务器集中式处理广大用户的信息，分布式由认知终端计算来明确其空闲的频谱。通过分配频谱的不同方式可将其分成协作式与非协作式。频谱共享过程中采取填充式的共享方法，在频谱空闲的同时可促使主用户形成的干扰最大化降低。

（2）频谱感知。在无线网络技术中，频谱感知作为核心的技术之一，此种技术可以通过频谱空洞、时域、发现频域为广大用户供应有价值的频谱。实质上，可自主检测主用户的信号方法包含三大种类，即检测循环平稳特征、检测匹配滤波器、检测能量。其中对能量的检测既具有良好的性能，并且操作简易，但极易遭受客观因素的制约，使得主信号很难辨识。检测匹配滤波器在明确用户信息的基础上，可有效且快速地检测用户的信息，但在此过程中，需诸多条件的确保，如专用接收器、频率、同步定时。检测循环平稳特征能够对噪声能量进行辨识，对主信号进行检测，但计算流程较为复杂。

（3）动态接入。在无线网络技术中，动态频谱接入技术可分成开放式共享模式、多层接入模式、专用动态模式。其中专用动态模式中主用户能够完全支配频谱，同时还能随意选择技术与服务方式。开放式共享模式能够共享多样化的系统，并且它们相互之间不存在任何干扰。相较以上两种模式发现，多层接入模式可以将此用户发射功率遭受的影响彻底摆脱，既能实现应用范围的有效拓展，又能实现信息容量与吞吐量的进一步提升。

4.安全服务要求

无线通信网络中的不安全因素给移动网络用户与网络经营者带来了巨大的威胁，要维护无线通信网络用户和经营者的权益就必须做好无线网络安全防护技术工作。无线网络安全服务要求主要包括保密性、身份认证、数据完整性和服务不可否认性四点。

（1）保密性。保密性是无线通信网络信息安全防护的主要方式。无线通信网络系统的保密性业务主要包括语音与数据保密性、用户身份与位置保密、用户和网络间信息保密性等。采用保密性方式之后，除了信息的参与者之外，其他人即使截获了信息也不能破解其中的含义。

（2）身份认证。应对身份假冒的最有效的方式就是身份认证。通过对无线通信中的双方或一方身份进行认证来保障网络资源与服务访问用户的真实性和有效性。无线通信网络中的身份认证主要包括移动用户身份认证和网络端身份认证两种。其中，移动用户身份认证主要是确保访问用户的合法性，避免非法用户身份假冒问题的出现；网络端身份认证主要是对网络端身份进行认证，避免攻击者假冒网络端欺骗用户。

（3）数据完整性。数据完整性是应对数据篡改的主要方式。数据完整性主要包括连接完整性、无连接完整性和选域完整性三种。其中，连接完整性主要是对连接中数据完整性的保护；无连接完整性则主要针对无连接中的数据完整性进行保护；选域完整性则是针对具体数据单元中某个区域中数据完整性的保护。

（4）服务不可否认性。服务不可否认性主要针对服务后抵赖问题。服务不可否认性实施的重点是避免系统内部欺诈行为，具体包括源不可否认和接收不可否认。源不可否认是指确保信息发送方在完成数据传送后不能否认曾经的数据发送行为；接收不可否认是指信息接收方在接收到数据之后不能否认曾经的数据接收行为。

5.安全威胁

（1）无线窃听风险。无线通信网络中网络通信的内容是通过开放性的无线信道传送的。在这个开放性的通道上所有具有无线设备的人都可以对无线信道上的信息进行获得，加大了信息窃听风险。在有线通信网络上要进行信息窃听只能通过搭线的方式来实现，同时还要对通信电缆进行特殊处理，操作难度大，且容易被发现。无线通信窃听相对容易，因此无线通信网络信息外泄的风险也更大。移动用户信息泄露后会导致用户被无线跟踪，或者被攻击和干扰，给用户带来不必要的危害与损失。

（2）假冒攻击。无线通信网络中，移动站和移动站之间、移动站和网络控制中心之间的信息传递都是通过无线信道来进行的。但是无线信道的开放性使得用户身份信息完全曝光在信道中，攻击者可以通过信道获得合法用户的身份信息，然后假冒合法用户身份进入网络，并假冒合法身份进行网络资源访问、使用通信服务，或者假冒网络端基站欺骗其他移动用户。

（3）信息篡改。在无线局域网络中，两个无线站之间的信息传递需要其他无限站与网络中心进行转发，此时可能会在中转站发生信息篡改行为。攻击者将窃听到的信息进行篡改之后再将其发送给接收者，引导、诱使接收者按其意愿进行网络操作，给移动用户带来很大的危害。

（4）服务后抵赖。服务后抵赖主要出现在电子商务中。移动用户通过网络商店和电子支付系统进行商品的选择和支付，但是其中一方在交易完成中不承认参与了交易行为。服务后抵赖行为包括两种，一种是客户收到商品后不承认参与过交易行为，拒绝支付费用；一种是客户支付后商家不承认收到货款拒绝交付商品。

（5）重传攻击。重传攻击是指攻击者将窃听到的信息经过一段时间之后再传给接收者，通过信息滞后重传改变信息传输情形，进而达到自己的攻击目的。比如攻击者通过截获合法用户口令来获得网络资源访问权限。

6.安全防范

（1）普及网络安全知识，进行网络安全知识的学习，提高用户对网络安全的认识；运营商定期维护网络服务器，终端用户对自己的重要资料不定期检查、备份，保证自己数据信息的安全。

