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1、第 39 卷 第 1 期 测 绘 学 报 Vol. 39, No. 1 2010 年 2 月 Acta Geoda etica et Ca rtographica Sinica Feb. , 2010 文章编号 : 1001 1595( 2010) 01 0001 06 北斗卫星导航系统的进展 、 贡献与挑战 杨元喜 中国卫星导航定位与应用管理中心 , 北京 100088 Progr ess, System YANG Yuanxi Cont ribut ion a nd Cha l lenges of Compa ss/ Beidou Sa telli te Na viga t ion Chi
2、na Na tiona l Admi nistra tion of GNSS a nd Applica tions, Beijing 100088, Chi na Abstract : Satellite navi ga tion ha s stepped i nto the era of a hundred flowers i n bl oom. The progress, appl ica tion, con tribution and challenges of Compass/ Beidou satelli te system is reviewed and analyzed. Fi
3、rstly, the construction pri n ciples and development steps are introduced. Secondly, the genera l realiza tions of si gnal frequency and the coordi nate system a s well as the ti me system of Beidou satelli te na viga ti on system i n the frame of compatibil ity and i nterop erabili ty are described
4、. Thi rdly, in the concept of redunda ncy, the main contributions of Bei dou system a re ana lyz ed. At la st, the applications and the mai n chall enges of Beidou system a re reviewed. Key words : Compass/ Beidou; development; chal lenges 摘 要 : 卫星导航发展已进入百花齐放 、 群星争艳的时代 。 主要评述我国北斗卫星导航系统的发展 、 应用 、 贡 献
5、及面临 的 挑战 。 介绍 北斗卫星导航系统的建设原则和建设步骤 ; 介绍我国 北斗卫星导航系统在兼容与互操作框架下在 频率 、 坐 标 系统 、 时间系统方面的兼容与互操作实现概况 ; 描述北斗导航系 统在冗余度 概念下的 主要贡献 ; 简要说 明北斗 导航验 证 系统的重要应用和面临的主要挑战 。 关键词 : 北斗卫星导航系统 ; 进展 ; 挑战 中图分类号 : P228 文献标识码 : A 基金项目 : 国家自然科学基金 ( 40474001; 40841021) ; 国家 863 计划 ( 2007AA12Z 331) 1 引 言 不面对随即出现的频率资源的竞争、卫星导航市 场的竞争、
6、时间频率主导权的竞争以及兼容与互 全球卫星导航系统 G PS、 GL O N A SS 已经建 成并投入使用 , 不仅促进了导航定位理论与应用 的变革 , 也促进了相关产业 的长足发展。为提高 卫星导航定位的自主性、安全性、完好性 , 中国和 欧盟先后启动了 Co mpass/ 北斗和 G alileo 卫星导 航系统的建设。之后 , 日本启动了伪天顶卫星系 统 Q Z SS ( quasi zenit h satellit e syst em ) , 印度 也启动了 IRN SS 导航系统 。 中国正在运行和 正在建设的 Com pass 系统 是全球导航卫星系统 ( G N SS) 的重要
