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衛星導航系統

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衛星導航系統,主要採用GPS技術在導航通訊領域的應用系統。衛星導航全球性大眾化民用剛剛開始,有百種應用類型。衛星導航的生命期至少有50年,GPS概念的提出已有三十年,真正應用只有十來年,現在GPS現代化,GPS III新階段,延續到2020年。GPS國際協會已統計出GPS的117種不同類型的應用。衛星導航系統已經在大量應用中廣泛使用,而且總的發展趨勢是為實時應用提供高精度服務。

1 衛星導航系統 -簡介

衛星導航系統衛星導航系統

衛星導航系統,是「全球衛星導航系統(GNSS)」。又稱天基PNT系統,其關鍵作用是提供時間/空間基準和所有與位置相關的實時動態信息,業已成為國家重大的空間和信息化基礎設施,也成為體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標誌。

世界各主要大國都競相發展獨立自主的衛星導航系統。估計在2020年前,全世界將有四大全球導航衛星系統(GNSS):現有的美國GPS和俄羅斯GLONASS,歐盟計劃在2013年建成的GALILEO(伽利略)系統,以及中國正在建設的第二代衛星導航系統(COMPASS)。

全球定位系統(GPS)是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研製的新一代空間衛星導航定位系統。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務,並用於情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的,是美國獨霸全球戰略的重要組成。

中國這個要逐步擴展為全球衛星導航系統的北斗導航系統(COMPASS),將主要用於國家經濟建設,為中國的交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安以及其他特殊行業提供高效的導航定位服務。建設中的中國北斗導航系統(COMPASS)空間段計劃由五顆靜止軌道衛星和三十顆非靜止軌道衛星組成,提供兩種服務方式,即開放服務和授權服務。北斗衛星將逐步擴展為全球衛星導航系。中國將陸續發射系列北斗導航衛星,逐步擴展為全球衛星導航系統。

2 衛星導航系統 -發展歷史

衛星導航系統衛星導航系統

從GPS發展到系統之系統的GNSS,應該說是一種巨大的進步。實際上,GPS從投入正式工作后,於1996年便開始其現代化計劃,2000年5月1日取消其人為惡化民用信號精度的可用性選擇(SA)之舉措,標誌著現代化計劃進入實施階段,並預計在2013年完成,現在(2012年)已經啟動新一代的GPSIII,後者計劃在2020年完成,星座衛星數量為30個,屆時有可能繼續成為世界上最先進的系統。GLONASS正在逐步恢復階段,預計在2011年達到額定24顆星的工作狀況,GLONASS也在開展現代化計劃,在2010年發射其利用CDMA編碼的GLONASS-K,實現與GPS/GALILEO在L1頻點上的兼容與互用,其現代化計劃預計在2017年完成,星座衛星數量達到30顆。GALILEO系統預期在2013年完成部署,投入運行,它將與GPS在L1和L5頻點上實現兼容和互用。中國的BD-2區域衛星導航系統,由12顆衛星組成,計劃在2010年建成,並擇機啟動全球系統建設,估計建成期為2020年,星座衛星數量為30個。

全球衛星導航系統及其產業經歷過三大轉變:從單一的GPS時代轉變為多星座並存兼容的GNSS新時代,導致衛星導航體系全球化和增強多模化;從以衛星導航為應用主體轉變為PNT(定位、導航、授時)與移動通信和網際網路等信息載體融合的新階段,導致信息融合化和產業一體化;從經銷應用產品為主逐步轉變為運營服務為主的新局面,導致應用規模化和服務大眾化。三大趨勢發展的直接結果是使應用領域擴大,應用規模躍升,大眾化市場和產業化服務迅速形成。

3 衛星導航系統 -原理

衛星導航系統衛星導航系統

有超過24顆GPS衛星在離地面1萬2千公里的高空上,以12小時的周期環繞地球運行,使得在任意時刻,在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。 

由於衛星的位置精確可知,人們可得到衛星到接收機的距離,利用三維坐標中的距離公式,利用3顆衛星,就可以組成3個方程式,解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差,實際上有4個未知數,X、Y、Z和鐘差,因而需要引入第4顆衛星,形成4個方程式進行求解,從而得到觀測點的經緯度和高程。 

事實上,接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星,這時,接收機可按衛星的星座分佈分成若干組,每組4顆,然後通過演算法挑選出誤差最小的一組用作定位,從而提高精度。 

