带你认识中国北斗卫星导航系统

2015-07-28 10:43 编辑视点   来源:中国测控网

导读中国从上个世纪70年代就开始布局卫星导航计划,七五规划中提出了“新四星”。80年代初期,以成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案,这是当时公认的最优方案,但因经济条件等种种原因又搁置了十年。1991年,海湾战争中美国GPS在作战中的应用非常成功,也就是从这一刻开始,中国的决策层开始深刻意识到卫星导航系统在未来战争中的重要作用,被搁置十年的双星定位方案又开始启动。  

近日,中国再次一箭双星,北斗家族又增加了两个新成员。随着北斗卫星导航系统的逐步完善,以及应用技术的不断提升,加强北斗品牌建设,让北斗系统深入人心,使得绝大部分中国人都知道北斗的内容和核心,成为我们义不容辞的使命和责任。

全球四大卫星导航系统

美国GPS,俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略、中国北斗,并称世界四大卫星导航系统。

GPS是英文Global PositioNIng System(全球定位系统)的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目,1964年投入使用。20世纪70年代,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。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,并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

格洛纳斯(GLONASS),是俄语“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写。格洛纳斯卫星导航系统作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统和中国的北斗卫星导航系统。该系统最早开发于苏联时期,后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯 1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。该系统于2007年开始运营,当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年,其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。

伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system),是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统,该计划于1999年2月由欧洲委员会公布,欧洲委员会和欧空局共同负责。系统由轨道高度为23616km的30颗卫星组成,其中27颗工作星,3颗备份星。卫星轨道高度约2.4万公里,位于3个倾角为56度的轨道平面内。2014年8月,伽利略全球卫星导航系统第二批一颗卫星成功发射升空,太空中已有的6颗正式的伽利略系统卫星,可以组成网络,初步发挥地面精确定位的功能。该项目总共将发射32颗卫星,总投入达34亿欧元。因各成员国存在分歧,计划已几经推迟。

中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)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10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。

中国北斗之路

中国从上个世纪70年代就开始布局卫星导航计划,七五规划中提出了“新四星”。80年代初期,以成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案,这是当时公认的最优方案,但因经济条件等种种原因又搁置了十年。1991年,海湾战争中美国GPS在作战中的应用非常成功,也就是从这一刻开始,中国的决策层开始深刻意识到卫星导航系统在未来战争中的重要作用,被搁置十年的双星定位方案又开始启动。

中国选择研发北斗,GPS带来的军事压力是主要因素。众所周知,虽然GPS对全球免费开放了民用系统,但是军用系统的精度是民用系统无法比拟的。而且所谓免费开放,事实上源于GPS自身特定原因,因为它是单向通讯卫星,也就是只管发射信号,到底谁接收了,它根本不知道。因为民用领域对于技术的简单化和接收设备的便捷化要求,使得它的加密非常容易被破解,因此精明的美国人索性大度地让全球共享民用系统,从而在国家软实力方面更胜一筹。随着全球卫星定位系统在军事方面和民事方面的应用日渐广泛,中国作为发展中的大国,自然不能对此无动于衷,奋起赶超成为唯一出路。

北斗一代选择了双星定位路线,那么静止的高轨道是必然选择。既然这两颗卫星是静止轨道的,自然可以与国际通信卫星一样完成通信任务,于是既能定位又能通信就被设计成为了北斗一代的技术特点,而GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的。但是由于这两颗星的轨道很高,导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低,于是多普勒效应就不明显,其定位精度自然远远比不过GPS,而通讯功能又比不过海事卫星,于是中国又提出了北斗二代计划。

北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星,形成全球性的定位导航系统,比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星,主要是完成短信任务的,其它30颗跟美国GPS的30颗一样,都是中轨道的运动卫星。虽然现在还没有把35颗卫星打全,但亚太地区的北斗二代定位导航网络已经建并投入使用。GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗,它们各在太空上织就了一张网,GPS网眼最密处是在美国上空,北斗二代网眼最密处在中国上空。因此,加拿大和墨西哥当然会选择GPS,而对于亚太国家来说北斗却更有优势。

北斗二代定位原理

北斗卫星定位系统接收机可接收到可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);以及北斗卫星定位系统信息,如卫星状况等。

北斗卫星定位系统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20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。

北斗卫星定位系统接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,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,北斗卫星定位系统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。

北斗卫星定位系统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。

八大应用领域

北斗卫星导航系统提供服务以来,我国卫星导航应用在理论研究、应用技术研发、接收机制造及应用与服务等方面取得了长足进步。随着北斗卫星导航系统建设和服务能力的发展,已形成了基础产品、应用终端、系统应用和运营服务比较完整的应用产业体系。国产北斗核心芯片、模块等关键技术全面突破,性能指标与国际同类产品相当。相关产品已逐步使用推广到交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾等诸多领域,正在产生广泛的社会和经济效益。特别是在南方冰冻灾害、四川汶川、芦山和青海玉树抗震救灾、北京奥运会以及上海世博会期间发挥了重要作用。

在交通运输方面,北斗系统广泛应用于重点运输过程监控管理、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;在海洋渔业方面,基于北斗系统,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;在水文监测方面,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,为制订防洪抗旱调度方案提供重要支持;在气象预报方面,成功研制一系列气象测报型北斗终端设备,启动“大气海洋和空间监测预警示范应用”,形成实用可行的系统应用解决方案,实现气象站之间的数字报文自动传输;在森林防火方面,成功应用于森林防火,定位与短报文通信功能在实际应用中发挥了较大作用;在通信时统方面,成功开展北斗双向授时应用示范,突破光纤拉远等关键技术,研制出一体化卫星授时系统;在电力调度方面,成功开展基于北斗的电力时间同步应用示范,为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件;在救灾减灾方面,基于北斗系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能,提供全国范围的实时救灾指挥调度、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。

相关专业名词

通讯卫星。通信卫星无线电通讯中继站,收集来自地面的各种“信件”,然后再“投递”到另一个地方的用户手里。由于它是“站”在36000 公里的高空,所以它的“投递”覆盖面特别大,一颗卫星就可以负责 1/3地球表面的通讯。如果在地球静止轨道上均匀地放置三颗通讯卫星,便可以实现除南北极之外的全球通讯。

频移现象与多普勒效应。 1842年,奥地利数学家、物理学家多普雷路过铁路交叉处,恰逢一列火车从他身旁驰过,他发现火车从远而近时汽笛声变响,音调变尖,而火车从近而远时汽笛声变弱,音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣,并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动,使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是频移现象。因为,声源相对于观测者在运动时,观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时,声波的波长增加,音调变得低沉,当声源接近观测者时,声波的波长减小,音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大,改变就越显著,后人把它称为“多普勒效应”。

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