来自 国际文化 2019-02-23 17:19 的文章
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卫星导航产业简介

  卫星导航与位置服务产业是在全球信息技术浪潮中迅速崛起的新兴产业,被誉为继移动通信和互联网之后第三大最具发展潜力的IT产业。随着经济全球化、全球信息化进程的加快,卫星导航与位置服务产业已成为世界主要国家抢占新一轮战略制高点的重要突破口。

  目前,世界上成熟的卫星导航系统有美国的GPS系统,俄罗斯的GLONASS系统,中国的COMPASS(北斗)系统,欧洲的伽利略系统。我国卫星导航与位置服务产业正伴随着北斗卫星导航系统的稳步建设迈向新的大发展阶段。

  卫星导航原理。跟踪卫星的轨道位置和系统时间实现地面导航。利用位于地面的主控站与其运控段一起,至少每天一次对每颗卫星注入校正数据。注入数据包括,星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的,可在几个星期内保持有效。

  卫星导航系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时(UTC)的几纳秒以内,UTC是由美国海军观象台的“主钟”保持的,每台主钟的稳定性为若干个10^-13秒。卫星早期采用两部铯频标和两部铷频标,后来逐步改变为更多地采用铷频标。通常,在任一指定时间内,每颗卫星上只有一台频标在工作。卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差,称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差,伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。

  由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,使得民用的定位精度只有数十米量级。为提高定位精度,普遍采用差分定位技术(如DGPS、DGNSS),建立地面基准站 (差分台)进行卫星观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分定位技术,定位精度可提高到米级。

  美国陆海空三军在20世纪70年代开始研制的全球卫星定位导航系统。历时20年,1994年完成建设。 Global Positioning System(全球定位系统)的空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星;3颗备用卫星),它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗),轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存导航信息。

  前苏联从20世纪80年代开始研制的全球卫星定位导航系统。1995年完成组网工作建设。GLONASS的空间部分也是由24颗卫星组成,它位于距地表19100km的上空,均匀分布在3 个轨道面上(每个轨道面8 颗),轨道倾角为64.8°。(由于目前实际在轨的只有17颗卫星,因此不能达到全球定位)。

  “伽利略”系统是欧洲从2005年开始研制的卫星定位导航系统。空间部分是由30颗卫星组成(27颗工作卫星,3颗备份),它位于距地表24126km的上空,均匀分布在3 个轨道面上,轨道倾角为56°。 目前尚未完成组网。

  北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。采用“东方红”-3号卫星平台。30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成,27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上,轨道高度21500公里;5颗静止轨道卫星轨道高度为36000公里。

  北斗卫星导航系统定位原理。35颗卫星在离地面2万多千米的高空上,以固定的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

  由于卫星的位置精确可知,在接收机对卫星观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。

  事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。

  卫星定位实施的是“到达时间差”(时延)的概念:利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。

  卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号,供接收机接收。由于传输的距离因素,接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟,通常称之为时延,因此,也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码,一旦两个码实现时间同步,接收机便能测定时延;将时延乘上光速,便能得到距离。

  每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间,而全球监测站网保持连续跟踪。《下一篇》

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