由於衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差,大氣對流層、電離層對信號的影響,以及人為的SA保護政策,使得民用導航定位精度只有100米。為提高定位精度,普遍採用差分GPS(DGPS)技術,建立基準站(差分台)進行GPS觀測,利用已知的基準站精確坐標,與觀測值進行比較,從而得出一修正數,並對外發布。接收機收到該修正數后,與自身的觀測值進行比較,消去大部分誤差,得到一個比較準確的位置。實驗表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。

4 衛星導航系統 -代表

衛星導航系統伽利略衛星導航系統

美國:全球定位系統(GPS),截止2011年唯一覆蓋全球的系統。世界應用最為廣泛也最為成熟的衛星導航定位系統。研發GPS系統始於1973年,其初衷是為美國的核潛艇等核打擊力量提供全球定位和導航。1991年海灣戰爭期間,剛剛試運行的GPS曾大展身手,那是GPS第一次廣泛用於戰爭。  

俄羅斯:全球導航衛星系統(GLONASS),截止2011年只覆蓋俄羅斯境內。 

中國:北斗衛星導航系統,截止2011年只覆蓋中國境內,但現時發展中北斗二號導航系統,2012年左右覆蓋亞太地區,2020年左右覆蓋全球。 

歐盟:伽利略定位系統,以天文學家伽利略的名字命名,初衷是為歐洲國家提供一個獨立於美國GPS和俄羅斯格洛納斯之外的高精度定位導航系統,使歐盟在衛星導航問題上擺脫對美國和俄羅斯的依賴,實現自主獨立。伽利略系統的技術水平將高於GPS和格洛納斯。比如,其精度甚至可以達到一米級別。 

日本:准天頂衛星系統(QZSS),服務只覆蓋於東亞地區,預計由三機組成,但截止2011年只發射了初號機導引號。

5 衛星導航系統 -應用

精細農業、科學研究(野外生物學、氣象學、地球科學)、環境監測、突發事件和災害評估、安全保障、天體與建築工程和自然資源分析的定位。衛星導航系統為人類帶來了巨大的社會和經濟效益。

衛星導航的應用是建立導航衛星系統的根本出發點,也是其最終的歸宿。通常衛星導航的應用市場可以分為三大方面,是專業市場、批量市場和安防市場。全球衛星導航系統,從應用的角度可分成以下10類加以簡述,這就是:航空、航海、通信、人員跟蹤、消費娛樂、測繪、授時、車輛監控管理,和汽車導航與信息服務。

衛星導航系統子午儀衛星導航系統

1. 航空:歐洲的Galileo便是新建的全球導航星座,它與GPS配合起來,可以大大提高導航衛星的可用性,使單一的GPS市區可用性從55%提高到GPS/Galileo共用時的95%。GPS技術建立廣域增強系統(WAAS)逐步代替原先的微波著陸/儀錶著陸系統,美國的WAAS系統計劃在2003年下半年運營,地面改正數據可以通過靜地衛星轉發給飛機。

2. 航海:衛星導航接收機廣泛地用於海上行駛的各類船隻,DGPS則廣泛地用於沿岸與進港,以及內河行駛的船隻,精度可達到2-3m。在衛星導航接收機與無線通信手段集成后,該系統便成為一個位置報告系統和緊急救援系統。許多漁船將GPS與雷達和魚探器結合在一起,產生明顯的經濟效益。

3. 通信與導航的融合:衛星導航接收機與無線電通信機的結合是自然發生的,這種融合產生的意義是非常深遠的。實際上,這是移動計算機(PDA)、蜂窩電話和GPS接收機的系統集成和完美整合。

4. 人員跟蹤:個人跟蹤的應用需求與E911這類導航手機或稱定位手機思路相似,但其產品類型和主要功能定位則與它們大相徑庭。首先要求其體積和功耗要小,便於隱藏或佩帶,如手錶之類。其應用功能可以由中心加以激活或啟動,以利於獲取佩帶者所在位置。

5. 消費娛樂:徒步旅行者、獵人、越野滑雪者,野外工作人員和戶外活動者常應用袋式GPS定位器,配上電子地圖,可以在草原、大漠、鄉間、山野或無人區內找到自己的目的地。

6. 測繪:GPS測繪還可用於繪圖、地藉測量、地球板塊測量、火山活動監測、GIS領域、大橋監測、水壩監測、滑坡監測、大型建築物監測等。這種測量技術的實時動態化(RTK)可以用于海洋河道公路測量,以及礦山、大型工程建設工地等作為自動化管理和機械控制。 

7. 授時:GPS設備還用於作為時間同步裝置,特別是作為交易處理定時(如在ATM機中)和通信網路中應用。

8. 車輛監控管理 

9. 汽車導航與信息服務 

10. 其它

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