GPS导航的定位原理?

中国何时才能拥有自己的全球卫星导航系统？

中国卫星导航定位系统的进展 □□2003年5月25日，我国使用长征—3A火箭成功发射了第3颗“北斗”导航定位卫星。这标志着我国已自主建立了完善的卫星导航定位系统。此次发射的第3颗“北斗”卫星是“北斗”卫星导航定位系统的备份星。 它与前2颗“北斗”卫星组成了完整的卫星导航定位系统，可确保全天时、全天候提供区域导航信息。 1 中国民用卫星导航的应用 　　中国民用卫星导航市场非常广阔，潜在经济效益巨大，是今后可持续发展的重要因素。 在中国自主卫星导航系统正式运行以前，中国民用卫星导航主要集中于对“全球定位系统”（GPS）的应用。 1。1 用于交通运输 　　卫星导航首先在远洋和近海实现了普及应...全部

  中国卫星导航定位系统的进展 □□2003年5月25日，我国使用长征—3A火箭成功发射了第3颗“北斗”导航定位卫星。这标志着我国已自主建立了完善的卫星导航定位系统。此次发射的第3颗“北斗”卫星是“北斗”卫星导航定位系统的备份星。
  它与前2颗“北斗”卫星组成了完整的卫星导航定位系统，可确保全天时、全天候提供区域导航信息。 1 中国民用卫星导航的应用 　　中国民用卫星导航市场非常广阔，潜在经济效益巨大，是今后可持续发展的重要因素。
  在中国自主卫星导航系统正式运行以前，中国民用卫星导航主要集中于对“全球定位系统”（GPS）的应用。 1。1 用于交通运输 　　卫星导航首先在远洋和近海实现了普及应用，现已有10万多条渔船装备了GPS接收机，占中国全部渔船的1/3。
  交通部为了向船舶提供差分修正信息，在中国沿海已相继建立了20个GPS差分信息短波发送站（每个台站覆盖半径近300km），基本覆盖了沿海地区及部分大陆。交通部开发的电子海图可以提供对远洋运输船舶的监控与指挥。
   　　中国民航做过一些用GPS进行飞机导航和精密进场着陆的试验。但鉴于民航对飞机导航的安全性要求很高，而用户为数不多、投资有限，所以实际投入使用相对迟缓。民航单一应用卫星导航的前景有待民用卫星导航精度、可用性和完好性的大幅度提高。
   　　在国外，陆上交通车辆是GPS应用最为广泛的领域，据全球统计，它几乎占整个用户数的2/3，其中日本已达数百万台。中国也已经开始GPS在这一领域的应用，目前市场逐步成熟，进入迅速发展的态势。
  一些大城市，如北京、上海已在公共汽车、出租车的监控、调度与管理中应用GPS导航设备。据估计，在未来1～2年内年装车量可达5万～10万辆，相关产值可达7亿～8亿元人民币。GPS车辆系统的功能一般可分为自我导航和中心对车辆定位并调度指挥（如出租汽车的调度，公安、银行、保险以及运输危险物品等部门对车辆的跟踪监控，失窃车辆的自动定位告警等）两类。
  前者往往需要在微机上自备电子地图和目的地路径引导软件；后者必须与移动通信、指挥调度中心相配套，乃至于全国联网。移动通信早期常采用专用移动通信网，如集群电话或卫星通信，廉价的方法则是采用公用移动通信网，例如移动通信系统（GMS），使用其短消息业务尤其便宜。
  指挥控制中心一般通过数据网络与移动通信接口，配置相应容量的计算机系统和数据库，并有按任务需求的地理信息系统（GIS）和众多远端车辆位置同时在电子地图上显示的能力。 　　总的说来，交通运输与卫星导航相结合，社会效益显著，经济效益巨大。
  卫星导航用于城市交通管理，可防止交通拥挤和堵塞现象，用于公路管理可提高30%的运输能力。 1。2 用于测绘、资源勘探等静态定位 　　这是国内开展GPS定位应用较早的另一个领域，现已建成连续运行的GPS观测站30多个，其中7个纳入国际GPS服务站（IGS）网，全国GPS二级网站布测534点，平均边长约160km，从根本上解决了中国测量使用参考框架的问题。
  其绝对定位精度优于0。1m，相对定位精度优于10-7，比传统测量方法提高效率3倍以上，费用降低50%，精度大幅提高。同时，在过去人迹罕至的高原、沙漠和海洋获得了大量的定位成果，为国家制图、城市建设开发和资源勘察等做出了贡献。
