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“北斗”卫星导航的奥秘
来源:新华网  时间: 2013-01-14 20:10


  新闻背景
  日前有关方面宣布, “北斗”卫星导航系统于去年底正式向亚太大部分地区提供连续无源定位、导航、授时等服务。
  自2011年12月27日“北斗”卫星导航系统提供试运行服务以来,该系统运行稳定,已逐步拓展到交通运输、气象、渔业、林业、电信、水利、测绘等应用领域,产生了显著的经济、社会效益。在中国科协与中国航天科技集团五院联合举办的“科学家与媒体面对面――再次走近‘北斗’”活动中,权威专家介绍了有关“北斗”导航的奥秘。
  空间段、地面段、用户段
  导航系统分三部分
  卫星导航系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。其中空间段由分布在不同轨道的14颗卫星组成,即由5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星组成“北斗”区域性导航卫星星座。在这个星座中,5颗地球静止轨道卫星+5颗倾斜地球同步轨道卫星是核心,一旦有卫星失效或者处于在轨维修状态,4颗中圆轨道卫星可以起到部分替代作用。“北斗”导航卫星总设计师杨慧表示,对于限定区域的服务区而言,“5+5+4”的混合星座结构具有最佳的“鲁棒性”(即稳健性)和经济性,最符合“少花钱多办事”的原则。
  地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。而用户段由北斗用户终端以及与其它导航系统相互兼容的终端组成。
  “北斗”区域卫星导航系统的主要功能是:定位、测速、单双向授时、短报文通信;服务区域为中国及部分亚太地区;定位精度优于10米;测速精度优于0.2米/秒;授时精度50纳秒;短报文通信120个汉字/次。
  多普勒测速导航、时间距离导航
  卫星导航方法有两种
  卫星导航的方法有两种,一种是多普勒测速导航,另一种是时间距离导航。
  所谓多普勒测速导航的原理是,导航卫星发出的无线电频率是不变的,但由于导航卫星在高速运动,相对地面的观测者来说,频率会发生变化。由远而近时,频率会增高;由近而远时,频率会降低,这与我们站在铁路旁听火车汽笛声一样,由远而近时,声音越来越尖锐;由近远去时,声音越来越低沉。这种现象被称为多普勒效应。飞机、轮船、车辆等用户,通过测量导航卫星无线电波的多普勒频移,就可以推算自己与导航卫星之间的距离变化率。
  所谓时间距离导航的原理是,用户通过测量从导航卫星发出的导航信号的传播时间,推算自己与导航卫星之间的距离,从而确定自己的瞬时所在位置。
  目前,卫星导航系统已经发展到第二代,第一代采用多普勒测速定位,而第二代采用时间测速导航定位。
  卫星导航系统又分有源(主动式)和无源(被动式)两种,区别在于,前者的用户端需要主动发出信号,而后者的用户端只需被动接收信号。
  全球导航网至少需要18颗星
  高精度定位要同时看到4颗星
  卫星导航的精度是由卫星的数量决定的。如果导航对象同时只能观测到一颗卫星,根据卫星和自身的相对运动轨迹来判断自身的位置,那么,精确的定位往往要持续一段时间才能做出。由于这期间导航对象处于运动中,导航精度就必然产生很大的误差。在卫星数量少的情况下,高精度的定位必须在停止运动的情况下才能做出,显然这是不现实的。
  根据卫星导航原理,最基本的全球导航网至少需要18颗卫星来维持,再加上必要的候补卫星,同时要有近30颗卫星在轨,才能可靠地对全球99%以上的地区提供导航信号。