7、组 成部分。 我国自 19 世纪 80 年代决定建设独立自主的卫星 导航系统 ( Com pass/ 北斗 ) , 2003 年 , 北斗卫星导 航验证系 统建成 , 并 在多个 领域得 到了广 泛的 应用。 面对众多卫星导航信息资源时 , 一方面可以 利用丰富的导航信息 , 极大地提高卫星导航用户 的可用性、精确性、完好性和可靠性 , 但是也不得 操作的争论 , 也包括针对我国北斗卫星导航系统 贡献与干扰的争论。 为此 , 本文在简单介绍 我国北斗 ( Com pass) 导航卫星系 统基本 概况 的基 础上 , 重 点评述 我 国北斗导航 系统的 应用 与贡 献 ; 此 外 基于作 者 个
8、人认识 , 也简 单分析 我国 北斗 导航 系统面 临 的问题。 2 系统建设原则与进展步骤 北斗卫星导航定位原理在多篇文献中已有介 绍 。北斗导 航系统建 设的基本 原则是 : 开放 性、自主性、兼容性、渐进性 。 开放性 : 北斗卫星导航系统将为用户免费提 供高质量的开放服务 , 并且欢迎全球用户使用北 斗系统。中国将与其他国家就卫星导航有关问题 进行广泛深入的交流与合作 , 以推动 G N SS 及其 相关技术和产业的发展。 1 2 2 February 2010 Vol. 39 No. 1 AGCS http: xb. sinomaps. com 自主 性 : 中 国 将 独 立 自
9、主 地 发 展 和 运 行 Co mpass 系统。北斗 系统能独 立为全球 用户提 供服务 , 尤其是为亚太地区提供高质量的服务。 兼容性 : 北斗卫星导航系统使用卫星无线电 导航业务频段 , 与其他卫星导航系统间存在频谱 重叠。我国愿意在国际电联有关规则、建议的指 导下通过频率协调 , 实现与其他系统的兼容和互 操作。 渐进性 : 北斗系统将依据中国的技术和经济 发展实际 , 遵循循序渐进的模式建设。通过改进 系统性能 , 确保系统建设平稳过渡 , 为用户提供长 期连续的服务。北斗系统的发展分为三步 : 验证 系统、扩展的区域导航系统和全球导航系统 。 1. 第一步 : 验证系统。 200
10、0 年以来 , 中国已 成 功发射 3 颗 GEO 卫星 , 初步建成 北斗卫星导 航试验系统。该系统能够提供基本的定位、授时 和短报文通信服务。 北斗卫星导航试验验证系统的服务区域为东 经 70 140 , 北 纬 5 55 , 定 位 精 度 优 于 20 m 。北斗试验验证系统具有如下特点 : 一是 首次定位速度快。北斗验证系统的用户定位、电 文通信和位置报告可在几秒内完成 , 而 G PS 首次 定位一般需要 1 3 min。二是集定位、授时和报 文通信为一体 , GP S 和 G L ON A SS 系统只解决了 用户在何时、在何地的授时和定位问题 , 北斗验证 系统是世界上首个集定
11、位、授时和报文通信为一 体的卫星导航系统 , 解决了 ! 何人、何时、何处 的 相关问题 , 实现了位置报告、态势共享。三是授时 精度高。 GP S 的精密定位服务 ( PP S) 授时精度为 200 ns, 北斗验证系统的单向授时精度达 100 ns, 双向定时精度达到 20 ns, 远远高于 G P S 的授时 精度。四是可实现分类保障。即可划分使用等级 范围 , 授权用户与公开用户分开 , 公开用户也可随 时进行定位保障等级的调整、优先权调配和能 力 集成 。 2. 第二步 : 扩展的区域导航系统。在验证系 统的基础上 , 北斗卫星导航系统将进行区域导航 能力拓展。即由 12 颗卫星组成
12、扩展区域卫星导 航系统 , 采取有源与无源相结合体制 , 兼容北斗验 证系统的全部功能。 2011 年左右覆盖亚太地区 , 即服务拓展到南北纬 55 , 东经 55 至 180 。 3. 第三步 : 北斗全球卫星导航系统。在扩展 区域导航系统 12 颗卫星基础上 , 北斗导航系统的 服务将由区域拓展到全球 , 设计性能优于俄罗斯 的 GL O N A SS, 与第 三代 GP S 性 能相 当。将在 2020 年左右为全球用户提供服务。 2007 年 4 月 13 日 , 北斗卫星导航系统的首 颗 MEO ( Com pass M 1) 卫星成功发射 , 轨道高度 约为 21 550 km 。