  与此相关的还有中国地壳运动观测网，网中包括25个基准站、56个基本站、1000个主要分布在主要地震带上的区域站，其数据处理结果为全国大地震活动趋势分析提供了新的依据。此外，还广泛、有效地应用于城市规划测量、厂矿工程测量、交通规划与施工测量、石油地质勘探测量以及地质灾害监测等领域，产生了良好的社会和经济效益。
   1。3 用于高精度授时 　　这是卫星导航应用领域的一个重要项目。中国长波台的授时精度为微秒级，GPS在取消选择可用性（SA）后可获得40ns精度，且装备简易，在国内已经普遍应用，如用于各级计量部门、通信网站和电力输送网等。
  若用卫星导航系统授时接收机做成电子手表，则可以建立巨大的应用市场。 1。4 用于科学研究 　　我国已利用GPS研究电离层延迟及电子浓度变化规律，建立中国区域的电离层网格模型，完成了全国分布式广域差分科学试验，为广域差分科学试验、广域差分GPS技术应用推广做了有益、有效的前期工作。
  地面GPS观测在国内气象学的应用也逐步受到重视，它可提供几乎连续、高精度的可降水汽量数据，有可能用于恶劣天气预报。 1。5 卫星导航与信息化 　　一些大中城市已在规划中将GPS信息综合应用服务体系纳入其城市信息化建设计划之中。
  数字地球、数字中国也离不开卫星导航，卫星导航与个人移动通信手机相结合可能是一个市场规模更大的领域。用手机报警、请求安全援助或医疗急救，非常需要确定手机的精确位置。当今这方面技术是成熟的，但只有GPS组件的成本不使手机价格显著增加时，经济效益才能成为现实。
   1。6 产业化问题 　　GPS卫星导航的广泛深入应用为中国培育了卫星导航用户机的产品市场。但是，产业化需要有较大规模的商业经营运作和价廉物美的规模化产品。目前，这方面差距很大。我们所用的设备，尤其是基础性产品，几乎全部是进口的。
  因此，必须大力解决专用核心芯片和OEM板的生产问题，从而促进导航用户机的产业化发展。 2 自主研制的第1代卫星导航定位系统 　　2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日，中国成功发射了第1～3颗“北斗”导航卫星，这是中国自行建立的第1代卫星导航定位系统。
   2。1 “北斗”卫星导航系统 　　“北斗”卫星导航系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。这个系统主要为公路交通、铁路运输和海上作业等领域提供导航服务，对中国国民经济建设起到了积极的推动作用。
   “北斗”卫星导航系统在国际电信联盟（ITU）登记的频段为卫星无线电定位业务（RDSS）频段，上行为L频段（频率1610～1626。5MHz），下行为S频段（频率2483。5～2500MHz）；登记的卫星位置为赤道面80°E、140°E和110。
  5°E（最后一个为备份星星位）。 　　美国的静止星（Geostar）公司和欧洲的定位星（Locstar）公司曾从事RDSS系统的研制工作，但都失败了。中国首先实现了卫星导航定位创新工程RDSS系统。
  该工程投资很少，并将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起，系统自身包含广域差分标校以提高定位精度。当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户知道自己所处的位置，而且调度指挥或其他有关单位也可得知用户所在位置。
   　　该系统由2个经度上相距60°的地球静止卫星对用户双向测距，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个参考标校站和大量用户机分布于全国。其定位原理是：以2颗卫星的已知坐标为圆心，以自测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。
  电子高程地图提供的是1个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。 2。2 顺利投入运行 　　“北斗”卫星导航系统的研制成功解决了中国自主卫星导航定位系统的有无问题。
