全球衛星導航系統

全球衛星導航系統

全球衛星導航系統,就是GPS技術在導航通訊領域的最新套用系統。衛星導航全球性大眾化民用,剛剛開始,有百種套用類型。衛星導航的生命期至少還有50年,GPS概念的提出已有三十年,真正套用隻有十來年,現在GPS現代化,GPS III新階段,延續到2020年。GPS國際協會已統計出GPS的117種不同類型的套用。蜂窩通信的集成和汽車套用還是當前最大的兩個市場。 衛星導航系統已經在大量套用中廣泛使用,而且總的發展趨勢是為即時套用提供高精度服務。

  • 中文名稱
    全球衛星導航系統
  • 任務
    即時套用提供高精度服務
  • 種類
    中國的北鬥導航系統等
  • 生命期
    50年

基本信息

簡介

GPS套用:精細農業、科學研究(野外生物學、氣象學、地球科學)、環境監測、突發事件和災害評估、安全保障、天體與建築工程和自然資源分析的定位。衛星導航系統為人類帶來了巨大的社會和經濟效益,迄今,比較完善的衛星導航系統已經有美國GPS和俄羅斯GLOMSS系統,歐洲計畫推出自己的衛星導航系統Galileo。

分類

衛星導航的套用是建立導航衛星系統的根本出發點,也是其最終的歸宿。通常衛星導航的套用市場可以分為三大方面,是專業市場、批量市場和安防市場。全球衛星導航系統,從套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、消費娛樂、測繪、授時、車輛監控管理,和汽車導航與信息服務,以及其它類:

全球衛星導航系統全球衛星導航系統

1. 航空 歐盟的Galileo便是新增的全球導航星座,它與GPS配合起來,可以大大提高導航衛星的可用性,使單一的GPS市區可用性從55%提高到GPS/Galileo共用時的95%。GPS技術建立廣域增強系統(WAAS)逐步代替原先的微波著陸/儀表著陸系統,美國的WAAS系統計畫在2003年下半年運營,地面改正資料可以通過靜地衛星轉發給飛機。

2. 航海 衛星導航接收機廣泛地用于海上行駛的各類船隻,DGPS則廣泛地用于沿岸與進港,以及內河行駛的船隻,精度可達到2-3m。在衛星導航接收機與無線通信手段集成後,該系統便成為一個位置報告系統和緊急救援系統。許多漁船將GPS與雷達和魚探器結合在一起,產生明顯的經濟效益。

3. 通信與導航的融合 衛星導航接收機與無線電通信機的結合是自然發生的,這種融合產生的意義是非常深遠的。實際上,這是移動電腦(PDA)、蜂窩電話和GPS接收機的系統集成和完美整合。

4. 人員跟蹤 個人跟蹤的套用需求與E911這類導航手機或稱定位手機思路相似,但其產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,便于隱藏或佩帶,如手表之類。其套用功能可以由中心加以激活或啓動,以利于獲取佩帶者所在位置。

5. 消費娛樂 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套用袋式GPS定位器,配上電子地圖,可以在草原、大漠、鄉間、山野或無人區內找到自己的目的地。

6. 測繪 GPS測繪還可用于繪圖、地藉測量、地球板塊測量、火山活動監測、GIS領域、大橋監測、水壩監測、滑坡監測、大型建築物監測等。這種測量技術的即時動態化(RTK)可以用于海洋河道公路測量,以及礦山、大型工程建設工地等作為自動化管理和機械控製。

7. 授時 GPS設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機中)和通信網路中套用。

8. 車輛監控管理

9. 汽車導航與信息服務

10. 其它

GPS系統

GPS系統是美國從上世紀70年代開始研製,歷時20年,耗資近200億美元,于1994年全面建成的新一代衛星導航與定位系統。GPS利用導航衛星進行測時和測距,具有在海、陸、空全方位即時三維導航與定位能力。它是繼阿波羅登月計畫、太空梭後的美國第三大航天工程。如今,GPS已經成為當今世界上最實用,也是套用最廣泛的全球精密導航、指揮和調度系統。

GPS全球定位系統由空間系統、地面控製系統和使用者系統三大部分組成。其空間系統由21顆工作衛星和3顆備份衛星組成,分布在20200千米高的6個軌道平面上,運行周期12小時。地球上任何地方任一時刻都能同時觀測到4顆以上的衛星。地面控製系統負責衛星的測軌和運行控製。使用者系統為各種用途的GPS 接收機,通過接收衛星廣播信號來獲取位置信息,該系統使用者數量可以是無限的。

GPS全球定位系統是美國為軍事目的而建立的。1983年一架民用飛機在空中因被誤以為是敵軍飛機而遭擊落後,美國承諾GPS免費開放供民間使用。美國為軍用和民用安排了不同的頻段,並分別廣播了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1米,而民用GPS理論精度隻有10米左右。 特別地,美國在90代中期為了自身的安全考慮,在民用衛星信號上加入了SA (Selective Availability),進行人為擾碼,這使得一般民用GPS接收機的精度隻有100米左右。2000年5月2日,SA幹擾被取消,全球的民用GPS接收機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。美國之所以停止執行SA政策,是由于美國軍方現已開發出新技術,可以隨時降低對美國存在威脅地區的民用GPS精度,所以這種高精度的GPS技術才得以向全球免費開放使用。

