佘樂(lè)
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現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的研究進(jìn)展
佘樂(lè)
中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司,河北 石家莊 050081
中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是國(guó)家正在建設(shè)的重要空間信息基礎(chǔ)設(shè)施,可廣泛用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。從2004年4月正式運(yùn)營(yíng)、全面對(duì)民用用戶開放至今,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,工作狀態(tài)良好,已在諸多領(lǐng)域開始逐步發(fā)揮重要作用。目前,北斗系統(tǒng)的應(yīng)用水平與國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比,還明顯處于劣勢(shì),這與該系統(tǒng)作為世界上第三個(gè)投入實(shí)際應(yīng)用服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地位不相稱,必須采取有力措施,推進(jìn)北斗系統(tǒng)應(yīng)用,使其更好地為我國(guó)的國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。
北斗衛(wèi)星;導(dǎo)航;系統(tǒng)研究
中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS),國(guó)際注冊(cè)名稱COMPASS,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立發(fā)展、自主運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是國(guó)家和軍隊(duì)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)制信息權(quán)的重要手段。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是繼美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略之后,全球第四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),具有導(dǎo)航和通信相結(jié)合的服務(wù)特色[1]。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是:建成獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成,形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系,推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用[2]。
北斗系統(tǒng)按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,遵循“先區(qū)域、后全球”的總體思路,建成了北斗一號(hào)、二號(hào)系統(tǒng),正在開展北斗全球系統(tǒng)建設(shè)[3]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將于2012年前具備亞太地區(qū)區(qū)域服務(wù)能力,2020年左右建成由20余顆衛(wèi)星、地面段和各類用戶終端構(gòu)成的、覆蓋全球的大型航天系統(tǒng)。截至目前,我國(guó)已成功發(fā)射22顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為全球用戶提供開放、穩(wěn)定、可靠的定位定向、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、精密測(cè)速、精確授時(shí)、位置報(bào)告、短信服務(wù)六大功能,定位精度10米,測(cè)速精度0.2米/秒,授時(shí)精度20納秒。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成,包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點(diǎn)位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°,中地球軌道衛(wèi)星運(yùn)行在3個(gè)軌道面上,軌道面之間為相隔120°均勻分布。至2012年底北斗亞太區(qū)域?qū)Ш秸介_通時(shí),已為正式系統(tǒng)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了16顆衛(wèi)星,其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù),分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(均在傾角55°的軌道面上),4顆中地球軌道衛(wèi)星(均在傾角55°的軌道面上)。
衛(wèi)星導(dǎo)航原理:衛(wèi)星至用戶間的距離測(cè)量是基于衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射時(shí)間與到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間之差,稱為偽距。為了計(jì)算用戶的三維位置和接收機(jī)時(shí)鐘偏差,偽距測(cè)量要求至少接收來(lái)自4顆衛(wèi)星的信號(hào)。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分構(gòu)成:(1)空間段:北斗導(dǎo)航衛(wèi)星持續(xù)發(fā)射載有導(dǎo)航電文的無(wú)線電波,提供給地球上的各種接收機(jī)來(lái)應(yīng)用。(2)地面段:為追蹤及控制北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn),在地面設(shè)置了主控站、注入站和監(jiān)控站,主要工作是收集數(shù)據(jù),計(jì)算導(dǎo)航信息,監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài),調(diào)度衛(wèi)星,修正與維護(hù)每顆衛(wèi)星的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)等。(3)用戶段:包括北斗系統(tǒng)用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端??梢宰粉櫛倍穼?dǎo)航衛(wèi)星,并實(shí)時(shí)地計(jì)算出接收機(jī)所在位置的坐標(biāo)、移動(dòng)速度及時(shí)間。接收機(jī)可分為袖珍式、背負(fù)式、車載、船載、機(jī)載等等。
4.1 定位終端工作原理
定位終端工作原理見圖1。
圖1 定位終端工作原理
定位終端的工作原理及組成部分:
接收機(jī)天線:天線由接收機(jī)天線和前置放大器兩部分組成。
變頻和中頻放大:信號(hào)通道:它是接收機(jī)的核心部分,其作用是搜索、牽引并跟蹤衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)實(shí)行解擴(kuò),解調(diào)出導(dǎo)航電文,進(jìn)行偽距測(cè)量,載波相位測(cè)量及多普勒頻移測(cè)量。
儲(chǔ)存器:它主要儲(chǔ)存衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、偽距觀測(cè)值、載波相位觀測(cè)值及多普勒頻移。
微處理器:它是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的靈魂,是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的控制部分。其作用是:對(duì)接收機(jī)自測(cè)、測(cè)定、搜譜衛(wèi)星信號(hào),進(jìn)行有關(guān)計(jì)算(如觀測(cè)站三維坐標(biāo)、導(dǎo)航參數(shù)等),接收用戶輸入的信息(如測(cè)站點(diǎn)、測(cè)站號(hào)、觀測(cè)員姓名、天線高、氣象參數(shù)等),以及進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊等。
顯示器(可通過(guò)藍(lán)牙連接,把顯示及操作部分集成于手持PDA端)電源。
4.5 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位終端現(xiàn)狀
隨著我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)并投入使用,在接收機(jī)相關(guān)技術(shù)、芯片技術(shù)等領(lǐng)域已經(jīng)取得很大的進(jìn)步和成就。
[1]朱新慧.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)距精度評(píng)價(jià)方法研究[J].全球定位系統(tǒng),2007(5):165-166.
[2]中國(guó)人民解放軍總裝備部.全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)檢定規(guī)程:GJB6564-2008[S].
[3]楊元喜,李金龍,王愛兵,等.北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評(píng)估中國(guó)科學(xué)[J].地球科學(xué),2014(44):72-81.
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1009-6434(2016)05-0077-01