13、 2009 年 4 月 15 日 , 北斗卫星 导航系统的首颗 GEO 卫星 ( Compass G2) 也成功 发射。最近几年 , 将发射 10 余颗卫星。 3 与其他卫星导航系统的兼容与互操作 3. 1 兼容与互操作的一般描述 兼容与互操作是多导航卫星系统资源利用与 共 享的重要内容。 2007 年印度班加罗尔 ( Bang a lore) 举行的第一次卫 星导航供应商论坛会议初 步提出了兼容与互操作原理及定义 , 2008 年在美 国加州举行的第三次供应商论坛会议对兼容与互 操作定义进行了更新。 3. 1. 1 兼容性描述 兼容性是指分别或综合使用多个全球卫星导 航系统及区域增强系统 ,
14、 不会引起不可接受的干 扰 , 也不会伤害其他单一卫星导航系统及其服务。 其主要内容包括 : 1. 国际电信联盟 ( IT U ) 提供无线电频率兼 容讨论框架 , 频率兼容应涉及全部细节因素 , 包括 接收机噪声水平的影响 , 以及干扰与信号之间的 互相关问题 ; 2. 兼容性应关注每个卫星系统的授权与公 开服务信号的频谱分离 , 尽管某些信号重叠是不 可避免 , 但卫星导航供应商之间应进行讨论 , 以便 构建双方可接受的方案 ; 3. 鼓励任何其他改进兼容性的决策。 实际上 , 兼容性不仅包括无线电频率的兼容 还应包括坐标系统兼容 , 时间系统兼容 , 发射功率 兼容等。 3. 1. 2
15、互操作性描述 互操作是 指综合利用多 个全球导航 卫星系 统、区域卫星导航系统、增强卫星导航系统及相应 服务 , 能够在用户层面 比单独使用一种服务获得 更好的能力。主要内容包括 : 1. 同时处理不同卫星导航系统信号并不显 著增加接收机的成本和复杂性 ; 2. 多卫星星座播发公用互操作信号将改善 观测几何结构 , 改善所有地点用户的定位精度 , 减 少卫星信号受遮挡的范围 , 提高卫星的可视性 ; 3. 坐标框架的实现及时间系统应极大限度 5 6 5 5 第 1 期 杨元喜 : 北斗卫 星导航系统的进展、贡献与挑战 3 地固联于国际现已存在的统一标准 ; 4. 鼓励任何其他改善互操作的决策。
16、 显然 , 互操作的实现必须基于卫星导航系统 的兼容性。 基于互操作概念 , 用户在 PN T ( 定位、导航、 定时 ) 方面所获得的效益应大于付出的代价 ; 用户 可望获得更可靠、更丰富的 P N T 服务 ; 而且这些 互操作不应显著增加接收机的研发负担 ; 多卫星 系统所发射信号的最大接收功率应该相近 ; 系统 供应商应该相互播 发包括坐标系统和系统时间偏 差在内的互操作信息 ; 频率多样性是可行的 , 而且 图 1 Fig. 1 3. 2. 3 北斗导航时间系统与其他时间之间的关系 T iming r elatio ns of Beido u and other satellite
17、navigatio n sy stems 北斗坐标系统的兼容性与互操作 有益于提高抗干扰能力。 3. 2 北斗卫星导航系统与其他 导航系统的兼容 与互操作 3. 2. 1 北斗导航系统的频率兼容与互操作 卫星导航系统的频率资源十分紧缺 , 不同卫 星导航系统间的频谱重叠不可避免。关于频谱重 叠和频谱分离是目前兼容与互操作讨论的热点 , 我们认为不同系统服 务信号间共享 频谱是可行 的。对许多应用来说 , 开放信号的频谱重叠对实 现互操作是有益的。 我国已向国际电信联盟 ( IT U ) 申报 , 北斗导 航系 统 将 发 射 4 个 频 率 的 信 号 : 1 561 MH z、 1 589
18、M H z、 1 268 M H z 及 1 207 M H z ( E5b) , 已经 发 射 的 3 频 信 号 为 : 1 561. 098 M H z 和 1 589. 742 M H z, 码速率均为 2. 046 cps、带 宽为 4. 092 MH z 的 B1( I) 和 B1 2( I) 公 开服务信号 ; 以及 中 心 频 点 为 1 207. 14 M H z, 码 速 率 为 2. 046 cps, 带宽 为 24 M H z 的 B2( I) 信号 , 还 有 授权用户信号 : 1 268. 52。此外还将发射中心频 点分别 为 1 575. 42 M H z 和 1
