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衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)(GNSS)是能夠提供全天候3維坐標(biāo)和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng),可在地球表面或近地空間任何地點為用戶提供服務(wù)。
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),(theGlobalNavigationSatelliteSystem),也稱為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的3維坐標(biāo)和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。
基本信息
外文名
Global Navigation Satellite System
作用
為用戶提供全天候的3維坐標(biāo)和速度以及時間信息
領(lǐng)域
導(dǎo)航、定位、測量、農(nóng)業(yè)、救援、監(jiān)視和管理、軍事等
內(nèi)容介紹
簡介 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的3維坐標(biāo)和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS應(yīng)用: 精細(xì)農(nóng)業(yè) 、科學(xué)研究(野外生物學(xué)、氣象學(xué)、地球科學(xué))、環(huán)境監(jiān)測、突發(fā)事件 和災(zāi)害評估、安全保障、天體與建筑工程和自然資源分析的定位。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為人類帶來了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益,迄今,比較完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)有美國GPS和俄羅斯GLONASS系統(tǒng),歐洲計劃推出自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) Galileo 。 估計到2020年 前美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)4大GNSS系統(tǒng)將建成或完成現(xiàn)代化改造。
主要應(yīng)用 衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用是建立導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的根本出發(fā)點,也是其最終的歸宿。通常衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用市場可以分為三大方面,是專業(yè)市場、批量市場和安防市場。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),從應(yīng)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(fèi)娛樂、測繪、授時、車輛監(jiān)控管理,和汽車導(dǎo)航與信息服務(wù),以及其它類:
1. 航空歐盟的Galileo便是新建的全球?qū)Ш叫亲?,它與GPS配合起來,可以大大提高 導(dǎo)航衛(wèi)星 的可用性,使單一的GPS市區(qū)可用性從55%提高到GPS/Galileo共用時的95%。GPS技術(shù)建立廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)逐步代替原先的微波著陸/ 儀表著陸系統(tǒng) ,美國的WAAS系統(tǒng)計劃在2003年下半年運(yùn)營,地面改正數(shù)據(jù)可以通過靜地衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給飛機(jī)。 2. 航海衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)廣泛地用于海上行駛的各類船只,DGPS則廣泛地用于沿岸與進(jìn)港,以及內(nèi)河行駛的船只,精度可達(dá)到2-3m。在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與無線通信手段集成后,該系統(tǒng)便成為一個位置報告系統(tǒng)和緊急救援 系統(tǒng)。許多漁船將GPS與雷達(dá)和魚探器結(jié)合在一起,產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 3. 通信與導(dǎo)航的融合衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與無線電通信機(jī)的結(jié)合是自然發(fā)生的,這種融合產(chǎn)生的意義是非常深遠(yuǎn)的。實際上,這是移動計算機(jī)(PDA)、 蜂窩電話 和 GPS接收機(jī) 的系統(tǒng)集成和完美整合。 4. 人員跟蹤個人跟蹤的應(yīng)用需求與 E911 這類導(dǎo)航手機(jī)或稱 定位手機(jī) 思路相似,但其產(chǎn)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,便于隱藏或佩戴,如手表之類。其應(yīng)用功能可以由中心加以激活或啟動,以利于獲取佩帶者所在位置。 5. 消費(fèi)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(yīng)用袋式GPS定位器,配上電子地圖,可以在草原、大漠、鄉(xiāng)間、山野或無人區(qū)內(nèi)找到自己的目的地。