（2）无线网络防火墙技术：无线网络防火墙技术目前是对进出无线网络服务器的信息进行控制，无线网络的防火墙可以检查网络中传输的数据的服务类型、源代码、数据传输地址以及端口数据等信息，而防火墙则检测这些信息的合法性，来确定是否让其通过。

（3）在网络安全的防范中，用户自身应该加强对网络安全的维护。不少用户使用设备进行无线网络设置时贪图方便常常采用默认设置进行操作，使得设备安全等级较低。一般情况下可以通过安装较常用的网络防火墙软件，提高客户端的安全性来解决。

（4）无线局域网络加密技术：在无线网络传输的过程中，存储过程进行信息数据的加密技术，加密系统既可单独实现，也可以集成到应用程序或者无线网络服务内，加密工作可以通过专业人员完成。

（5）在无线网络中增加检测系统，对网络数据进行实时监测。通过对数据包充分分析，检查网络接入点以及用户安全技术定义标准，对合规数据信息审核放行。

7.安全技术

（1）WPKI技术。WPKI（Wireless Public Key Infrastructure）技术是在有线网络中的PKI（公开密钥基础设施体系）基础上发展起来的。在有线网络中，可以通过标准密钥管理平台为用户透明地提供通信网络应用所需要的加密、数字签名等密码服务，从而确保用户网络中数据的机密性与有效性。WPKI技术是在无线网络中为用户提供与有线网络PKI相同的安全服务机制。

公钥证书是WPKI的核心，是由证书认证机构签发的，主要包括用户姓名、数字签名、有效期等。证书中心所签发的CA证书内容不可更改，主要用来确认用户公开密钥的正确性和用户身份的合法性。PKI门户主要负责WAP客户对审核系统与签发系统发送请求的转换，完成无线网络中WAP设备和有线网络中CA的交互工作。

WAP终端设备的处理能力较低，且无线网络数据传输带较窄，所以WPKI与传统PKI技术有很大的区别，WPKI系统对数据和加密的简洁性要求较高。两者在编码方法、证书格式、加密算法和密钥中均存在一定的差异性。

（2）IBC技术。WPKI技术是保障无线通信网络信息安全的有效方式，但是WPKI系统的建立需要强大的基础设施做支撑，且其证书状态管理难度较大、新增用户过程较为复杂。所以，在此基础上，一项名为IBC技术的新的无线通信网络安全技术得到了较大的发展，并被广泛应用于政务与私人领域。

IBC技术的最大特点是以用户公开的字符串信息作为公钥。PKI技术可以随机地生成成对公私密钥，而IBC技术则可以由用户自己选择字符串作为自己身份识别的公钥，私钥则通过密钥生产中心计算产生，并以一定的方式传递给用户。

8.加密措施

（1）服务区标示符的安全措施。在局域网连接时，服务区标示符就是一种简单的，可以给用户提供基本信息保障的口令。当接入时，必须出示正确的服务区标示符才能进行正确的无线访问。但在日常的使用中，用户极易将自己的服务区标示符泄露，从而使非法之人有可乘之机，导致其信息安全得不到保障。同样，如果客户端在设置时没有注意无线工作站的服务区标示符，很有可能是自动跳过的，导致其并没有发挥安全保障的作用。

（2）物理地址过滤的安全保障措施。物理地址过滤是一种硬件认证，不同于用户认证。硬件认证需要对无线访问接入点中的物理地址进行实时的更新，从而达到对用户信息进行物理过滤的效果。但目前，物理地址过滤的技术的扩展能力较差，难以大规模的应用。

（3）有线等效保密技术的应用。目前，在有线等效保密技术的发展过程中，也在逐渐进行创新和改革，从传统的钥匙长从40位到128位。且这种技术有两种认证方式，分别为开放式认证方式和共有键认证。目前通常采取的共有键认证是指，键相当于钥匙，用户通过局域网内共有的钥匙进入网络，从而获得相关的服务。但在如今看来，这种有线等效保密技术的应用的安全性仍然值得质疑。

（4）虚拟专用网络技术。虚拟专用网络技术是近年来企业通常使用的一种网络技术，其有效地解决了物理过滤技术中的一些问题，为企业的管理者提供更多地解决方案。在虚拟专用网络技术的使用中，其重要的特点是关于验证服务的使用以及用户认证，更好地保障用户的信息安全。

（5）端口访问控制技术的安全措施。端口访问控制技术的认证技术是目前使用比较频繁的一种认证协议。它可以对于未经许可的用户加以限制从而达到保障信息安全的目的。端口访问控制技术具有公共无线网络接入的保障，一方面其可以通过端口来进行访问设置，另一方面，其对基于认证系统的认证及计费提供相关信息及解决措施。

9.无线网络建设

（1）发展方向。

①提高无线网络的覆盖率，为大众提供使用便利的无线网络。近些年来，无线网络在我国的发展是非常迅猛的，人们对其的依赖程度也在逐渐增加。相比移动网络，人们更加喜欢无线网络，那是因为无线网络其速度很快以及便于连接。就目前我国公共场所来看，几乎所有的消费场所比如说购物商场、餐厅、宾馆、咖啡厅等都为其顾客提供了免费的WIFI服务，供消费者上网，这在很大程度上就提高了消费者的满意度，也吸引了消费者的消费。近些年来，5G的研发与试用趋势是非常明朗的，据了解，5G上网的速度大大超过了现有的4G网络的速度，进而能够顾客提供更好的网络体验。总的来说，现在无线网络设备的安装是比较简单的，只需要路由器或者是无线网卡就能实现网络共享的目的，并且在很大程度上无线网络的建设成本是远远低于有线网络的，可见其经济性和实用性都是比较高的。除了公共场所的无线网络的覆盖之外，无线网络还在家庭和学校覆盖。一般家庭是通过路由器和网线相接，在进行后续相应的设置，就能够实现整个屋子的网络的覆盖；学校覆盖是现代高校内常使用的一种方式，学生通过使用校园网可以获取到很多的学习资源，还在很大程度上促进了教育的信息化发展。