19、 191. 795 M H z, 码 速率分别为 1. 023 cps、 10. 23 cps 两种公开服务 信号 。 3. 2. 2 北斗时间系统的兼容性与互操作 北斗时 ( BDT ) 溯源到协调世界时 U T C( N T SC) , 与 U T C 的时间偏差小于 100 ns。 BD T 的起 算历元时间 是 2006 年 1 月 1 日 零时 零分 零秒 ( U T C) 。在设计北斗时间系统时 , 已经考虑到 BDT 与 G PS 时 ( G PST ) 、 G alileo 时 ( GST ) 和 GL O N A SST 的互 操 作 问 题 , 并 将监 测 和 发 播 B
20、DT 与 G PST 、 GST 、 G LO N A SST 及 GST 的时 差。北斗导航系统的时间系统与其他导航系统的 时间系统关系见图 1。 北斗卫星 导航系统相应 的坐标系统 为中国 2000 大地坐标系统 ( CG CS 2000) 。 CG CS 2000 的定义与国际地球参考系统 ( IT RS) 一致。 CGCS 2000 的 实现称 为 CT R F 2000 。 CT R F 2000 参考于 IT RF 97, 历元为 2000. 0。 CT R F 2000 由 三个层次框架点组成。第一层次 : 连续运行参考 站 ( 28 个点 ) , 形成 CG CS 2000 基
21、本骨架 , 精度约 为 3 mm; 第二层 次 : ! 2000 国家 GP S 大地 控制 网 ( 2 500 多点 ) , 精度约为 3 cm 级 ; 第三层次 : 全 国天文大地网 ( 约 50 000 个点 ) , 大地经纬度精度 约为 0. 3 m, 大地高精度优于 0. 5 m。 显然 , CT R F2000 的第一、第二层次参考框架 与国际地球参考框架 IT RF 的一致性约为几个厘 米 , 对于大多数卫星导航用户来说 , 可以不考虑 CT RF 2000 与 IT RF 的坐标转换。 理论上 , 一个完整的坐标系统 , 应包含坐标框 架的变化速率 , 但在目前情况下 , 暂不
22、能提供高精 度的 CT R F 的点位速度信息 , 也暂不能提供点位 坐标更新信息。 4 北斗导航系统对互操作的贡献 ( PNT) 在群星璀璨的星空 , 未来将有 100 余颗用于 导航 的 卫 星 ( 包 括 G PS、 G L ON A SS、 G alileo、 Compass 等 ) ; 有 星 罗棋 布的 观测 网 ( 包括 全球 GN SS 服 务 系统 及 IGS 观 测网、各国 的 CO RS 网 , 以及国内的地壳运动跟踪网和各省、各地区的 COR S 系 统 等 ) 。现 代 化 的 G PS、恢 复 元 气 的 GL O N A SS、正在发展的 Com pass 和正在
23、建设的 Galileo 卫星导航系统 , 将极大改善冗余度 , 改善 定位精 度 , 提 高导 航 定 位 的 灵 活度 , 改 善导 航 质量 。 下面仅从冗余度方面分析北斗导航系统的贡 献 , 如图 2。 7 8 5 4 February 2010 Vol. 39 No. 1 AGCS http: xb. sinomaps. com 图 2 导航冗余信息的贡献 Fig . 2 Contributio n o f Beidou system based on redundancy 分析图 2 可以看出 , 北斗卫星导航系统及其 相应的地面跟踪站建设 , 对全球导航用户的贡献 应该是显著的 ,
24、 可归纳如下 : 1. 由 于 卫 星 星 座 的 不 同 , 有 利 于 改 善 DO P 值 ; 2. 由于信号频谱的不同 , 有利于削弱多路径 效应的影响 , 并有利于抵制信号干扰带来的影响 ; 3. 由于北 斗自身的多频体制 , 有利于削弱电 离层和对流层误差 , 从而有利于弱化基准站距离 的限制 , 有利于固定载波相位模糊度 , 有利于缩短 首次定位时间 ; 4. 由于冗余观测的大量增加 , 有利于减弱局 部环境因素带来的影响 , 显然有利于削弱偶然误 差影响 ; 5. 由于观测几何结构改善 , 有利于异常误差 诊断 , 提高导航及授时结果的抗差性 ( 或稳健性 ) ; 6. 由于北