6. 測繪GPS測繪還可用于繪圖、地藉測量、地球板塊測量、火山活動監(jiān)測、 GIS 領(lǐng)域、大橋監(jiān)測、水壩監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、大型建筑物監(jiān)測等。這種測量技術(shù)的實時動態(tài)化(RTK)可以用于海洋河道公路測量,以及礦山、大型工程建設(shè)工地等作為自動化管理和機(jī)械控制。 7. 授時 GPS設(shè)備 還用于作為時間同步裝置,特別是作為交易處理定時(如在ATM機(jī)中)和通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。 8. 車輛監(jiān)控管理。
9. 汽車導(dǎo)航與信息服務(wù)。
10. 很多國家已經(jīng)把全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)發(fā)展,可以定位農(nóng)田信息、監(jiān)測產(chǎn)量、土樣采集等,再通過計算機(jī)系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,制定 出更科學(xué)的農(nóng)田管理措施。還可以把產(chǎn)量及土壤狀態(tài)等農(nóng)田信息裝入帶有 GPS 設(shè)備的噴施器中,在給農(nóng)田施肥、噴藥的過程中可以精確控制其用量,可以降低因肥料和農(nóng)藥對環(huán)境造成的污染。 11. 其它
定位系統(tǒng) 2.北斗系統(tǒng)(中國)
3.GLONASS系統(tǒng)(俄羅斯)
GPS系統(tǒng) 由來和發(fā)展
美國國防部( United States Department ofDefense, DOD)于 1973 年決定成立 GPS 計劃聯(lián)合辦公 室,由軍方聯(lián)合開發(fā)全球測時與測距導(dǎo)航定位系統(tǒng)(navigation system with time and ranging,NAVSTAR)/GPS)。整個系統(tǒng)的建設(shè)分 3 個階段實施:第 1 階段(1973-1979 年),系統(tǒng)原理方案可行性驗證階段(含設(shè)備研制);第 2 階段(1979-1983 年),系統(tǒng)試驗研究(對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行試驗)與系統(tǒng)設(shè)備研制階段;第 3 階段(1983-1988 年),工程發(fā)展和完成階段。從 1978 年發(fā)射第 1 克 GPS 衛(wèi)星,到 1994 年 3 月 10 日完成 21顆工作衛(wèi)星加 3 顆備用衛(wèi)星的衛(wèi)星星座配置,1995 年4 月,美國國防部正式宣布 GPS 具備完全工作能力。GPS 的建設(shè)歷經(jīng) 20年,其系統(tǒng)由空間段、運(yùn)控段、用戶段 3 大部分組成,整個星座額定有 24 顆衛(wèi)星,分置在 6 個中軌道面內(nèi),它的優(yōu)良性能被譽(yù)為是一場導(dǎo)航領(lǐng)域的革命。GPS 提供 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù) (standard positioning system, SPS)和精密定位業(yè)務(wù)(precise positioning service, PPS),在包含選擇 可用性技術(shù)(selective availability,SA)影響時,SPS 的定位精度水平為 100 m(95 %的概率),不含 SA 影響力 20~30 m,定時精度為 340 ns;PPS定位精度可在 10 m 以內(nèi)。 GPS 的現(xiàn)代化
1996 年提出 GPS 現(xiàn)代化計劃,其第 1 個標(biāo)志性行動是,從 2000 年 5 月 1 日起,取消 GPS 衛(wèi)星人為惡化定位精度的 SA 技術(shù),致使定位精度有數(shù)量級的提升。20 多年來,美國持續(xù)推進(jìn)現(xiàn)代化計劃,投入 200 多億美元的巨資,主要目標(biāo)是提高空間段衛(wèi)星和地面段運(yùn)控的水平,將軍民用信號分離,在強(qiáng)化軍用功性能的同時,將民用信號從 1 個增加到 4 個,除了保留 L1 頻點上的 C/A碼民用信號外,在原先的 L1 和 L2 頻點上又加上民用 L1C 和 L2C 碼,還新增加 L5 頻點民用信號,大大增加了民用信號的冗裕度,從而改進(jìn)了系統(tǒng)的定位精度、信號的可用性和完好性、服務(wù)的連續(xù)性,以及抗無線干擾能力;也有助于高精度的實時動態(tài)差分(real-time kinematic, RTK)測量和在長短基線上的應(yīng)用,還有利于飛機(jī)的精密進(jìn)場和著陸、測繪、精細(xì)農(nóng)業(yè)、機(jī)械控制與民用室內(nèi)增強(qiáng)的應(yīng)用,以及地球科學(xué)研究。
GPS 現(xiàn)代化是項系統(tǒng)性工作,它包括:空間衛(wèi)星段、地面運(yùn)控段、新的 運(yùn)控系統(tǒng)(operationalcontrol system, OCX)和用戶設(shè)備段現(xiàn)代化,其核心是增加 L5 頻點和民用信號數(shù)量與改變制式,實現(xiàn)與其他 GNSS 信號的互操作。最后 1 克 GPSIIIF預(yù)計 2034 年發(fā)射,宣告 GPS 現(xiàn)代化進(jìn)程結(jié)束。 GPS系統(tǒng)是美國從上世紀(jì)70年代開始研制,主要目的是為陸海空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù),并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的,經(jīng)過20余年的研究實驗,耗資300億美元,到1994年,全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。
