“北鬥”衛星導航的奧秘

發(fā)布時(shí)間：2013-01-05   來源：北京日報 

　　日前北鬥方面(miàn)宣布，“北鬥”衛星導航系統于去年底正式向(xiàng)亞太大部分地區提供連續無源定位、導航、授時(shí)等服務。

　　自“北鬥”衛星導航系統提供試運行服務以來，該系統運行穩定，已逐步拓展到交通運輸、氣象、漁業、林業、電信、水利、測繪等應用領域，産生了顯著的經(jīng)濟、社會(huì)效益。在中國(guó)科協與中國(guó)航天科技集團五院聯合舉辦的“科學(xué)家與媒體面(miàn)對(duì)面(miàn)再次走近‘北鬥活動中，權威專家介紹了有關“北鬥”導航的奧秘。

　　空間段、地面(miàn)段、用戶段

　　導航系統分三部分

　　衛星導航系統由空間段、地面(miàn)段、用戶段三部分組成(chéng)。其中空間段由分布在不同軌道(dào)的14顆衛星組成(chéng)，即由5顆地球靜止軌道(dào)衛星、5顆傾斜地球同步軌道(dào)衛星和4顆中圓地球軌道(dào)衛星組成(chéng)“北鬥”區域性導航衛星星座。在這(zhè)個星座中，5顆地球靜止軌道(dào)衛星+5顆傾斜地球同步軌道(dào)衛星是核心，一旦有衛星失效或者處于在軌維修狀态，4顆中圓軌道(dào)衛星可以起(qǐ)到部分替代作用。“北鬥”導航衛星總設計師楊慧表示，對(duì)于限定區域的服務區而言，“5+5+4”的混合星座結構具有最佳的“魯棒性”(即穩健性)和經(jīng)濟性，最符合“少花錢多辦事(shì)”的原則。

　　地面(miàn)段由主控站、上行注入站和監測站組成(chéng)。而用戶段由北鬥用戶終端以及與其它導航系統相互兼容的終端組成(chéng)。

　　“北鬥”區域衛星導航系統的主要功能(néng)是：定位、測速、單雙向(xiàng)授時(shí)、短報文通信;服務區域爲中國(guó)及部分亞太地區;定位精度優于10米;測速精度優于0.2米/秒;授時(shí)精度50納秒;短報文通信120個漢字/次。

　　多普勒測速導航、時(shí)間距離導航

　　衛星導航方法有兩(liǎng)種(zhǒng)

　　衛星導航的方法有兩(liǎng)種(zhǒng)，一種(zhǒng)是多普勒測速導航，另一種(zhǒng)是時(shí)間距離導航。

　　所謂多普勒測速導航的原理是，導航衛星發(fā)出的無線電頻率是不變的，但由于導航衛星在高速運動，相對(duì)地面(miàn)的觀測者來說，頻率會(huì)發(fā)生變化。由遠而近時(shí)，頻率會(huì)增高;由近而遠時(shí)，頻率會(huì)降低，這(zhè)與我們站在鐵路旁聽火車汽笛聲一樣(yàng)，由遠而近時(shí)，聲音越來越尖銳;由近遠去時(shí)，聲音越來越低沉。這(zhè)種(zhǒng)現象被(bèi)稱爲多普勒效應。飛機、輪船、車輛等用戶，通過(guò)測量導航衛星無線電波的多普勒頻移，就(jiù)可以推算自己與導航衛星之間的距離變化率。

　　所謂時(shí)間距離導航的原理是，用戶通過(guò)測量從導航衛星發(fā)出的導航信号的傳播時(shí)間，推算自己與導航衛星之間的距離，從而确定自己的瞬時(shí)所在位置。

　　目前，衛星導航系統已經(jīng)發(fā)展到第二代，第一代采用多普勒測速定位，而第二代采用時(shí)間測速導航定位。

　　衛星導航系統又分有源(主動式)和無源(被(bèi)動式)兩(liǎng)種(zhǒng)，區别在于，前者的用戶端需要主動發(fā)出信号，而後(hòu)者的用戶端隻需被(bèi)動接收信号。

　　全球導航網至少需要18顆星

　　高精度定位要同時(shí)看到4顆星

　　衛星導航的精度是由衛星的數量決定的。如果導航對(duì)象同時(shí)隻能(néng)觀測到一顆衛星，根據衛星和自身的相對(duì)運動軌迹來判斷自身的位置，那麼(me)，精确的定位往往要持續一段時(shí)間才能(néng)做出。由于這(zhè)期間導航對(duì)象處于運動中，導航精度就(jiù)必然産生很大的誤差。在衛星數量少的情況下，高精度的定位必須在停止運動的情況下才能(néng)做出，顯然這(zhè)是不現實的。

　　根據衛星導航原理，最基本的全球導航網至少需要18顆衛星來維持，再加上必要的候補衛星，同時(shí)要有近30顆衛星在軌，才能(néng)可靠地對(duì)全球99%以上的地區提供導航信号。

