太空指南靠绝招
  导航是将载体从一个位置引导到另一个位置的过程。人类发明了多种定位和定向方法,如根据夜空中的北斗七星确认方向,利用司南和罗盘等装置确定方位。随着科技的发展,出现了许多新的导航技术。例如,惯性导航、天文导航、无线电导航以及组合导航。从目前看,卫星导航是最佳的技术,它实质是把无线电导航台搬到太空上,用卫星作为空间基准点,增加覆盖范围。它能克服地面无线电导航台传播距离有限的先天不足,不受气象条件、航行距离的限制,导航精度比较高。卫星导航技术目前分两大类。
  类是采用多普勒测速原理,即用户根据接收到的卫星信号的多普勒频移曲线、导航卫星的轨道参数,推算出用户位置。美國建造的世界第一个卫星导航系统——“子午仪”采用这种方式。其主要缺点是不能连续实时导航,两次定位的时间间隔太长,只能提供二维定位,对高速移动物体测量误差大,现已基本没有这种导航卫星了。
  另一类卫星导航采用时间测距原理,即用户首先测量来自天上几颗导航卫星发来信号的传播时间,完成数学运算,得出用户的三维坐标与速度。
  这类卫星又分为有源(主动式)和无源(被动式)两种。简单说,有源就像对讲机,对讲机有发射有接收,这就是有源的,导航的计算通过卫星转到地面站算。无源的是光收卫星的信号,自己在那儿算就可以了。它们之间的差别就相当于对讲机和收音机一样。
  采用有源时间测距定位技术时,用户终端主动通过导航卫星向地面控制中心发出定位申请信号,地面控制中心发出测距信号,根据信号传输的时间测定用户到两颗卫星的距离,推算出用户位置,最终发送到用户终端。采用无源时间测距定位技术时,用户被动测量来自至少4颗导航卫星发出的信号,根据信号时间差通过数学运算得到用户的三维坐标与速度。
  我國先期的“北斗”卫星导航试验系统采用有源方式。美國的GPS、俄罗斯的GLONASS、我國在建的“北斗”卫星导航系统和欧洲的“伽利略”卫星导航系统都采用无源方式,为用户提供全天候、高精度、全球、连续和实时的三维位置、三维速度和精确时间信息。
  根据信号覆盖范围,卫星导航系统还可分为区域性和全球性两种,“北斗”卫星导航试验系统以及日本、印度在建的卫星导航系统属于前者,美國的CPS、俄罗斯的GLONASS、我國的“北斗”以及欧洲的“伽利略”属于后者。
  循序渐进三步走
  我國的“北斗”卫星导航系统建设分为三个阶段实施。
  第一阶段是用少量地球静止轨道卫星完成试验任务,即建设个区域性有源卫星导航系统。1994年“北斗”卫星导航试验系统建设启动,2000年10月31日、12月21日,先后发射了第一颗和第二颗“北斗”导航试验卫星,“北斗”卫星导航试验系统初步建成,形成了区域有源服务能力,结束了我國长期依赖國外卫星导航系统的历史,成为继美國、俄罗斯之后,世界上第三个拥有自主卫旱导航系统的國家。2003年5月25日,我國又发射了第三颗“北斗”导航试验卫星,进一步增强了“北斗”卫星导航试验系统的性能。
  第二阶段是建设一个覆盖我國及周边國家的区域性无源卫星导航系统。2007年至2012年6月,13颗“北斗”导航卫星相继升空。2011年12月27日开始向亚太地区用户提供试运行服务,主要服务区为东经84°~160°,南纬55°~北纬55°之间的大部分区域;定位精度为平面25米,高程30米;测速精度为0.4米/秒;授时精度为50纳秒。今年年底,我國将建成由5颗地球静止轨道卫星和9颗非地球静止轨道卫星组成的“北斗”区域性卫星导航系统(主要用于定位、测速、单双向授时、短报文通信,定位精度优于10米,测速精度优于0.2米/秒,授时精度50纳秒,短报文通信120个汉字/次),服务中國及部分亚太区域。
  第三阶段是再建一个全球性无源卫星导航系统。2020年我國将建成由30余颗卫星组成的“北斗”全球卫星导航系统,独立为全球用户提供高质量的免费服务,促进各卫星导航系统间的兼容与互操作。
  简言之,我國卫星导航系统建设的“三步走”是从区域性有源服务到区域性无源服务,再到全球性无源服务。到2020年,在全球无源卫星导航系统中,我國的“北斗”将与美國的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的“伽利略”形成四足鼎立的局面。
  双星定位有特色
  第一阶段的“北斗”试验卫星导航系统独具中國特色。它由“北斗”导航试验卫星、地面控制中心站为主的地面部分和“北斗”用户终端三部分组成。由于只需要发射2颗地球静止轨道卫星就能导航定位,所以也叫双星定位系统。虽然这一新颖方案最早是由美國吉奥星公司提出来的,但美國和欧洲的公司在该方案的实施过程中均遭失败,目前只有我國在世界上建成了双星定位系统。
  “北斗”卫星导航试验系统的3颗地球静止轨道卫星(其中有1颗用于备份增强)设计寿命8年。地面控制部分由地面控制中心和若干标校站组成,主要完成卫星轨道确定、电离层校正、用户位置确定及用户短报文信息交换等处理任务;标校站为地面控制中心提供距离观测量和校正参数。用户终端部分包括手持型、车载型和指挥型等,具有定位申请发射和位置坐标信息接收等功能。
  “北斗”试验卫星导航系统的优点是周期短、投资少,满足了中國5000千米×5000千米区域连续、实时定位的要求,满足了20米定位精度,与2000年当时的GPS民码相当,满足了既能定位又能位置报告,而且响应时间为1秒的要求,这成为优于GPS的一大亮点,世界上还没有超越我们这个响应时间为1秒的系统,它将是航空、航海等领域生命救援的宝贵资源。更重要的是创立了完善的双星定位工程理论,为21世纪用户位置信息共享树立了典范。
  自2003年“北斗”卫星导航试验系统正式提供服务以来,已在民用诸多领域被广泛应用,社会效益和经济效益显著。特别是在南方冰冻灾害、四川汶川和青海玉树抗震救灾、北京奥运会以及上海世博会中发挥了重要作用,比美國GPS还实用。
  当用户向“北斗”提出申请或按预定间隔时间进行定位时,不仅用户能知道自己的测定位置,而且其调度指挥或其它有关单位也可得知用户所在位置。这些特色特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户,如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。采用有源卫星定位方式的不足是系统的用户容量有限,保密性差。   