②简化无线网络的管理方式，建设管理方便的无线网络。现如今，无线网络的用户数量在常年增加，这就在很大程度上增加了无线设备的工作压力，在此时管理人员需要做好对无线网络设备的管理工作，进而为人们提供稳定安全的网络体验，提供的管理方法最好是一种简单方便的方式，这样能够在很大程度上减轻管理人员的工作压力，能够较为轻松的解决与无线网络相关的问题。如果想要做到简单方便的管理工作，就要对系统做好配置工作，选择正确的无线设备。当出现问题时，直接对系统进行维护和管理就可以。与此同时，在网络设备方面，需要相关人员加大对系统的稳定运行的重视程度，并做好系统内部各个部分的配合与兼容。在对网络设备进行选择的过程中，要根据实际情况选择较为完备的无线设备，并且要合理地去分配流量，以满足用户的需求。

（2）设备维护。

①设备维护工作是设备正常运行的基础。根据维护工作的性质分类，可以将设备维护工作分为日常维护、设备的保养以及清洁和更新设备，日常维护指的就是对每种设备进行周期性的检查，根据设备的运行状况适当调节周围的环境，时刻了解设备的运行状况，熟悉设备的参数、噪声以及温度，并及时发现存在的隐患，在实际的检查过程中可以利用一些辅助的设备进行检查。

在对设备检查之后要做好标记，保证能够方便的、明显的分辨已经检查过的设备和未被检查过的设备，只有加强对设备的日常维护，才能够及时发现问题，及时解决存在的问题，避免重大事故的发生，有效地保证设备的运行；设备的维护和保养工作，是需要工作人员定期对设备的运行状况进行检查，做好设备温度检测以及性能的监督工作，按照每台机器的实际运行情况采取最为合适的保养和维护工作；设备的清洁，设备的运行是会受到周围环境的影响的，影响设备散热的主要问题就是积灰，积灰过多会造成设备的重大损耗，降低设备的性能，影响到用户的实际使用感。因此要对设备进行定期的清洁，这样不仅能够为用户提供稳定的网络，还能够延长设备的使用时间。

设备的更新，一般来说随着无线网络的发展，用户数量的增加，是需要相关人员对设备的建设模式和管理模式进行更新，更新过程中要以用户体验为中心，对设备进行更新和完善，去除用户在体验过程中不满意的部分。

除此之外，无线网络还存在被黑客入侵的情况，给无线网络的安全性和稳定性带来了很大的影响，因此管理人员在更新的过程中要注重安全模式的建立，进而提高无线网络的防御抵抗能力。

②无线网络设备常见的故障及解决对策。导频污染是无线设备中常见的一个问题，导频污染指的是一些无线网络通信在设备内部某一地方存在大量的强导频。对于导频污染的解决策略就是调整导频功率以及设置无线电磁波天线。在设置电磁波天线的过程中要根据实际的测试结果进行调整，在进行调整的过程中也要适当地去调整主导频。

③调整无线覆盖，确保无线网络的安全性。无线网络一般在经济较为发达，信息交流频繁的地区有所覆盖，在这之中较为重要的是无线网络的安全性。为了能够有效地提高无线网络的安全性就要利用相应的数据加密手段以及网络登录认证，从而做好安全防御。

除此之外，保障无线网络安全还需要做好无线设备的监管和维护，对无线网络设备的运行状况进行实时的监控，当出现异常时，立即采取相应的措施。

④对相关设备维护保养人员的培训。无线网络设备维护的主体是工作人员，首先要定期对工作人员进行培训，提高管理人员的专业素质和综合素质，这是保证企业无线设备管理质量的基础，通过培训可以提高管理人员对设备结构、原理以及一些操作技巧的认识。当设备出现故障时，能够及时发现问题。另外就是要考虑到每位员工的素质，通常，只有一个企业中有着高素质的员工，这个企业才能够长久的发展，因此企业在选择员工时一定要考虑员工的职业素养。

（三）蓝牙技术

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。

蓝牙使今天的一些便携移动设备和计算机设备能够不需要电缆就能连接到互联网，并且可以无线接入互联网。

1.蓝牙技术概述

蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

蓝牙作为一种小范围无线连接技术，能在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信和语音通信，因此它是目前实现无线个域网通信的主流技术之一。与其他网络相连接可以带来更广泛的应用。是一种尖端的开放式无线通信，能够让各种数码设备无线沟通，是无线网络传输技术的一种，可以用来取代红外。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口（Radio Air Interface），将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种3C设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。

简单地说，蓝牙技术是一种利用低功率无线电在各种3C设备间彼此传输数据的技术。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE802.15协议。作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络的发展。

2.原理

蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.4～2.485 GHz的ISM波段的UHF无线电波）。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。

