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全球卫星导航如何“炼成”?
来源:学习时报    作者:张乃千 王红翠    2017-09-13 07:26:59

  日前,我国正式宣布将于今年完成发射6至8颗北斗系统全球组网卫星任务,并将于2018年前后完成18颗卫星发射,率先为“一带一路”沿线国家提供基本卫星导航服务。预计到2020年,我国的北斗系统将建成具有全球服务能力的世界一流卫星导航系统,并将在监测预警、应急救援等国家突发事件应急体系中发挥重要作用。目前,全球卫星导航技术正得到世界各国的持续高度关注,美国的第三代GPS计划已经启动,日本、印度等国也开始投入区域性卫星导航系统研究。全球卫星导航系统究竟是如何“炼成”的,让我们一探究竟。

  导航定位可不简单

  一般来说,出门在外的我们要首先知道自己的位置,然后找准方向,选择最优的路线,才能走入去往目的地的“康庄大道”。以美国GPS系统为例,遨游在太空的导航卫星都是“广播”卫星,会不断地用无线电波发送自己的位置和时间,地面上需要导航的用户只需要利用GPS接收机就可以接收到这些“来自星星”的广播信号。

  已知3个点的平面坐标及3个点到1未知点的水平距离,就可求解出未知点的位置,当把3个已知点搬入太空成为3颗人造卫星,再同时测得未知点与3颗卫星的距离,就能求解出未知点的位置,这就是常用的“距离后方交会”法。当我们需要解算出自己的方位信息时,相当于需要知道3个位置量和一个时间量,就需要同时接收到4颗以上的卫星信号才有可能进行定位,这也就是全球卫星导航系统都需要组建一个覆盖全球卫星星座的原因。现有的全球卫星导航系统普遍选用了中高轨道来部署导航星座,不仅实现成本较为低廉,也可以仅凭20到30颗卫星就实现全球的广播信号覆盖。

  在一个卫星导航系统内,所有卫星的位置通过准确的测算就可形成卫星轨道星历,卫星在广播的时候就会广播这个位置信息,地面接收机就可据此计算出卫星在特定时刻的准确位置。至于时间这个变量,由于所有的信号都是以光速传播的电磁波,每颗卫星随身携带的时钟都异常精准,普遍要达到1000年只差一秒的水平,并由国家授时中心提供时间基准实现统一计时。

  目前除北斗外的三种全球卫星导航系统普遍使用了上述单向、终端自定位技术方案,导航卫星发送报文,终端只负责接收,然后自行解码出自己所处的位置。这种方案可在绝大多数地点实现定位,但不具备将自身位置信息共享的能力。我国研制的北斗卫星导航系统的定位方式有一定不同,并不是由终端直接接收卫星广播信号去定位,而是通过终端发送定位请求到地面的服务基站,再由基站通过卫星计算出坐标后发送给终端。通过这种方案,地面基站会保存每个终端的位置,并能提供120字简短报文双向通信,可在终端发生紧急情况时通知基站从而得到救援。同时,北斗系统短距离与基站的通信方式还能为在桥底、隧道等地实现高精度定位提供可能。

  深刻影响人类生活

  当然,全球卫星导航系统是一个非常复杂的系统,在实际运行过程中还存在很多影响因素。例如,卫星在广播过程中所发射的信号要穿过大气层中的电离层和对流层,会不可避免地造成电磁波时延。一旦信号在传播路径上被高楼、高山等障碍物遮挡,极有可能产生多路径误差等。因此,利用差分技术来校正测量误差等实现较好定位精度的导航增强技术应用而生,将进一步提升全球卫星导航系统的实用化水平。

  自美国的GPS系统诞生以来,全球卫星导航系统已经深刻改变了我们的生活,人们对卫星定位的依赖也越来越严重。无论是普通民众还是企业应用,或是更高级的军事与科研需求,都离不开卫星导航的精准定位。但与此同时,美国通过开发GPS系统,在全球依托其巨大的国际市场建立起新的国际产业。在军事应用方面,GPS系统面向世界开放的只是民码,精度比美国军方使用的军码存在较大差距,一旦发生军事冲突,美军极有可能将GPS系统服务停止或是发送欺骗码,将会对使用国的国防和军事安全产生巨大威胁。

  因此,除美国外,俄罗斯、欧洲、我国甚至印度、日本等都在研发自主的卫星导航系统,着眼的就是本国的导航定位信息安全。北斗系统是我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,目前主要由空间段、地面段和用户段三部分组成。早在2000年年底,我国就已经建成北斗一号系统,开始向我国境内提供相关导航定位服务,到2012年年底,我国正式建成可向亚太地区提供服务的北斗二号系统。目前我国已经全面启动北斗系统第三步即北斗三号系统建设,预计将于2020年前后建成覆盖全球范围的北斗全球卫星导航系统。

  未来的北斗三号系统在北斗二号系统基础上,增加了性能更优、兼容互操作程度更高、用户体验更优的服务信号,高精度时空信息服务能力将得到大幅提升,为加快构建我国综合定位导航授时体系提供了强有力的技术支撑。同时,北斗系统将在灾难救援、国防安全、经济发展等领域发挥重要作用。北斗导航系统的建设将带动涉及工业、农业、商业、交通、服务业等众多军民用领域快速发展,产生的安全效益、社会效益和经济效益将愈发显著。

  (文章来源:学习时报)

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