GPS利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距,具有在海、陸、空全方位實時三維 導(dǎo)航與定位能力。它是繼阿波羅登月計劃、 航天飛機(jī) 后的美國第三大航天工程。如今,GPS已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最實用,也是應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)。 GPS全球定位系統(tǒng) 由空間系統(tǒng)、 地面控制系統(tǒng) 和用戶系統(tǒng)三大部分組成。其空間系統(tǒng)由21顆工作衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星組成,分布在20200千米高的6個軌道平面上,運(yùn)行周期12小時。地球上任何地方任一時刻都能同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。地面控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)衛(wèi)星的測軌和運(yùn)行控制。用戶系統(tǒng)為各種用途的GPS接收機(jī),通過接收衛(wèi)星廣播信號來獲取位置信息,該系統(tǒng)用戶數(shù)量可以是無限的。 GPS全球定位系統(tǒng)是美國為軍事目的而建立的。1983年一架民用飛機(jī)在空中因被誤以為是敵軍飛機(jī)而遭擊落后,美國承諾GPS免費(fèi)開放供民間使用。美國為軍用和民用安排了不同的頻段,并分別廣播了P碼和C/A碼兩種不同精度的位置信息。美國軍用GPS精度可達(dá)1米,而民用GPS理論精度只有10米左右。特別地,美國在90代中期為了自身的安全考慮,在民用衛(wèi)星信號上加入了SA(SelectiveAvailability),進(jìn)行人為擾碼,這使得一般民用GPS接收機(jī)的精度只有100米左右。2000年5月2日,SA干擾被取消,全球的民用GPS接收機(jī)的定位精度在一夜之間提高了許多,大部分的情況下可以獲得10米左右的定位精度。美國之所以停止執(zhí)行 SA政策 ,是由于美國軍方現(xiàn)已開發(fā)出新技術(shù),可以隨時降低對美國存在威脅地區(qū)的民用GPS精度,所以這種高精度的GPS技術(shù)才得以向全球免費(fèi)開放使用。 受應(yīng)用需求的刺激,民用GPS技術(shù)蓬勃發(fā)展,出現(xiàn)了DGPS(差分GPS)、WAAS(地面廣播站型態(tài)的修正技術(shù))等技術(shù),進(jìn)一步提高民用GPS的應(yīng)用精度。2005年,美國開始發(fā)射新一代GPS衛(wèi)星,開始提供第二個民用波段。未來 還將提供第三,第四民用波段。隨著可用波段的增加,新衛(wèi)星陸續(xù)使用,GPS定位系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性都比過去更理想,這必將大大拓展GPS的應(yīng)用與消費(fèi)需求。此外新衛(wèi)星也提供更優(yōu)秀的軍用支持能力,當(dāng)然這只對美國軍方及其盟友有益。 2.GPS系統(tǒng)概述GPS系統(tǒng)由空間部分、地面測控部分和用戶設(shè)備三部分組成。
(1)空間部分
GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成其中21顆工作衛(wèi)星,3顆備用衛(wèi)星。它位于距地表ZOZOOkm的上空,運(yùn)行周期為12h。衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上,軌澎頃角為55°。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地區(qū)任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星,并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息,GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題,隨著時間的推移,導(dǎo)航精度會逐漸降低。
(2)控制部分
地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測站、主控制站、地面天線所組成,主控制站位于美國科羅拉多州春田市。地面控制站負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回的訊息,并計算衛(wèi)星星歷、相對距離,大氣校正等數(shù)據(jù)。
(3)用戶部分GPS用戶部分包括GPS接收機(jī)和用戶團(tuán)體。
2.GPS定位服務(wù)聯(lián)邦無線電導(dǎo)航計劃中規(guī)定的GPS定位服務(wù)包括 精密定位服務(wù) (PPS)和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)。 (1)PPS授權(quán)的精密定位系統(tǒng)用戶需要密碼設(shè)備和特殊的 接收機(jī) ,包括美國軍隊、某些政府機(jī)構(gòu)以及批準(zhǔn)的民用用戶。 (2)SPS對于普通民用用戶,美國政府對于定位精度實施控制,僅提供SPS服務(wù)。SPS服務(wù)可供全世界用戶免費(fèi)、無限制地使用。
3.GPS設(shè)備成本GPS接收機(jī)的價格差異很大,一般取決于接收機(jī)的功能。小型民用SPS接收機(jī)的價格不足200美元。