  如此之多的导航卫星,可以在天空没有遮挡的情况下,保证地球上的用户任何时候都能接收到来自4颗卫星的信号。每个信号源都可以测出从卫星到用户的时间,再乘以光速(无线电波的速度)就是到卫星的距离。根据简单的数学原理,两个球面交会于弧线,三个球面交会于点,所以同时取得三个卫星信号就能够确定任何一点的坐标。为了保证用户的时钟和卫星时钟一致,第四个卫星信号可以用来校正系统时间,于是4个卫星信号就可以保证高精度的定位。再通过对卫星信号变化率的测量,用户就能知道当下的运行方向和速度。
  引力变化、太阳影响、相对论效应
  计算卫星轨道极其复杂
  卫星的轨道数据是预先设定好的,但也在缓慢变动,所以,任何一个时刻卫星的位置也是个变量。为了保证三个“球面”的球心位置准确,卫星发送的导航信号实际上是一段内容丰富的电文,向用户随时通报卫星的位置。
  卫星本身不具备计算能力,所以分布在全球的测控站必须随时监测卫星的运行,根据各种环境的微小变化来计算轨道,再把轨道信息传递给卫星,由卫星传送给用户。在计算中,地球各部分引力的微小变化、太阳活动对电离层的影响,甚至卫星高速运动带来的相对论效应都必须纳入考虑。如果没有丰富的地球物理数据以及强大的计算、通讯能力,卫星导航的数据很快就会被误差淹没。
  由此可见,建设卫星导航系统不仅需要具备卫星组批生产、发射,更需要具备多方面的技术做后盾,同时还需要足够的资金来保证。因此,能够建设卫星导航系统的国家如同凤毛麟角。
  延伸阅读
  “北斗”可兼容其它导航系统
  “北斗”是世界上首个集定位、授时和短报文通信为一体的卫星导航系统。免费发送短报文是“北斗”独有的一种重要功能,短短的120个字在很多时候是“救命”的法宝。通过GPS,用户只能知道“自己在哪”。但是通过“北斗”,用户还能让别人知道“自己在哪”。把导航与通信紧密结合起来,很适用于交通运输、调度指挥、搜索营救等需要把导航与移动数据通信相结合的用户。
  其另一大特点是它与别的卫星导航系统之间具有兼容与互操作。卫星导航系统有其脆弱性,单一的导航系统易被干扰、遮蔽,采用GPS+“北斗”的双卫星导航系统可以提高系统的可用性和导航精度。据介绍,GPS在亚太地区的覆盖率一般只能达到60%~70%,如果加上“北斗”后覆盖率可以达到80%以上,从而能提高卫星导航的可用性,并使导航精度提高20%左右,比如,在GPS导航精度1米的地方,同时融合“北斗”的数据后,导航精度能达到大约0.8米。
  与GPS相比,“北斗”的首次定位速度和授时精度都表现出更好的优越性。“北斗”卫星导航系统结网完成后,系统用户定位,电文通信和位置报告只需要几秒钟,而GPS首次定位却需要1至3分钟。
  前景展望
  2020年“北斗”将覆盖全球
  具有定位和授时功能的卫星导航与互联网、移动通信已成为21世纪信息技术领域的三大技术之一,是当今社会重要的空间信息基础设施。我国卫星导航系统建设分三个阶段实施:
  第一阶段是用少量地球静止轨道卫星来完成试验任务,即建设一个区域性有源卫星导航系统。我国在1994年启动了“北斗”卫星导航试验系统建设,2000年形成了区域有源服务能力。
  第二阶段是建设一个覆盖亚太大部分区域的无源卫星导航系统。从2007年起,我国开始发射“北斗”导航卫星,并于2011年12月27日开始向亚太地区用户提供试运行服务。
  第三阶段我国将建设一个覆盖全球的卫星导航系统。到2020年,由30余颗卫星组成的“北斗”全球导航卫星星座将在轨运行。据中国卫星导航系统管理办公室发布的“北斗”卫星导航系统发展报告介绍,“北斗”全球导航卫星星座由5颗地球静止轨道卫星和30颗非地球静止轨道卫星组成。
  到2020年,在全球性无源卫星导航系统中,“北斗”卫星导航系统将与美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo呈现“四足鼎立”的局面。王凌光