目前正在建造的“北斗”卫星导航系统由空间段、地面控制和用户终端三部分组成。
  空间段最终由5颗地球静止轨道卫星和30颗非地球静止轨道卫星组成,不仅增加了卫星数量,提高了导航定位精度,还保留了“北斗”导航试验卫星的通信功能。运行在非地球静止轨道的“北斗”导航卫星包括27颗中圆地球轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星,其中中圆地球轨道卫星的轨道高度为21500千米,分布在3个轨道面上,是卫星导航的主力;倾斜地球同步轨道卫星轨道高度36000千米,均匀分布在3个倾斜地球同步轨道面上,用于增加覆盖面。
  地面控制部分由若干主控站、注入站和监测站组成。主控站收集各个监测站的观测数据,进行数据处理,生成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息,完成任务规划与调度,实现系统运行控制与管理等;注入站主要是在主控站的统一调度下,完成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息注入,有效载荷的控制管理;监测站对导航卫星进行连续跟踪监测,接收导航信号,发送给主控站。
  用户终端由各类“北斗”用户终端,以及与其它卫星导航系统兼容的终端组成,满足不同领域和行业的应用需求。
  “北斗”卫星导航系统博采众长,吸收了美國GPS和俄罗斯GLONASS的优点。例如,它与GPS一样,采用码分多址方式传输信息,而不是像GLONASS频分多址方式,能大大降低用户接收机的成本,有利于地面应用:在卫星入轨方式和星座优化设计上,它又不像GPS那样把卫星布置在6个轨道面上,而是与GLONASS一样,采用3个轨道面均匀分布的对称星座设计,有利于“一箭多星”发射,降低发射成本。与GPS、GLONASS相比,“北斗”星座采用3种混合轨道,能为用户提供更多可见卫星,可支持更长的连续观测时间和更高精度。其全球定位精度可与GPS相抗衡,亚太地区定位精度甚至会更高。
  “北斗”卫星导航系统建成后,为全球用户授时精度将提高到20纳秒,为我國及周边地区用户提供定位精度1米的广域差分服务和120个汉字/次的短报文通信服务。
  该系统将向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,包括开放服务和授权服务。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供全球范围更高性能的导航定位服务,以及亚太地区的广域差分服务(精度为1米)和短报文通信服务。
  “北斗”定位精度与GPS相当,但比GPS多一个重要功能——发送短报文,可把导航与通信紧密结合起来。另外,“北斗”与其它卫星导航系统之间可兼容与互操作,促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用。
  总而言之,“北斗”卫星导航系统具有如下特点。
  它由区域导航定位逐渐转向全球导航定位,突出区域服务能力,对我國进行区域增强。
  星座中的地球静止轨道卫星能发射“北斗”导航卫星、GPS、“伽利略”广域差分信息和完好性信息,使差分定位精度达到1米。“北斗”多模用户机可以接收“北斗”、GPS、“伽利略”信号。
  在通信信号盲区发送短信是“北斗”的独门绝技。它还突出位置报告与短电文通信功能,其定位与位置报告最短完成时间为1秒,定位与指挥调度集于一身,摆脱了”先定位再报告”的若干苦恼与弊病。
  “北斗”用户与用户之间可以实现数据交换。(转中国兵器)


2017年08月11日

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