發(fā)展歷程 GPS的發(fā)展大約經(jīng)歷了幾個階段:
第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段。從1973年到1979年,共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī) 及建立地面跟蹤網(wǎng)。
第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年,又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星,研制了各種用途接收機(jī)。實驗表明,GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
第三階段為實用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功,表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入 工程建設(shè)階段 。1993年底實用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座已經(jīng)建成,今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。
北斗系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球 衛(wèi)星定位 與通信系統(tǒng),是繼美國GPS全球定位;系統(tǒng)和俄國GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間端、地面端和 用戶端 組成,可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位;、導(dǎo)航、授時服務(wù),并具有短報文通信能力,已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時能力,定位精度優(yōu)于20m,授時精度優(yōu)于IOOns。 中國這個要逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS),將主要用于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè),為中國的交通運(yùn)輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災(zāi)害預(yù)報、通信、公安以及其他特殊行業(yè)提供高效的導(dǎo)航 定位服務(wù) 。建設(shè)中的中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS)空間段計劃由五顆 靜止軌道衛(wèi)星 和三十 顆非靜止軌道衛(wèi)星組成,提供兩種服務(wù)方式,即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。北斗衛(wèi)星將逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系。中國將陸續(xù)發(fā)射系列北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 2003年5月25日,我國成功地將第三顆“北斗一號”導(dǎo)航定位衛(wèi)星送入太空。前兩顆“北斗一號”衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空,第三顆發(fā)射的是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的 備份星 ,它與前兩顆“北斗一號”工作星組成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),確保全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息。這標(biāo)志著我國成為繼美國全球 衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)和前蘇聯(lián)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)后,在世界上第三個建立了完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家, 我國的“北斗一號”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種“雙星快速定位系統(tǒng)”。突出特點是構(gòu)成系統(tǒng)的空間衛(wèi)星數(shù)目少、用戶終端設(shè)備簡單、一切復(fù)雜性均集中于地面中心處理站。“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用 地球同步衛(wèi)星 為用戶提供快速定位、簡短數(shù)字報文通信和授時服務(wù)的一種全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展,以應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展為根本目標(biāo),建設(shè)過程中主要遵循以下原則:
1、開放性:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)、發(fā)展和應(yīng)用將對全世界開放,為全球用戶提供高質(zhì)量的免費(fèi)服務(wù),積極與世界各國開展廣泛而深入的交流與合作,促進(jìn)各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間的兼容與互操作,推動衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