蓝牙技术是世界著名的5家大公司——爱立信（Ericsson）、诺基亚（Nokia）、东芝（Toshiba）、国际商用机器公司（IBM）和英特尔（Intel）于1998年5月联合宣布的一种无线通信新技术。蓝牙设备是蓝牙技术应用的主要载体，常见蓝牙设备比如电脑、手机等。蓝牙产品容纳蓝牙模块，支持蓝牙无线电连接与软件应用。蓝牙设备连接必须在一定范围内进行配对。这种配对搜索被称之为短程临时网络模式，也被称之为微微网，可以容纳设备最多不超过8台。蓝牙设备连接成功，主设备只有一台，从设备可以多台。蓝牙技术具备射频特性。采用了TDMA结构与网络多层次结构，在技术上应用了跳频技术、无线技术等，具有传输效率高、安全性高等优势，所以被各行各业所应用。

3.特点

（1）蓝牙技术的适用设备多，无需电缆，通过无线使电脑和电信联网进行通信。

（2）蓝牙技术的工作频段全球通用，适用于全球范围内用户无界限的使用，解决了蜂窝式移动电话的“国界”障碍。蓝牙技术产品使用方便，利用蓝牙设备可以搜索到另外一个蓝牙技术产品，迅速建立起两个设备之间的联系，在控制软件的作用下，可以自动传输数据。

（3）蓝牙技术的安全性和抗干扰能力强。由于蓝牙技术具有跳频的功能，有效避免了ISM频带遇到干扰源。蓝牙技术的兼容性较好，目前，蓝牙技术已经能够发展成为独立于操作系统的一项技术，实现了各种操作系统中良好的兼容性能。

（4）传输距离较短。现阶段，蓝牙技术的主要工作范围在10m左右，经过增加射频功率后的蓝牙技术可以在100m的范围进行工作，只有这样才能保证蓝牙在传播时的工作质量与效率，提高蓝牙的传播速度。另外，在蓝牙技术连接过程中还可以有效地降低该技术与其他电子产品之间的干扰，从而保证蓝牙技术可以正常运行。蓝牙技术不仅有较高的传播质量与效率，同时还具有较高的传播安全性特点。

（5）通过调频扩频技术进行传播。蓝牙技术在实际应用期间，可以原有的频点进行划分、转化，如果采用一些跳频速度较快的蓝牙技术，那么整个蓝牙系统中的主单元都会通过自动跳频的形式进行转换，从而将其随机地进行跳频。由于蓝牙技术的本身具有较高的安全性与抗干扰能力，在实际应用期间可以保证蓝牙运行的质量。

4.系统组成

（1）底层硬件模块。蓝牙技术系统中的底层硬件模块由基带、跳频和链路管理组成。其中，基带是用于完成蓝牙数据和跳频的传输。无线调频层是不需要授权的通过2.4GHz ISM频段的微波，数据流传输和过滤就是在无线调频层实现的，主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需要满足的条件。链路管理实现了链路建立、连接和拆除的安全控制。

（2）中间协议层。蓝牙技术系统构成中的中间协议层主要包括了服务发现协议、逻辑链路控制和适应协议、电话通信协议和串口仿真协议四个部分。服务发现协议层的作用是提供上层应用程序一种机制以便于使用网络中的服务。逻辑链路控制和适应协议是负责数据拆装、复用协议和控制服务质量，是其他协议层作用实现的基础。

（3）高层应用。在蓝牙技术构成系统中，高层应用是位于协议层最上部的框架部分。蓝牙技术的高层应用主要有文件传输、网络、局域网访问。不同种类的高层应用是通过相应的应用程序通过一定的应用模式实现的一种无线通信。

5.应用(www.xing528.com)

（1）蓝牙技术应用于汽车领域。

①蓝牙免提通讯。将蓝牙技术应用到车载免提系统中，是最典型的汽车蓝牙应用技术。利用手机作为网关，打开手机蓝牙功能与车载免提系统，只要手机在距离车载免提系统10m之内，都可以自动连接，控制车内的麦克风与音响系统，从而实现全双工免提通话。利用车载免提应用框架作为蓝牙免提通信技术的基础，很好的规范蓝牙设备，并且汇集蓝牙功能集，这样就可以控制蓝牙技术。

②车载蓝牙娱乐系统。车载蓝牙娱乐系统，主要包括USB技术、音频解码技术、蓝牙技术等，将上述技术相融合，利用汽车内部麦克风、音响等，播放储存在U盘中的各种音频以及电话簿等，还增添了流行音乐等播放功能。以CAN为基础连接车载系统中的网络，这样就可以实现车载信息娱乐系统的运行。同时也为系统保留了可扩展性。

③蓝牙车辆远程状况诊断。车载诊断系统主要依靠蓝牙远程技术，及时进行车辆检修，尤其对汽车发动机进行实时监测，帮助车辆时刻掌握不同功能模块的具体运行情况，一旦发现系统运行不正常，利用设定好的计算方法准确判断出现故障的原因与故障类型，将故障诊断代码上传到车载运行系统存储器中，读取更加方便快捷。

④汽车蓝牙防盗技术。随着技术逐渐成熟，蓝牙在应用广泛性、使用安全性、传输准确性、传输高效性等方面会有更进一步的改善。尤其是蓝牙防盗器的应用，如果汽车处于设防状态，蓝牙感应功能将会自动连接汽车车主手机，一旦车辆状态出现变化或者遭受盗窃，将会自动报警，蓝牙防盗技术的应用，为汽车提供更安全的环境。

（2）蓝牙技术应用于工业生产。

①技术人员对数控机床的无线监控。蓝牙技术在数控机床中的应用，主要体现在无线监控方面，利用蓝牙技术安装相应的监控设施，为数控机床用户生产提供方便，同时也维护了数控机床生产的安全。技术人员根据携带的蓝牙监控设备，随时监控与管理机床运行，发现数控机床生产问题及时治理。尤其是无线数据链路下实现的自动监控能力，可以适当干预机床运行，比如停止主轴或者系统停机等。