  它是一个成功的、实用的、投资很少的初级起步系统。此外，该系统的建设并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反，在该系统的基础上，还能建立中国的GPS广域差分系统，使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正至米级，从而更好地促进GPS在民间的利用。
  目前，卫星运行正常，系统调试与试运行表明，“北斗”导航定位系统在国内及周边服务区的定位精度是很好的，简短双向数据很正常，满足系统预定要求。“北斗”卫星导航系统尤其适合于同时需要导航与移动数据通信的场所，例如交通运输、调度指挥以及有关地理信息系统的实时查询等。
  其正式运行进一步促进了中国导航应用市场的快速发展，刺激了大批量用户机的迫切需求。 　　“北斗”卫星导航系统需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，因而使系统用户容量、导航定位维数和隐蔽性等方面受到限制，在体制上不能与国际上的GPS、“全球导航卫星系统”（GLONASS）及将来的“伽利略”（GALILEO）卫星导航定位系统兼容。
  因此，中国需要在第1代卫星导航系统的基础上发展第2代卫星导航系统，以满足今后国家对卫星导航应用和长远经济发展的需求。 3 发展第2代卫星导航系统的设想 　　对发展中国第2代卫星导航系统，笔者有如下设想。
   3。1 第2代卫星导航系统的体制 　　第2代卫星导航系统与第1代卫星导航系统在体制上的差别主要是：第2代系统的用户机可免发上行信号，不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息，而直接接收卫星单程测距信号自己定位，系统的用户容量不受限制，并可提高用户位置隐蔽性。
  其代价是：测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证，保证所有用户机使用稳定度较低的石英钟，其时钟误差作为未知数和用户的三维未知位置参数一起由4个以上的卫星测距方程来求解。这就要求用户在每一时刻至少对4颗以上几何位置合适的可见卫星进行测距，这使得星座所需卫星数量大大增多，系统投资会显著增加。
  建立高精度卫星轨道基准和卫星时间基准是新卫星导航系统技术的核心，需要开展深入的研究工作。另外，为了获取对中国未来的导航频率的国际保护，还需要加快向国际电联申请和协调。 　　中国第2代卫星导航系统非常复杂，而且，我们对全系统的设计、研制、运行和管理尚缺少经验，但对卫星的测控已有一定技术基础。
  “北斗”卫星导航系统和广域差分系统的研发直接为中国第2代卫星导航系统的研制和运行锻炼了技术队伍并积累了经验，各地面台、站设施等可在第1代卫星导航系统已有设备的基础上进行扩建，卫星平台、运载火箭和双向数据移动通信等均可以继承或采用成熟技术。
  国内GPS的广泛应用为中国未来的卫星导航提供了应用基础和广阔的市场。发展新一代卫星导航系统不仅是必要的，而且在技术、经济上也是可行的。 3。2 发展途径 3。2。1 充分保证民用导航精度 　　第2代卫星导航系统应能提供双频信号以消除电离层引起的误差，不实施SA干扰降低导航精度，其民码（C/A）公众可自由使用并与国际格式兼容，不收费用；为授权用户提供双频和广域差分信息，以进一步提高导航精度和提供准实时完好性信息。
  它可参考GPS广泛开发民间应用，积累重要的产业经验。由于民用接收机的普及、批量生产和商业竞争，导致民用产品的数字化、小型化和性能大大提高，价格显著下降，所以美国发展GPS民用市场反过来又促进了其军事应用，更大程度上满足了作战需求。
  相反，俄罗斯没有开发民用市场，军用接收机只生产了2000部，并且价格昂贵，性能不高。因此，中国在建立第2代卫星导航系统的同时，应发挥中国导航C/A码精度高、含有亚洲地区加强系统的优势，首先开发国内民用市场，开发出能批量生产的廉价国产导航接收机，普及国内民间应用，逐步取代进口产品，形成产业；进而开发双模式兼容中外导航信号并可接受区域加强信息的高精度、高可用性接收机，进一步拓宽高安全性系统在亚洲的应用市场，逐步建立中国卫星导航系统今后持续发展的物质基础，为将来发展全球性的国际市场做好准备。