2、自主性:中國將自主建設(shè)和運(yùn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可獨(dú)立為全球用戶提供服務(wù)。
3、兼容性:在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會和國際電聯(lián)框架下,使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與世界各巨星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)兼容與互操作,使所有用戶都能享受到衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展的成就。
4、漸進(jìn)性:中國將積極穩(wěn)妥地推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展,不斷完善服務(wù)質(zhì)量,并實現(xiàn)各階段的無縫銜接。
系統(tǒng)的主要功能是:
1、快速定位:快速確定用戶所在地的地理位置,向用戶及主管部門提供導(dǎo)航信息。
2、簡短通訊:用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間均可實現(xiàn)雙向短數(shù)字報文通信。
3、精密授時:中心控制系統(tǒng)定時播發(fā)授時信息,為定時用戶提供時延修正值。
“北斗一號”的覆蓋范圍是北緯5°一55°,東經(jīng)70°一140°之間的心臟地區(qū),上大下小,最寬處在北緯35°左右。其定位精度為水平精度100米,設(shè)立標(biāo)校站之后為20米(類似差分狀態(tài))。工作頻率:2491.75MHz。系統(tǒng)能容納的用戶數(shù)為每小時540000戶。
2007年2月3日零時28分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運(yùn)載火箭,成功將北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星送入太空。這是我國發(fā)射的第四顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星,從而拉開了建設(shè)“北斗二號”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的序幕。2007年4月14日,我又成功將第五顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星送入太空。
“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是世界上第一個區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息。與其它全球性的導(dǎo)航系統(tǒng)相比,它能夠在很快的時間內(nèi)建成,用較少的經(jīng)費(fèi)建成并集中服務(wù)于核心區(qū)域,是十分符合我國國情的一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?!氨倍贰睂?dǎo)航定位衛(wèi)星工程投資少,周期短;將導(dǎo)航定位、雙向數(shù)據(jù)通信、精密授時結(jié)合在一起,因而有獨(dú)特的優(yōu)越性。 中國正大力建設(shè)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),計劃在2008年左右滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求,并進(jìn)行系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗,2010年逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了在我國國家安全領(lǐng)域發(fā)揮重大作用外,還將服務(wù)于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè),提供監(jiān)控救援、信息采集、精確授時和導(dǎo)航通訊等服務(wù)??蓮V泛應(yīng)用于船舶運(yùn)輸、公路交通、鐵路運(yùn)輸、海上作業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)、水文測報、森林防火、環(huán)境監(jiān)測等眾多行業(yè)。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行,并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù),并兼短報文通信能力。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)。第一步,2000年建成 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng) ,使中國成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。第二步,建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力。第三步,2020年左右,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將形成全球覆蓋能力。
格洛納斯系統(tǒng) 由來發(fā)展和現(xiàn)代化