②零部件磨损程度的检测。蓝牙检测功能还体现在工业零部件磨损方面，利用蓝牙检测软件结合磨损检测材料进行实验研究，可以具体到耐磨性优劣，及时利用蓝牙无线传输将磨损检测程度数据传输到相关设备中，相关设备进行智能分析，并将结果告知技术人员。

③功率输出标准化。蓝牙技术在工业生产的功率输出方面也十分重要。调节设备利用蓝牙技术传输生产功率变化，将其与标准运行功率对比，如果存在功率变化异常，便会及时调整，并将调整数据上传。

④蓝牙监控系统对数控系统运行状态的实时和完整的记录。蓝牙传输设备作为监控系统主要组成，随时记录数控系统运行状态，并且将数控系统运行期间的任何波动全部传输到储存设备中，利用通信端口上传信息，为数控生产管理人员提供更多参考资料。

（3）蓝牙技术应用于医药领域。

①诊断结果输送。以蓝牙传输设备为依托，将医院诊断结果及时输送到存储器中。蓝牙听诊器的应用以及蓝牙传输本身耗电量较低，传输速度更加快速，所以利用电子装置及时传输诊断结果，提高医院诊断效率，确保诊断结果数据准确。

②病房监护。蓝牙技术在医院病房监护中的应用主要体现在病床终端设备与病房控制器，利用主控计算机，上传病床终端设备编号以及病人基本住院信息，为住院病人配备病床终端设备，一旦病人有什么突发状况，利用病床终端设备发出信号，蓝牙技术以无线传送的方式将其传输到病房控制器中。如果传输信息较多，会自动根据信号模式划分传输登记，为医院病房管理提供了极大的便利。

6.存在的问题

（1）蓝牙的功耗问题。蓝牙传输数据的频率不高，在传输数据的过程中耗能较少，但是，为了及时响应连接请求，在等待过程中的轮询访问却是十分耗能的。

（2）蓝牙的连接过程烦琐。蓝牙的连接过程中涉及多次的信息传递与验证过程，表面上来看似乎并不能让使用者感受到复杂的连接程序，但是，反复的数据加解密过程和每次连接都需进行的身份验证过程却是对设备计算资源的一种极大浪费。

（3）蓝牙的安全性问题。蓝牙的首次配对需要用户通过PIN码验证，PIN码一般仅由数字构成，且位数很少，一般为4～6位。PIN码在生成之后，设备会自动使用蓝牙自带的E2或者E3加密算法来对PIN码进行加密，然后传输进行身份认证。在这个过程中，黑客很有可能通过拦截数据包，伪装成目标蓝牙设备进行连接或者采用“暴力攻击”的方式来破解PIN码。

此外，在蓝牙传输数据的过程中使用的加密算法的安全性也有待提高。出现以上情况的原因在于蓝牙技术的本身，由于蓝牙的设计目标为设备间组成一个无基站式局域网（类似于WLAN的AdHoc模式），进行多设备间的近距离通信，为了保证私密性和安全性，蓝牙协议要求每次连接前必须进行身份认证。

7.发展前景

（1）普及蓝牙技术的认知与利用。虽然在现阶段，蓝牙技术已经在实际的生活与工作中有了较多的应用，但是人们对于蓝牙技术并没有过多的认识，除了在手机蓝牙的传输功能与语音功能的应用外，对于无线打印机、无线会议等蓝牙应用没有足够的认识。因此，在未来的蓝牙技术发展中，应对蓝牙技术进行宣传，将成本低和技术先进的蓝牙技术推广在更广泛的应用平台中。

（2）拓展蓝牙技术的应用领域。蓝牙技术的应用领域要向广度发展。蓝牙技术的第一阶段是支持手机、PDA和笔记本电脑，接下来的发展方向要向着各行各业扩展，包括汽车、信息家电、航空、消费类电子、军用等。

（3）与更多的操作系统之间兼容。在计算机系统中，若要进一步提高蓝牙技术的应用，就要将蓝牙兼容技术与计算机操作系统同步发展，除了与Windows、XP和PC平台兼容外，还要跟进技术水平，例如在Win8系统的计算机应用中建立支持性，提高蓝牙技术在计算机和相关工程中的应用。另外，在兼容性的技术发展中，要不断对电子产品的发展方向进行研究，在预见性的规划安排中，提高蓝牙技术的应用能力。

（4）低成本发展，芯片小巧且价格下降。蓝牙技术中应用的芯片的成本较低，并且在向着单芯片的方向发展，已经开发出嵌入电池中的单芯片，蓝牙芯片将越来越小巧，价格越来越低。

（5）加强合作开发趋势。蓝牙技术的发展主要得益于通信技术的支持，在未来的经济建设中，各行各业都需要在信息自动化的应用中提高生产水平，因此，要将蓝牙应用技术与多种行业建立合作形式。比如在汽车制造中，可以将蓝牙技术设计到汽车的智能化应用系统中，增加汽车的使用功能，通过无线数据的连接，将汽车、计算机、手机和人进行紧密的联系，通过手机等设备的简单操作就可以控制汽车运行系统等，如在手机中下载汽车的开关系统，一是保证了汽车的个人使用安全，二是在忘记开关车门时可以避免回到停车地点复查。

（四）卫星定位系统

定位系统是以确定空间位置为目标而构成的相互关联的一个集合体或装置（部件）。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到至少4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。

主流定位系统除美国的GPS外，还有中国的北斗卫星导航系统、欧盟的伽利略卫星导航系统、俄罗斯全球导航卫星系统等。

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统，是美国第二代卫星导航系统在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，GPS定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