25、斗导航卫星系统实现了与其他卫 星系统的兼容 , 于是有利于减弱信号有色噪声和 系统误差影响 ; 7. 由于星座体系不同 , 可视 卫星的增加 , 有 利 于提高可用性 ; 8. 由于各卫星导航系统的守时钟组不同 , 有 利于发现单一系统的时间系统误差 , 有利于改善 U T C 的精度 ; 9. 由于卫星体系不同 , 有利于卫星轨道精度 的校核 , 发现轨道系统误差 , 进而改善卫星轨道 精度 ; 10. 由于各卫星导航系统地面跟踪站的分布 及观测不同 , 有利于改善全球坐标系统的精度。 5 重要应用及面临的问题 5. 1 北斗导航系统的重要应用 北斗卫星导航验证系统已在多个领域得到成 功应用
26、 , 并发挥了重要作用 , 包括 : 通信、水利、减 灾、海事、海洋渔业、交通 、勘探、森林防火 等等。 其应用的显著特点是集定位、授时、短报文通信及 用户监测于一体。 例如在森林防火系统中 , 北斗导航系统与温 湿探测设备及地理信息系统进行有效集成 , 使森 林防火系统具备火情报警、火场定位、火情分析、 救火指挥、救火最佳路径设计、分队与指挥部的通 信、分队之间的通信、救火分队自身救援申请、火 灾损害评估等功能。解决森林中通信难、定位难、 指挥难、救援难等问题。该系统已经在我国森林 防火救灾中发挥了重要作用。在海洋渔业应用系 统中 , 北斗导航系统不仅为渔民提供定位、导航和 通信功能 , 而
27、且也为渔民提供海洋天气、规避风险 等信息服务。 自从北斗验证系统开通以来 , 北斗系统的应 用范围迅速拓展 , 用户机生产规模不断扩大 , 北斗 注册用户快速增长。 5. 2 北斗导航系统面临的问题与挑战 北斗卫星导航系统由于起步较晚 , 国际国内 卫星 导航 市场 已基 本被 G PS 和 G L ON A SS 占 领 , 许多与卫星导航有关的先进设备进口相对困 难 , 所以北斗卫星导航系统的发展也面临严峻的 挑战。 5. 2. 1 国际竞争 首先 , 北斗面临无线电频率资源的竞争 , 要实 现北斗导航系统与其他 卫星导航系统间的兼容与 互操 , 首先面临频率资源短缺问题 ; 其次 , 北
28、斗坐 标系统的最佳实现应该全球均匀建站 , 但是目前 情况下很难实现 ; 第三 , 卫星导航定位市场竞争也 十分激烈 G PS 导航定位用户在国际市场上占有 绝对垄断地位 , 在国内测绘、导航领域也占据主导 地位 , GP S 时 间系统 也已在 国内 电力、通信、交 通、金融、空间 技术等 领域 广 泛应 用 , 要从 现有 GP S 市场份额中占有一席之地十分困难。 5. 2. 2 政策问题 北斗导航系统尚无健全的国家政策和标准。 第 1 期 杨元喜 : 北斗卫 星导航系统的进展、贡献与挑战 5 为了掌握卫星导航的主导权 , 北斗卫星导航系统 一方面需要构建独立 自主的导航定 位与时间系
29、统 , 又要实现与其他卫星导航系统兼容与互操作 , 所以需要尽快制定较完备的卫星导航发展政策。 北斗导航系统的发展除要满足国防建设急需 外 , 还应该促进国民经济建设的发展。 但是若要 实现北斗导航系统的良性发展 , 又必须鼓励国际 竞争 , 反对垄断。没有竞争 , 北斗的整体技术就很 难进步。任何的市场垄断都可能影响北斗导航系 统的技术进步 , 都有可能葬送北斗导航事业。 与北斗导航系统建设与应用相关的管理政策 也急需明确 , 多层次管理或不顺畅的管理都会影 响北斗用户的拓展。 5. 2. 3 服务观念问题 中国的导航体制要求有主动服务观念。任何 的被动服务或消极服务都会影响北斗应用范围的
30、拓展 , 目前北斗市场占有率并不高 , 特别需要北斗 导航服务管理部门增强主动服务观念 , 加大对北 斗导航系统的宣传 , 加快北斗导航系统的建设步 伐 , 提高北斗导航用户接收机的性能 , 减小体积 , 降低价格 , 从 而迅速 扩大北 斗导航 系统的 用户 群体。 5. 2. 4 技术问题 北斗卫星导航也面临激烈的技术竞争。卫星 系统性能与稳定性需要提高 ; 原子钟技术、接收机 技术、信号调制与捕获技术等都有很大的发展空 间 ; 与北斗导航系统相关的坐标系统和时间系统 还有改进的余地 ; 北斗地面跟踪站相对偏少 , 几何 结构不够合理 ; 数据服务中心 ( 类似于 IGS) 几乎 处于空白