1976 年蘇聯(lián)政府頒布建立 GLONASS 的政府令,并成立相應(yīng)的科學(xué)研究機(jī)構(gòu),進(jìn)行工程設(shè)計。1982 年 10 月 12 日,成功發(fā)射第 1 克 GLONASS衛(wèi)星。1996 年 1 月 24 顆衛(wèi)星全球組網(wǎng),宣布進(jìn)入完全工作狀態(tài)。之后, 蘇聯(lián)解體 ,GLONASS 步入艱難維持階段,2000 年年初,該系統(tǒng)僅有 7 顆衛(wèi)星正常工作,幾近崩潰邊緣。2001 年 8 月,俄羅斯政府通過了 2002-2011 年間 GLONASS 恢復(fù)和現(xiàn)代化計劃。2001 年 12 月發(fā)射成功第 1 顆現(xiàn)代化衛(wèi)星 GLONASS-M。直到 2012 年該系統(tǒng)回歸到24 顆衛(wèi)星完全服務(wù)狀態(tài)。 GLONASS 至今已經(jīng)有 3 代衛(wèi)星:第 1 代衛(wèi)星是傳統(tǒng)的 GLONASS 基本型;第 2 代星是GLONASS-M 現(xiàn)代化衛(wèi)星;第 3 代就是最新開發(fā)的GLONASS-K 衛(wèi)星,至目前為止,K 星系列又分為K1 和 K2 2 種型號。
GLONASS 星座是由 3 個軌道面上的 24 顆衛(wèi)星構(gòu)成的。其傳統(tǒng)的信號使用 頻分多址 (frequencydivision multiple access, FDMA),而不是其他 GNSS所 用 的 碼分多址 ( code division multiple access ,CDMA)。與傳統(tǒng)的 GPS 信號一樣,GLONASS 信號包括 2 個 偽隨機(jī)噪聲碼 (pseudo random noise code,PRN)測距碼:標(biāo)準(zhǔn)精度(standard accuracy, ST)以及高精度(Visokaya Tochnost 即 high precision,VT)碼,調(diào)制到 L1 和 L2 載波上。GLONASS ST碼也已經(jīng)在 GLONASS-M 衛(wèi)星的 L2 頻率上傳輸。發(fā)送的信號像 GPS 信號一樣是 右旋圓極化 波的。GLONASS-K1 在新的 L3 頻率(1 202.025 MHz)上傳輸 CDMA 信號,GLONASS-K2 還將在 L1 和 L2頻率上提供 CDMA 信號,從而實現(xiàn)與其他 GNSS 的兼容與互操作。GLONASS-K1 星的空間信號測距誤差(signal-in-space user range errors, SISRE)約為1 m,GLONASS-K2 星則為 0.3 m。 “格洛納斯”GLONASS是前蘇聯(lián)從80年代初開始建設(shè)的與美國GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng),覆蓋范圍包括全部地球表面和近地空間,也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設(shè)備三部分組成。雖然“格洛納斯”系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星早在1982年就已發(fā)射成功,但受蘇聯(lián)解體影響,整個系統(tǒng)發(fā)展緩慢。直到1995年,俄羅斯耗資30多億美元,才完成了GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星星座的組網(wǎng)工作。此衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由俄羅斯國防部控制。
GLONASS系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成,原理和方案都與GPS類似,不過,其24顆衛(wèi)星分布在3個軌道平面上,這3個軌道平面兩兩相隔120°,同平面內(nèi)的衛(wèi)星之間相隔45°。每顆衛(wèi)星都在19100千米高、64.8°傾角的軌道上運(yùn)行,軌道周期為11小時15分鐘。地面控制部分全部都在俄羅斯領(lǐng)土境內(nèi)。俄羅斯自稱,多功能的GLONASS系統(tǒng)定位精度可達(dá)1米,速度誤差僅為15厘米/秒。如果需要,該系統(tǒng)還可用來進(jìn)行進(jìn)行確打擊武器制導(dǎo)。
俄羅斯對GLONASS系統(tǒng)采用了軍民合用、不加密的開放政策。GLONASS一開始就沒有加SA干擾,所以其民用精度優(yōu)于加SA的GPS。不過,GLONASS應(yīng)用普及情況則遠(yuǎn)不及GPS,這主要是俄羅斯并沒有開發(fā)民用市場。另外,GLONASS衛(wèi)星平均在軌壽命較短,由于俄羅斯航天局經(jīng)費(fèi)困難,無力補(bǔ)網(wǎng),導(dǎo)致軌道衛(wèi)星不能獨(dú)立組網(wǎng),只能與GPS聯(lián)合使用。致使使用精度大大下降。
2003年的 伊拉克戰(zhàn)爭 對俄羅斯產(chǎn)生了相當(dāng)大的震動,迫使俄羅斯領(lǐng)導(dǎo)層再次對太空的軍事用途重視起來。普京總統(tǒng)曾強(qiáng)調(diào),出于國家安全戰(zhàn)略的考慮,俄羅斯應(yīng)該使用本國的“格魯納斯”系統(tǒng),而非美國的GPS或者是歐洲的“伽利略”導(dǎo)航系統(tǒng)。俄羅斯正在著手GLONASS系統(tǒng)的現(xiàn)代化改進(jìn)工作,新一代“GLONASS-M”型導(dǎo)航衛(wèi)星已陸續(xù)投入發(fā)射,開始使用。 日前俄羅斯官方宣布,從2007年起,俄全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“格洛納斯”將全面啟動民用商業(yè)服務(wù)計劃,“格洛納斯”系統(tǒng)為俄羅斯公民提供不限制精度的導(dǎo)航定位服務(wù),將有助于促進(jìn)民用衛(wèi)星導(dǎo)航市場的發(fā)展。為“格洛納斯”帶來新的生機(jī),軍轉(zhuǎn)民計劃有望使GLONASS獲得新的生機(jī)。
