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    全球衛星導航如何“煉成”精準定位?

    2017-09-14 10:07:52 來源: 中華網
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    測繪網訊 日前,我國正式宣布將于今年完成發射6至8顆北斗系統全球組網衛星任務,并將于2018年前后完成18顆衛星發射,率先為“一帶一路”沿線國家提供基本衛星導航服務。預計到2020年,我國的北斗系統將建成具有全球服務能力的世界一流衛星導航系統,并將在監測預警、應急救援等國家突發事件應急體系中發揮重要作用。目前,全球衛星導航技術正得到世界各國的持續高度關注,美國的第三代GPS計劃已經啟動,日本、印度等國也開始投入區域性衛星導航系統研究。全球衛星導航系統究竟是如何“煉成”的,讓我們一探究竟。

    采用導航衛星對地面、海洋、空中和空間用戶進行導航定位的技術。利用太陽、月球和其他自然天體導航已有數千年歷史,由人造天體導航的設想雖然早在19世紀后半期就有人提出,但直到20世紀60年代才開始實現。1964年美國建成“子午儀”衛星導航系統,并交付海軍使用,1967年開始民用。1973年又開始研制“導航星”全球定位系統。蘇聯也建立了類似的衛星導航系統。法國、日本、中國也開展了衛星導航的研究和試驗工作。衛星導航綜合了傳統導航系統的優點,真正實現了各種天氣條件下全球高精度被動式導航定位。特別是時間測距衛星導航系統,不但能提供全球和近地空間連續立體覆蓋、高精度三維定位和測速,而且抗干擾能力強。



    導航定位可不簡單

      一般來說,出門在外的我們要首先知道自己的位置,然后找準方向,選擇最優的路線,才能走入去往目的地的“康莊大道”。以美國GPS系統為例,遨游在太空的導航衛星都是“廣播”衛星,會不斷地用無線電波發送自己的位置和時間,地面上需要導航的用戶只需要利用GPS接收機就可以接收到這些“來自星星”的廣播信號。

      已知3個點的平面坐標及3個點到1未知點的水平距離,就可求解出未知點的位置,當把3個已知點搬入太空成為3顆人造衛星,再同時測得未知點與3顆衛星的距離,就能求解出未知點的位置,這就是常用的“距離后方交會”法。當我們需要解算出自己的方位信息時,相當于需要知道3個位置量和一個時間量,就需要同時接收到4顆以上的衛星信號才有可能進行定位,這也就是全球衛星導航系統都需要組建一個覆蓋全球衛星星座的原因。現有的全球衛星導航系統普遍選用了中高軌道來部署導航星座,不僅實現成本較為低廉,也可以僅憑20到30顆衛星就實現全球的廣播信號覆蓋。

      在一個衛星導航系統內,所有衛星的位置通過準確的測算就可形成衛星軌道星歷,衛星在廣播的時候就會廣播這個位置信息,地面接收機就可據此計算出衛星在特定時刻的準確位置。至于時間這個變量,由于所有的信號都是以光速傳播的電磁波,每顆衛星隨身攜帶的時鐘都異常精準,普遍要達到1000年只差一秒的水平,并由國家授時中心提供時間基準實現統一計時。

      目前除北斗外的三種全球衛星導航系統普遍使用了上述單向、終端自定位技術方案,導航衛星發送報文,終端只負責接收,然后自行解碼出自己所處的位置。這種方案可在絕大多數地點實現定位,但不具備將自身位置信息共享的能力。我國研制的北斗衛星導航系統的定位方式有一定不同,并不是由終端直接接收衛星廣播信號去定位,而是通過終端發送定位請求到地面的服務基站,再由基站通過衛星計算出坐標后發送給終端。通過這種方案,地面基站會保存每個終端的位置,并能提供120字簡短報文雙向通信,可在終端發生緊急情況時通知基站從而得到救援。同時,北斗系統短距離與基站的通信方式還能為在橋底、隧道等地實現高精度定位提供可能。

    深刻影響人類生活


      當然,全球衛星導航系統是一個非常復雜的系統,在實際運行過程中還存在很多影響因素。例如,衛星在廣播過程中所發射的信號要穿過大氣層中的電離層和對流層,會不可避免地造成電磁波時延。一旦信號在傳播路徑上被高樓、高山等障礙物遮擋,極有可能產生多路徑誤差等。因此,利用差分技術來校正測量誤差等實現較好定位精度的導航增強技術應用而生,將進一步提升全球衛星導航系統的實用化水平。

      自美國的GPS系統誕生以來,全球衛星導航系統已經深刻改變了我們的生活,人們對衛星定位的依賴也越來越嚴重。無論是普通民眾還是企業應用,或是更高級的軍事與科研需求,都離不開衛星導航的精準定位。但與此同時,美國通過開發GPS系統,在全球依托其巨大的國際市場建立起新的國際產業。在軍事應用方面,GPS系統面向世界開放的只是民碼,精度比美國軍方使用的軍碼存在較大差距,一旦發生軍事沖突,美軍極有可能將GPS系統服務停止或是發送欺騙碼,將會對使用國的國防和軍事安全產生巨大威脅。

      因此,除美國外,俄羅斯、歐洲、我國甚至印度、日本等都在研發自主的衛星導航系統,著眼的就是本國的導航定位信息安全。北斗系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要,自主建設、獨立運行的衛星導航系統,是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施,目前主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成。早在2000年年底,我國就已經建成北斗一號系統,開始向我國境內提供相關導航定位服務,到2012年年底,我國正式建成可向亞太地區提供服務的北斗二號系統。目前我國已經全面啟動北斗系統第三步即北斗三號系統建設,預計將于2020年前后建成覆蓋全球范圍的北斗全球衛星導航系統。

      未來的北斗三號系統在北斗二號系統基礎上,增加了性能更優、兼容互操作程度更高、用戶體驗更優的服務信號,高精度時空信息服務能力將得到大幅提升,為加快構建我國綜合定位導航授時體系提供了強有力的技術支撐。同時,北斗系統將在災難救援、國防安全、經濟發展等領域發揮重要作用。北斗導航系統的建設將帶動涉及工業、農業、商業、交通、服務業等眾多軍民用領域快速發展,產生的安全效益、社會效益和經濟效益將愈發顯著。(測繪網 小會)

       聲明:中測網登載此文出于傳遞更多信息之目的,并不意味著贊同其觀點或證實其描述,文章內容僅供參考。

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