31、 , 相应的服务产品不够丰富。 6 结 论 北斗卫星导航定位系统是国家重要的基础设 施 , 也是国际导航系统的重要组成部分 , 发展独立 自主的卫星导航系统是国家的重大国策。北斗卫 星导航系统集导航定位、授时、用户监测、短报文 通信于一体 , 技术体制上有创新。北斗导航验证 系统建成以来 , 已得到各类不同用户的广泛使用 , 性能稳定、使用方便 , 适于不同用户尤其是集团用 户的应用 , 在我国国防建设、森林防火、抗震救灾、 海洋渔业、交通、水利等行业已发挥了重要作用。 北斗扩展区域导航系统和全球导航系统预计 分别在 2011 年和 2020 年 左右建成 , 北斗全球卫 星导航系统面临十分严
32、峻的挑战 , 包括频率资源、 有效载荷、用户系统、市场占有率等。此外 , 北斗 卫星导航系统政策法规和技术标准有待进一步完 善 , 管理与服务观念有待进一步加强。但是可以 预期 , 经过我国广大卫星导航科技工作者和用户 的共同努力 , 北斗导航体系和应用技术都有望取 得新的突破。 北斗全球导航系统建设将注重与其他卫星导 航系统的兼容与互操作 , 无论是频率、坐标系统和 时间系统都将尽量与国际现有技术标准一致 , 于 是北斗导航系统一定是未来国际卫星导航领域的 重要贡献者 ! 参 考文献 : 1 FE NG Y, LI B. A Ben efit of Multiple Carrier GNSS
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40、中国科学 院院士 , 教 C hines e Science Bu lletin, 2009, 54: 2714 2721. 授 , 主要从事大地测量数据处理研究。 12 YANG Y, TANG Y, CHE N C, et al. Integrated Adjus t Fi rst a uthor : YANG Yua nxi ( 1956 ) , ma le, academi ment of Chinese 2000# GPS C on tr ol Netw ork J . Survey cia n of Chi nese Academy of Sci ences, professor,
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42、 a nal ysis. 中国科技期刊影响因子年报发 布 中国知网中国学术期刊 ( 光盘版 ) 电子杂志社和中国科学文献计量评价研究中心于 2009 年底发布 了 %中国科技期刊影响因子年报 &。该年报即为自 2002 年以来出版的 %中国学术期刊综合引证报告 &, 因 为影响因 子是动态、整体反映期刊科技创新影响力的核心指标 , 中国科学文献计量评价研究中心决定将 ! 综合引证报告 改名为 %中国科技期刊影响因子年报 &。其数据来源为 ! 中国知网 所收录的超大样本引 文统计源期刊。 以下为该年报中测绘学学科期刊影响因子统计数据。 学科分类号 : P 2 刊名 测绘学报 测绘科学 大地测量与
43、地球动力学 武汉大学学报 ( 信息科学版 ) 地球信息科学 测绘通报 测绘科学技术学报 测绘信息与工程 测绘工程 测绘 与空间地理信息 地理空间信息 全球定位系统 海洋测绘 测绘学学科期刊影响因子表 ( 2009 版 ) 适用影响因子 ( IF ) 因子 频次 文引用 频次 1. 096 0. 955 1 277 1 029 0. 872 0. 432 1 183 832 0. 830 0. 502 823 229 0. 679 0. 587 1 774 1 010 0. 657 0. 434 476 611 0. 540 0. 462 1 390 1 148 0. 469 0. 388 43
44、2 494 0. 452 0. 289 437 461 0. 436 0. 395 386 367 0. 343 0. 299 374 479 0. 330 0. 251 264 305 0. 328 0. 269 169 154 0. 298 0. 257 270 250 基金论文比 0. 86 0. 52 0. 87 0. 96 0. 77 0. 34 0. 50 0. 40 0. 39 0. 21 0. 35 0. 13 0. 25 研制单位 : 中国知网 ( CNK I) 中国学术期刊 ( 光盘版 ) 电子杂志社 日期 : 2009 年 12 月 21 日 中国科学文献计量评价研究中心 他引影响 总被引 08 年学位论 影响因子