2015年,“格洛納斯”系統(tǒng)實際在軌衛(wèi)星達(dá)17顆,到2007年底,“格洛納斯”系統(tǒng)將覆蓋整個俄羅斯,屆時該系統(tǒng)衛(wèi)星總數(shù)將增加到18顆;而到2009年末,該系統(tǒng)衛(wèi)星總數(shù)將增加到24顆,真正實現(xiàn)全球定位導(dǎo)航。屆時,GLONASS系統(tǒng)將具備與美國GPS系統(tǒng)相抗衡的實力。
系統(tǒng)簡介
1.GLONASS系統(tǒng)概述1982年,俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS的第一顆衛(wèi)星升空,從此開始應(yīng)用于測量與導(dǎo)航領(lǐng)域。
2.GLONASS定位技術(shù)GLONASS的定位技術(shù)與GPS相同,即以精確的定時和衛(wèi)星量程計算為基準(zhǔn)來進(jìn)行。
3.GPS與GLONASS系統(tǒng)比較GPS和GLONASS系統(tǒng)有很多相似之處,但很明顯GLONASS努力采用較少的衛(wèi)星數(shù)量。
伽利略系統(tǒng) 歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)( European globalnavigation satellite systems, E-GNSS)就是 Galileo。Galileo 笫 1、2 顆試驗衛(wèi)星 GIOV-A 和 GIOV-B 已于 2005 年和 2008 年發(fā)射升空,目的是考證關(guān)鍵技術(shù),其后有 4 顆工作衛(wèi)星發(fā)射,驗證 Galileo 的空間段和地面段的相關(guān)技術(shù)。在軌驗證(design andon-orbit verification, IOV)階段完成后,其他衛(wèi)星的部署進(jìn)一步展開,計劃 2018-2020 年達(dá)到 24 顆衛(wèi)星構(gòu)成的完全運(yùn)行能力( full operationalcapability, FOC)。
Galileo 也由空間段、運(yùn)控段和用戶段組成。星座有 24 顆衛(wèi)星分置于 3 個中圓地球軌道面內(nèi)。Galileo 信號工作的主要頻段為 E1、E5 及 E6 3 個。它們各自發(fā)射獨(dú)立的信號,發(fā)射的中心頻率分別為:1575.42、1191.795 和 1278.75 MHz。其中,E5 又分為 E5a 和 E5b 2 個子信號。為了實現(xiàn)與 GPS的兼容互操作,Galileo 的 E1 和 E5a 2 個信號的中心頻率與 GPS 的 L1 和 L5 相互重合。出于同樣的兼容互操作目的,Galileo 的 E5b 與 GLONASS 的G3 信號中心頻率重合。
Galileo 雖然提供的信息仍還是位置、速度和時間,但是 Galileo 提供的服務(wù)種類遠(yuǎn)比之前多 GPS 多,GPS 僅有民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)和軍用的精密定位服務(wù)(PPS)2 種,而 Galileo 則提供 5 種服務(wù),這就是:①公開服務(wù)(open service,OS),與 GPS的 SPS 相類似,免費(fèi)提供;②生命安全服務(wù)(safetyof life service, SoLS);③商業(yè)服務(wù)( commercialservice, CS);④公共特許服務(wù)( public regulatedservice, PRS ); ⑤ 搜 救 服 悟( search and rescuesupport service, SAR )。以上所述的前 4 種是 Galileo的核心服務(wù),最后 1 種則是支持搜救衛(wèi)星服務(wù)( search and rescue satellite-aided tracking,SARSAT)。由于生物服務(wù)的實際運(yùn)作有難度,近些年來已經(jīng)不太提及。即使這樣,Galileo 服務(wù)還是種類較多且獨(dú)具特色,它能提供完好性廣播、服務(wù)保證,以及民用控制和局域增強(qiáng)。 Galileo 的公開服務(wù)提供定位、導(dǎo)航和授時免費(fèi)服務(wù),供大眾導(dǎo)航市場應(yīng)用。生命安全服務(wù)可以同國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)標(biāo)準(zhǔn)和推薦條款(standards and recommendedpractices, SARPS)中的“垂直制導(dǎo)方法”相比擬,并提供完好性信息。商業(yè)服務(wù)是對公開服務(wù)的 1 種增值服務(wù),它具備加密導(dǎo)航數(shù)據(jù)的鑒別認(rèn)證功能,為測距和授時專業(yè)應(yīng)用提供有保證的服務(wù)承諾。公共特許服務(wù)是為歐洲/國家安全應(yīng)用專門設(shè)置的,是特許的或關(guān)鍵的應(yīng)用,以及具有戰(zhàn)略意義的活動,其衛(wèi)星信號更為可靠耐用,受成員國控制。 Galileo 提供的公共服務(wù)定位精度通常為15~20 m(單頻)和 5~10 m(雙頻)2 種檔次。公共特許服務(wù)有局域增強(qiáng)時能達(dá)到 1 m,商用服務(wù)有局域增強(qiáng)時為 10 cm~1 m。
Galileo系統(tǒng)總投資達(dá)35億歐元的伽利略計劃是歐洲自主的、獨(dú)立的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),提供高精度,高可靠性的定位服務(wù),實現(xiàn)完全非軍方控制、管理,可以進(jìn)行覆蓋全球的導(dǎo)航和定位功能。