1.历史发展

全球定位系统（GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98％的24颗GPS卫星星座已布设完成。

（1）前身。GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。

为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10 000km高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，功能强大，当信号密度低于环境噪声的1％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的二维定位，空军的计划能够提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将两者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

（2）中国定位发展史。根据中国物联网校企联盟的定义，通过定位系统获取位置信息是物联网时代的重要研究课题。物联网环境下对定位技术的挑战主要体现在：异构网络、多变环境下的精准定位；大规模应用；基于位置的服务（Location based Services）；位置信息带来的信息安全和隐私保护问题。

在2020年前，有30多颗卫星覆盖全球。北斗二号为中国及周边地区的军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足导航定位信息交换的需要等。

2.构成

GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分——GPS星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。

GPS定位技术具有高精度、高效率和低成本的优点，使其在各类大地测量控制网的加强改造和建立以及在公路工程测量和大型构造物的变形测量中得到了较为广泛的应用。简单地说，GPS导航仪就是能够帮助用户准确定位当前位置，并且根据既定的目的地计算行程，通过地图显示和语音提示两种方式引导用户行至目的地的汽车驾驶辅助设备。

（1）空间。GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20 200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码，一组称为C/A码（Coarse/Acquisition Code 11 023 MHz）；一组称为P码（Procise Code 10 123 MHz），P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。

（2）地面控制。地面控制部分由1个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

（3）用户设备。用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。现今各种类型的接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

3.基本原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。

GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。C/A码频率1.023 MHz，重复周期1 ms，码间距1μs，相当于300m；P码频率10.23 MHz，重复周期266.4天，码间距0.1μs，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧，每帧长6s。前三帧各10个字码；每30s重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接收到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

GPS接收机可接收到用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20m，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2m。

GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其他技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。

按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。

相对论为GPS提供了所需的修正。全球定位系统GPS卫星的定时信号提供纬度、经度和高度的信息，精确的距离测量需要精确的时钟。因此精确的GPS接收器就要用到相对论效应。

准确度在30m之内的GPS接收器就意味着它已经利用了相对论效应。华盛顿大学的物理学家Clifford M.Will详细解释说：“如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步。”相对论认为快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。Will计算出，每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万km的路程，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7μs。

引力对时间施加了更大的相对论效应。大约2万km的高空，GPS卫星经受到的引力拉力大约相当于地面上的四分之一，结果就是星载时钟每天快45μs，GPS要计入共38 μs的偏差。Ashby解释说：“如果卫星上没有频率补偿，每天将会增大11km的误差。”这种效应实际上更为复杂，因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得较远。

4.功能应用

（1）应用领域。

①陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等。

②海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。

③航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。例如，船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、汽车自主导航、地面车辆跟踪和城市智能交通管理、紧急救生、个人旅游及野外探险、个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体）、工程机械（轮胎吊，推土机等）控制、精细农业等。

（2）典型应用场景。

①GPS在道路工程中的应用。主要用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。如今，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。

②GPS在汽车导航和交通管理中的应用。三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。

（3）核心功能。

①地图查询。

a.可以在操作终端上搜索你要去的目的地位置。

b.可以记录你常去的地方的位置信息，并保留下来，也可以和别人共享这些位置信息。

c.模糊地查询你附近或某个位置附近的如加油站、宾馆、取款机等信息。

②路线规划。

a.GPS导航系统会根据你设定的起始点和目的地，自动规划一条线路。

b.规划线路可以设定是否要经过某些途径点。

c.规划线路可以设定是否避开高速等功能。

③自动导航。

a.语音导航。用语音提前向驾驶者提供路口转向，导航系统状况等行车信息，就像一个懂路的向导告诉你如何驾车去目的地一样。导航中最重要的一个功能，使你无需观看操作终端，通过语音提示就可以安全到达目的地。

b.画面导航。在操作终端上，会显示地图，以及车子所在的位置，行车速度，目的地的距离，规划的路线提示，路口转向提示的行车信息。

c.重新规划线路。当你没有按规划的线路行驶，或者走错路口时候，GPS导航系统会根据你现在的位置，为你重新规划一条新的到达目的地的线路。

5.北斗卫星导航系统

中国北斗卫星导航系统（英文名称：BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度10ns。

（1）系统概述。北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统），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，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

卫星导航系统是全球性公共资源，多系统兼容与互操作已成为发展趋势。中国始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗”的发展理念，服务“一带一路”建设发展，积极推进北斗系统国际合作。与其他卫星导航系统携手，与各个国家、地区和国际组织一起，共同推动全球卫星导航事业发展，让北斗系统更好地服务全球、造福人类。

（2）发展目标。建设世界一流的卫星导航系统，满足国家安全与经济社会发展需求，为全球用户提供连续、稳定、可靠的服务；发展北斗产业，服务经济社会发展和民生改善；深化国际合作，共享卫星导航发展成果，提高全球卫星导航系统的综合应用效益。

（3）建设原则。

自主。坚持自主建设、发展和运行北斗系统，具备向全球用户独立提供卫星导航服务的能力。

开放。免费提供公开的卫星导航服务，鼓励开展全方位、多层次、高水平的国际交流与合作。

兼容。提倡与其他卫星导航系统开展兼容与互操作，鼓励国际交流与合作，致力于为用户提供更好的服务。

渐进。分步骤推进北斗系统建设，持续提升北斗系统服务性能，不断推动卫星导航产业全面、协调和可持续发展。

（4）基本组成。北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成。

地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。

用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。

（5）发展历程。中国高度重视北斗系统建设发展，自20世纪80年代开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，形成了“三步走”发展战略：