   3。2。2 建议以全球卫星导航系统为长远目标分步实施 　　中国的卫星导航系统究竟应该是区域的还是全球的，这是中国导航界专家广泛关注的一个重要问题。当前为了首先确保在国内及附近海域的需求（少数国际民航飞机和航海船只除外），并力求减少初期一次性投资额度，在近期内仍以建成北半球约120°经度范围内的区域导航系统为宜。
  但从长远发展打算，中国经济和科学技术的发展离不开卫星导航，低轨航天器的定轨也要求有全球卫星导航系统支撑，要认真考虑中国区域卫星导航系统今后能够顺利发展为全球卫星导航系统的可能性。这也有利于和俄罗斯、欧洲一起打破美国GPS独霸世界的局面，有利于民用方面今后开发导航产业的国际市场，满足国际航空、航海和航天器全球导航的需要。
  因此，从前瞻性考虑，建议以建立全球卫星导航系统为长远目标，按技术经济条件采取先区域后全球的两步实施方针。实现这一方针的可行性在于，当前区域系统必须和未来全球卫星导航系统在体制上兼容，区域星座能扩展为全球星座。
  今后可根据中国国力和实际需要，随着后续卫星的发射，以最小的代价平稳地发展为全球卫星导航系统。这一技术途径的可行性在于寻找到合适的卫星星座，下面为几种区域星座轨道类型。 　　(1) 地球静止轨道（GEO） 该卫星星座可全天24h静止在规定的赤道位置上空，提供本区域导航服务，卫星利用率高。
  这也是第1代“北斗”卫星导航系统采用的星座，而且地球静止卫星能广泛应用于全球导航系统的区域增强系统。由于地球静止轨道各卫星都处于赤道面内，所以受导航定位所需几何构形的限制，每个用户最多只能利用2颗相间隔30°以上经度的卫星。
  全区域究竟布设几颗地球静止轨道卫星则取决于导航服务区域大小，但单用地球静止轨道卫星是不够的，还必须有相对于地球移动的高纬度卫星参与导航星座。 　　(2) 大椭圆轨道卫星星座 最典型的是俄罗斯用于高纬度地区广播卫星的“闪电”（Molniya）型轨道。
  这是一种大偏心率（通常取0。7左右）轨道，轨道倾角63。43°，其远地点在北半球本国高纬度上空，星下点轨迹移动缓慢，1日内可保持近10h有效运行。一个大椭圆轨道面内均匀分布3颗星，即可保持一个高纬度星位的连续存在。
  其近地点在南半球，停留时间很短，卫星高度很低，用户可见区域范围小，对用户的导航贡献小；远地点在地球背面，经度上远离服务区，本区域系统不能加以利用。另外，这种轨道的卫星高度变化很大，对信道设计很不利。
  因此，对大椭圆轨道不予考虑。 　　(3) 倾斜地球同步轨道（IGSO） 它的轨道倾角为55°～63。43°，是一种利用效率较高的区域星座，但只限制于在本经度区域内使用。在立足于国内台站测控的条件下，中国采用9颗倾斜地球同步轨道卫星与4颗地球静止轨道卫星相结合，可以建立区域卫星导航系统，但在接近服务区边缘处会因卫星定轨精度下降而导致导航精度明显降低。
  欧洲曾对这种轨道星座方案作了多年研究，但因在全球寻找几个区域系统联网成全球系统的合作伙伴未果，最终放弃了这种方案。如果中国采用这种轨道星座，那将来再发展为全球系统是不可能的。 　　(4) 中高度圆轨道（MEO）卫星星座 这是一种周期12h，倾角为55°～63。
  43°的轨道，是经过GPS和GLONASS系统成功运行而证明性能良好的全球星座轨道。分析计算已证明，24颗倾角为55°的MEO卫星分布在3个轨道面内，可满足全球卫星导航精度（3个倾角为54。74°的轨道面通过地心相互正交，卫星在全球分布最均匀，明显优于GPS的6个轨道面）。
  这种单一由MEO卫星组成的星座必须布满全部24颗卫星才能有效地投入运行，如要满足民航可用性要求和精密进近，则必须增加地球静止轨道卫星以进行区域加强，或大量增加MEO卫星。每颗MEO卫星的星下点轨迹历经全球，其优点是可立足于本国国土内测控所有卫星。
  中国服务区地处55°N以南，东西经度范围很大，占全球1/3，平均每颗星约有2/3的时间可为本区域系统内的用户服务。采用12颗星的子星座与4颗地球静止轨道卫星相结合（12MEO+4GEO），可满足区域系统的导航要求。
  如果后续布满24颗卫星，则可发展为高精度区域加强的全球卫星导航系统，从而达到民航精密进近导航要求。■ [信息来源：中国空间技术研究院] 。收起