　　如此之多的導航衛星，可以在天空沒(méi)有遮擋的情況下，保證地球上的用戶任何時(shí)候都(dōu)能(néng)接收到來自4顆衛星的信号。每個信号源都(dōu)可以測出從衛星到用戶的時(shí)間，再乘以光速(無線電波的速度)就(jiù)是到衛星的距離。根據簡單的數學(xué)原理，兩(liǎng)個球面(miàn)交會(huì)于弧線，三個球面(miàn)交會(huì)于點，所以同時(shí)取得三個衛星信号就(jiù)能(néng)夠确定任何一點的坐标。爲了保證用戶的時(shí)鍾和衛星時(shí)鍾一緻，第四個衛星信号可以用來校正系統時(shí)間，于是4個衛星信号就(jiù)可以保證高精度的定位。再通過(guò)對(duì)衛星信号變化率的測量，用戶就(jiù)能(néng)知道(dào)當下的運行方向(xiàng)和速度。

　　引力變化、太陽影響、相對(duì)論效應

　　計算衛星軌道(dào)極其複雜

　　衛星的軌道(dào)數據是預先設定好(hǎo)的，但也在緩慢變動，所以，任何一個時(shí)刻衛星的位置也是個變量。爲了保證三個“球面(miàn)”的球心位置準确，衛星發(fā)送的導航信号實際上是一段内容豐富的電文，向(xiàng)用戶随時(shí)通報衛星的位置。

　　衛星本身不具備計算能(néng)力，所以分布在全球的測控站必須随時(shí)監測衛星的運行，根據各種(zhǒng)環境的微小變化來計算軌道(dào)，再把軌道(dào)信息傳遞給衛星，由衛星傳送給用戶。在計算中，地球各部分引力的微小變化、太陽活動對(duì)電離層的影響，甚至衛星高速運動帶來的相對(duì)論效應都(dōu)必須納入考慮。如果沒(méi)有豐富的地球物理數據以及強大的計算、通訊能(néng)力，衛星導航的數據很快就(jiù)會(huì)被(bèi)誤差淹沒(méi)。

　　由此可見，建設衛星導航系統不僅需要具備衛星組批生産、發(fā)射，更需要具備多方面(miàn)的技術做後(hòu)盾，同時(shí)還(hái)需要足夠的資金來保證。因此，能(néng)夠建設衛星導航系統的國(guó)家如同鳳毛麟角。

　　延伸閱讀

　　“北鬥”可兼容其它導航系統

　　“北鬥”是世界上首個集定位、授時(shí)和短報文通信爲一體的衛星導航系統。免費發(fā)送短報文是“北鬥”獨有的一種(zhǒng)重要功能(néng)，短短的120個字在很多時(shí)候是“救命”的法寶。通過(guò)GPS，用戶隻能(néng)知道(dào)“自己在哪”。但是通過(guò)“北鬥”，用戶還(hái)能(néng)讓别人知道(dào)“自己在哪”。把導航與通信緊密結合起(qǐ)來，很适用于交通運輸、調度指揮、搜索營救等需要把導航與移動數據通信相結合的用戶。

　　其另一大特點是它與别的衛星導航系統之間具有兼容與互操作。衛星導航系統有其脆弱性，單一的導航系統易被(bèi)幹擾、遮蔽，采用GPS+“北鬥”的雙衛星導航系統可以提高系統的可用性和導航精度。據介紹，GPS在亞太地區的覆蓋率一般隻能(néng)達到60%~70%，如果加上“北鬥”後(hòu)覆蓋率可以達到80%以上，從而能(néng)提高衛星導航的可用性，并使導航精度提高20%左右，比如，在GPS導航精度1米的地方，同時(shí)融合“北鬥”的數據後(hòu)，導航精度能(néng)達到大約0.8米。

　　與GPS相比，“北鬥”的首次定位速度和授時(shí)精度都(dōu)表現出更好(hǎo)的優越性。“北鬥”衛星導航系統結網完成(chéng)後(hòu)，系統用戶定位，電文通信和位置報告隻需要幾秒鍾，而GPS首次定位卻需要1至3分鍾。

　　前景展望

　　2020年“北鬥”將(jiāng)覆蓋全球

　　具有定位和授時(shí)功能(néng)的衛星導航與互聯網、移動通信已成(chéng)爲21世紀信息技術領域的三大技術之一，是當今社會(huì)重要的空間信息基礎設施。我國(guó)衛星導航系統建設分三個階段實施：

　　第一階段是用少量地球靜止軌道(dào)衛星來完成(chéng)試驗任務，即建設一個區域性有源衛星導航系統。我國(guó)在1994年啓動了“北鬥”衛星導航試驗系統建設，2000年形成(chéng)了區域有源服務能(néng)力。