第一步，建设北斗一号系统。1994年，启动北斗一号系统工程建设；2000年，发射2颗地球静止轨道卫星，建成系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。

第二步，建设北斗二号系统。2004年，启动北斗二号系统工程建设；2012年年底，完成14颗卫星（5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号系统技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。

第三步，建设北斗三号系统。2009年，启动北斗三号系统建设；2018年年底，完成19颗卫星发射组网，完成基本系统建设，向全球提供服务；计划2020年年底前，完成30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统。北斗三号系统继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制，能够为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信、国际搜救服务，中国及周边地区用户还可享有区域短报文通信、星基增强、精密单点定位等服务。

截至2019年9月，北斗卫星导航系统是在轨卫星已达39颗。从2017年年底开始，北斗三号系统建设进入了超高密度发射。北斗系统正式向全球提供RNSS服务，在轨卫星共39颗。

2020年6月23日9时43分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第55颗导航卫星，即北斗三号最后一颗全球组网卫星，至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

（6）发展特色。北斗系统的建设实践，实现了在区域快速形成服务能力、逐步扩展为全球服务的发展路径，丰富了世界卫星导航事业的发展模式。北斗系统具有以下特点：

一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。

二是北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

三是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。

（7）建设进展。截至2018年年底，北斗三号基本系统建成并提供全球服务，包括“一带一路”国家和地区在内的世界各地均可享受到北斗系统服务。

①工程建设方面：

a.空间段实现全球组网。当前，北斗一号系统已退役；北斗二号系统15颗卫星连续稳定运行；北斗三号系统正式组网前，发射了5颗北斗三号试验卫星，开展在轨试验验证，研制了更高性能的星载铷原子钟（天稳定度达到10～14量级）和氢原子钟（天稳定度达到10～15量级），进一步提高了卫星性能与寿命；成功发射了19颗组网卫星（其中，18颗中圆地球轨道卫星已提供服务，1颗地球静止轨道卫星处于在轨测试状态），构建了稳定可靠的星间链路，基本系统星座部署圆满完成。

b.地面段实施了升级改造。北斗三号系统建立了高精度时间和空间基准，增加了星间链路运行管理设施，实现了基于星地和星间链路联合观测的卫星轨道和钟差测定业务处理，具备定位、测速、授时等全球基本导航服务能力；同时，开展了短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等服务的地面设施建设。

②系统运行方面：

a.健全稳定运行责任体系。完善北斗系统空间段、地面段、用户段多方联动的常态化机制，完善卫星自主健康管理和故障处置能力，不断提高大型星座系统的运行管理保障能力，推动系统稳定运行工作向智能化发展。

b.实现系统服务平稳接续。北斗三号系统向前兼容北斗二号系统，能够向用户提供连续、稳定、可靠服务。

c.创新风险防控管理措施。采用卫星在轨、地面备份策略，避免和降低卫星突发在轨故障对系统服务性能的影响；采用地面设施的冗余设计，着力消除薄弱环节，增强系统可靠性。

d.保持高精度时空基准，推动与其他卫星导航系统时间坐标框架的互操作。北斗系统时间基准（北斗时），溯源于协调世界时，采用国际单位制（SI）秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC）00时00分00秒。北斗时通过中国科学院国家授时中心保持的UTC，即UTC（NTSC）与国际UTC建立联系，与UTC的偏差保持在50ns以内（模1s），北斗时与UTC之间的跳秒信息在导航电文中发播。北斗系统采用北斗坐标系（BDCS），坐标系定义符合国际地球自转服务组织（IERS）规范，采用2000中国大地坐标系（CGCS2000）的参考椭球参数，对准于最新的国际地球参考框架（ITRF），每年更新一次。

e.建设全球连续监测评估系统。统筹国内外资源，建成监测评估站网和各类中心，实时监测评估包括北斗系统在内的各大卫星导航系统星座状态、信号精度、信号质量和系统服务性能等，向用户提供原始数据、基础产品和监测评估信息服务，为用户应用提供参考。

（8）服务性能。截至2018年12月，北斗系统可提供全球服务，在轨工作卫星共33颗，包含15颗北斗二号卫星和18颗北斗三号卫星，具体为5颗地球静止轨道卫星、7颗倾斜地球同步轨道卫星和21颗中圆地球轨道卫星。北斗系统的服务区域、定位精度、服务可用性等性能指标如表2-3所示。

表2-3　北斗系统性能指标

（9）未来发展。未来，北斗系统将持续提升服务性能，扩展服务功能，增强连续稳定运行能力。2020年，北斗系统已经实现全球组网，进一步提升了全球基本导航和区域短报文通信服务能力，并实现全球短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等服务能力（表2-4）。从2021年开始，“5G+北斗”将成为智能时代最重要的基础设施之一。5G作为新一代信息技术，具有大带宽、低时延、广连接的技术特性；北斗系统具有导航、定位、授时和短报文通信等能力。5G与北斗的融合可以实现天地一体、通导一体，促进万物智联与精准协同，将成为新基建迈向数字化、智能化，实现升级改造不可或缺的重要支撑。

表2-4　北斗系统服务类型

①基本导航服务。为全球用户提供服务，空间信号精度将优于0.5m；全球定位精度将优于10m，测速精度优于0.2m/s，授时精度优于20ns；亚太地区定位精度将优于5m，测速精度优于0.1m/s，授时精度优于10ns，整体性能大幅提升。