歐盟發(fā)展 “伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng) 可以減少歐洲對美國軍事和技術(shù)的依賴,打破美國對衛(wèi)星導(dǎo)航市場的壟斷。法國總統(tǒng)希拉克曾表示,沒有“伽利略”計劃,歐洲“將不可避免地成為附庸,首先是科學(xué)和技術(shù),其次是工業(yè)和經(jīng)濟(jì)”。它是第一個民用的 全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) ,其配置、頻率分布、信號設(shè)計、安全保障及其 多層次、多方位的導(dǎo)航定位服務(wù)特點,使得它的性能比GPS系統(tǒng)更為先進(jìn)、高效和可靠;它保障了全球完整性的監(jiān)控、航空和航海的安全以及服務(wù)的不間斷,特別是提供了公開、生命安全、商業(yè)、官方控制和搜救服務(wù),極大地滿足了全球各類用戶的需求。預(yù)計其應(yīng)用市場和效益十分巨大。 “伽利略”計劃是一種中高度圓軌道衛(wèi)星定位方案?!百だ浴毙l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建立將于2007年底之前完成,2008年投入使用,總共發(fā)射30顆衛(wèi)星,其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星,3顆為候補(bǔ)衛(wèi)星。衛(wèi)星高度為24126公里,位于3個傾角為56度的軌道平面內(nèi)。該系統(tǒng)除了30顆中高度圓軌道衛(wèi)星外,還有2個地面控制中心。
歐盟伽利略計劃的首顆衛(wèi)星在2005年12月28日升空,第二顆衛(wèi)星預(yù)計在2015年發(fā)射。由于伽利略計劃采用歐盟公共機(jī)構(gòu)和聯(lián)盟內(nèi)私營企業(yè)合營的方式,而各國私營企業(yè)遲遲未就權(quán)利和利益分配達(dá)成妥協(xié)。歐盟相關(guān)發(fā)言人承認(rèn),由于上述問題的存在,伽利略系統(tǒng)實現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行的時間已經(jīng)被推遲到了2011年甚至更晚。
作為一個大型戰(zhàn)略性國際合作項目, 伽利略計劃 的實施進(jìn)展關(guān)乎多方利益。到目前為止,歐盟已經(jīng)與中國、以色列、美國、烏克蘭、印度、摩洛哥和韓國分別簽署了合作開發(fā)協(xié)議,并正在與 阿根廷 、巴西、墨西哥、挪威、智利、 馬來西亞 、加拿大以及澳大利亞等國進(jìn)行合作談判。中國是最早與歐盟簽訂伽利略計劃合作協(xié)議的非歐盟國家,承諾的投資總額達(dá)2億歐元??梢哉f,作為歐盟日益重要的全球合作伙伴之一,中國參與伽利略計劃是 中歐 雙方共同的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略利益需要。 與美國的“全球定位系統(tǒng)”(GPS)相比,建成后的伽利略系統(tǒng)將具備至少3方面優(yōu)勢:首先,其覆蓋面積將是GPS系統(tǒng)的兩倍,可為更廣泛的人群提供服務(wù);其次,其地面定位誤差不超過1米,精確度要比GPS高5倍以上,用專家的話說,“GPS只能找到街道,而伽利略系統(tǒng)則能找到車庫門”;第三,伽利略系統(tǒng)使用多種頻段工作,在民用領(lǐng)域比GPS更經(jīng)濟(jì)、更透明、更開放。伽利略計劃一旦實現(xiàn),不僅可以極大地方便歐洲人的生活,還將為歐洲的工業(yè)和商業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。更重要的是,歐洲將從此擁有自己的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),這不僅有助于打破美國GPS系統(tǒng)的壟斷地位,在全球高科技競爭浪潮中奪取有利位置,更可以為建設(shè)夢想已久的歐洲獨(dú)立防務(wù)創(chuàng)造條件。
2.Galileo系統(tǒng)的選擇與挑戰(zhàn)如何開發(fā)Galileo系統(tǒng)最終將在2000年下半年的歐洲交通運(yùn)輸部長會議上作出決定。
3.Galileo系統(tǒng)的性能Galileo系統(tǒng)提供3種等級的性能:·全球·地區(qū)·局域。
4.Gaiaieo系統(tǒng)的業(yè)務(wù) 類型系統(tǒng) 還定義了3種類型的業(yè)務(wù):·開放接入業(yè)務(wù)(OAS)?!ひ活惪刂平尤霕I(yè)務(wù)(CAS1)·二類控制接入業(yè)務(wù)(CAS2)。 5.Galileo系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Galileo系統(tǒng)的星座可由9顆 靜止衛(wèi)星 與21顆中軌道(MEO)衛(wèi)星或者完全由30顆MEO衛(wèi)星組成。 6.Galileo系統(tǒng)與GPS和GLONASS的兼容性射頻兼容性對于實現(xiàn)三個系統(tǒng)的互操作至關(guān)重要:系統(tǒng)不能相互干擾或降低接收機(jī)的性能。
作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),Gialleo的應(yīng)用范圍非常廣泛,涉及到大地測量和地球動力學(xué)服務(wù),以及運(yùn)輸、鐵路、航空、農(nóng)業(yè)、海事、工程建設(shè)、能源等領(lǐng)域。
其它系統(tǒng) 除了上述4大全球系統(tǒng)外,還包括區(qū)域系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng),其中區(qū)域系統(tǒng)有日本的 QZSS 和印度的IRNSS,增強(qiáng)系統(tǒng)有美國的WASS、日本的MSAS、歐盟的 EGNOS 、印度的GAGAN以及尼日尼亞的NIG-COMSAT-1等。