②短报文通信服务。中国及周边地区短报文通信服务，服务容量提高10倍，用户机发射功率降低到原来的1/10，单次通信能力1 000汉字（14 000比特）；全球短报文通信服务，单次通信能力40汉字（560比特）。

③星基增强服务。按照国际民航组织标准，服务中国及周边地区用户，支持单频及双频多星座两种增强服务模式，满足国际民航组织相关性能要求。

④国际搜救服务。按照国际海事组织及国际搜索和救援卫星系统标准，服务全球用户。与其他卫星导航系统共同组成全球中轨搜救系统，同时提供反向链路，极大提升搜救效率和能力。

⑤精密单点定位服务。服务中国及周边地区用户，具备动态分米级、静态厘米级的精密定位服务能力。

（10）应用与产业化。中国积极培育北斗系统的应用开发，打造由基础产品、应用终端、应用系统和运营服务构成的产业链，持续加强北斗产业保障、推进和创新体系建设，不断改善产业环境，扩大应用规模，实现融合发展，提升卫星导航产业的经济和社会效益。

①基础产品及设施。北斗基础产品已实现自主可控，国产北斗芯片、模块等关键技术全面突破，性能指标与国际同类产品相当。多款北斗芯片实现规模化应用，工艺水平达到28 nm。截至2018年11月，国产北斗导航型芯片、模块等基础产品销量已突破7000万片，国产高精度板卡和天线销量分别占国内市场30％和90％的市场份额。

建设北斗地基增强系统。截至2018年12月，在中国范围内已建成2300余个北斗地基增强系统基准站，在交通运输、地震预报、气象测报、国土测绘、国土资源、科学研究与教育等多个领域为用户提供基本服务，提供米级、分米级、厘米级的定位导航和后处理毫米级的精密定位服务。

②行业及区域应用。北斗系统提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信时统、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，融入国家核心基础设施，产生了显著的经济效益和社会效益。

交通运输方面，北斗系统广泛应用于重点运输过程监控、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度监控等领域。截至2018年12月，国内超过600万辆营运车辆、3万辆邮政和快递车辆，36个中心城市约8万辆公交车、3 200余座内河导航设施、2 900余座海上导航设施已应用北斗系统，建成全球最大的营运车辆动态监管系统，有效提升了监控管理效率和道路运输安全水平。据统计，2011年至2017年间，中国道路运输重特大事故发生起数和死亡失踪人数均下降50％。

农林渔业方面，基于北斗的农机作业监管平台实现农机远程管理与精准作业，服务农机设备超过5万台，精细农业产量提高5％，农机油耗节约10％。定位与短报文通信功能在森林防火等应用中发挥了突出作用。为渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务，全国7万余只渔船和执法船安装北斗终端，累计救助1万余人。

水文监测方面，成功应用于多山地域水文测报信息的实时传输，提高灾情预报的准确性，为制定防洪抗旱调度方案提供重要支持。

气象测报方面，研制一系列气象测报型北斗终端设备，形成系统应用解决方案，提高了国内高空气象探空系统的观测精度、自动化水平和应急观测能力。

通信时统方面，突破光纤拉远等关键技术，研制出一体化卫星授时系统，开展北斗双向授时应用。

电力调度方面，开展基于北斗的电力时间同步应用，为在电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。

救灾减灾方面，基于北斗系统的导航、定位、短报文通信功能，提供实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。

公共安全方面，全国40余万部警用终端联入警用位置服务平台。北斗系统在亚太经济合作组织会议、二十国集团峰会等重大活动安保中发挥了重要作用。

③大众应用。北斗系统大众服务发展前景广阔。基于北斗的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域，深刻改变着人们的生产生活方式。

电子商务领域，国内多家电子商务企业的物流货车及配送员，应用北斗车载终端和手环，实现了车、人、货信息的实时调度。

智能手机应用领域，国内外主流芯片厂商均推出兼容北斗的通导一体化芯片。2018年前三季度，在中国市场销售的智能手机约有470款具有定位功能，其中支持北斗定位的有298款，北斗定位支持率达到63％以上。

智能穿戴领域，多款支持北斗系统的手表、手环等智能穿戴设备，以及学生卡、老人卡等特殊人群关爱产品不断涌现，得到广泛应用。

（11）国际合作。持续与其他卫星导航系统开展协调合作，推动系统间兼容与互操作，共同为全球用户提供更加优质的服务。

①中俄卫星导航合作。在中俄总理定期会晤委员会框架下，成立了中俄卫星导航重大战略合作项目委员会；签署了中俄政府间《关于和平使用北斗和格洛纳斯全球卫星导航系统的合作协定》《中国北斗和俄罗斯格洛纳斯系统兼容与互操作联合声明》，以及《和平利用北斗系统和格洛纳斯系统开展导航技术应用合作的联合声明》等成果文件；围绕兼容与互操作、增强系统与建站、监测评估、联合应用等领域设立联合工作组，开展务实合作，推进10个标志性合作项目并取得阶段进展，完成中俄卫星导航监测评估服务平台建设并开通运行，促进两系统优势互补、融合发展。

②中美卫星导航合作。建立中美卫星导航合作对话机制，签署了系统间《中美卫星导航系统（民用）合作声明》《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》，标志着两系统在国际电联框架下实现了射频兼容，北斗系统B1C信号与GPS系统L1 C信号达成互操作；在兼容与互操作、增强系统、民用服务等领域设立联合工作组，推动合作交流。

③中欧卫星导航合作。成立了中欧兼容与互操作工作组，开展多轮会谈；持续推进频率协调；在中欧空间科技合作对话机制下开展广泛交流。