受套用需求的刺激,民用GPS技術蓬勃發展,出現了DGPS(差分GPS)、WAAS(地面廣播站型態的修正技術)等技術,進一步提高民用GPS的套用精度。2005年,美國開始發射新一代GPS衛星,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,新衛星陸續使用,GPS定位系統的精度和穩定性都比過去更理想,這必將大大拓展GPS套用與消費需求。此外新衛星也提供更優秀的軍用支持能力,當然這隻對美國軍方及其盟友有益。

2.GPS系統概述 GPS系統由空間部分、地面測控部分和使用者設備三部分組成。

(1)空間部分 GPS系統的空間部分由空間GPS衛星星座組成。

(2)控製部分 控製部分包括地球上所有監測與控製衛星的設施。

(3)使用者部分 GPS使用者部分包括GPS接收機和使用者團體。

2.GPS定位服務 聯邦無線電導航計畫中規定的GPS定位服務包括精密定位服務(PPS)和標準定位服務(SPS)。

(1)PPS 授權的精密定位系統使用者需要密碼設備和特殊的接收機,包括美國軍隊、某些政府機構以及批準的民用使用者。

(2)SPS 對于普通民用使用者,美國政府對于定位精度實施控製,僅提供SPS服務。SPS服務可供全世界使用者免費、無限製地使用。

3.GPS設備成本 GPS接收機的價格差異很大,一般取決于接收機的功能。小型民用SPS接收機的價格不足200美元。

北鬥系統

中國這個要逐步擴展為全球衛星導航系統的北鬥導航系統(COMPASS),將主要用于國家經濟建設,為中國的交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安以及其他特殊行業提供高效的導航定位服務。建設中的中國北鬥導航系統(COMPASS)空間段計畫由五顆靜止軌道衛星和三十顆非靜止軌道衛星組成,提供兩種服務方式,即開放服務和授權服務。北鬥衛星將逐步擴展為全球衛星導航系。中國將陸續發射系列北鬥導航衛星,逐步擴展為全球衛星導航系統。

2003年5月25日,我國成功地將第三顆"北鬥一號"導航定位衛星送入太空。前兩顆"北鬥一號"衛星分別于2000年10月31日和12月21日發射升空,第三顆發射的是導航定位系統的備份星,它與前兩顆"北鬥一號"工作星組成了完整的衛星導航定位系統,確保全天候、全天時提供衛星導航信息。這標志著我國成為繼美國全球衛星定位系統(GPS)和前蘇聯的全球導航衛星系統(GLONASS)後,在世界上第三個建立了完善的衛星導航系統的國家,

我國的"北鬥一號"衛星導航系統是一種"雙星快速定位系統"。突出特點是構成系統的空間衛星數目少、使用者終端設備簡單、一切復雜性均集中于地面中心處理站。"北鬥一號"衛星定位系統是利用地球同步衛星為使用者提供快速定位、簡短數位報文通信和授時服務的一種全天候、區域性的衛星定位系統。系統的主要功能是:

1、定位:快速確定使用者所在地的地理位置,向使用者及主管部門提供導航信息。

2、通訊:使用者與使用者、使用者與中心控製系統間均可實現雙向短數位報文通信。

3、授時:中心控製系統定時播發授時信息,為定時使用者提供時延修正值。

"北鬥一號"的覆蓋範圍是北緯5°一55°,東經70°一140°之間的心髒地區,上大下小,最寬處在北緯35°左右。其定位精度為水準精度100米,設立標校站之後為20米(類似差分狀態)。工作頻率:2491.75MHz。系統能容納的使用者數為每小時540000戶。

2007年2月3日零時28分,我國在西昌衛星發射中心用"長征三號甲"運載火箭,成功將北鬥導航試驗衛星送入太空。這是我國發射的第四顆北鬥導航試驗衛星,從而拉開了建設"北鬥二號"衛星導航系統的序幕。2007年4月14日,我國又將成功將第五顆"北鬥"導航衛星送入太空。

"北鬥"導航衛星系統是世界上第一個區域性衛星導航系統,可全天候、全天時提供衛星導航信息。與其它全球性的導航系統相比,它能夠在很快的時間內建成,用較少的經費建成並集中服務于核心區域,是十分符合我國國情的一個衛星導航系統。 "北鬥"導航定位衛星工程投資少,周期短;將導航定位、雙向資料通信、精密授時結合在一起,因而有獨特的優越性。

中國正大力建設"北鬥"衛星導航系統,計畫在2008年左右滿足中國及周邊地區使用者對衛星導航系統的需求,並進行系統組網和試驗,2010年逐步擴展為全球衛星導航系統。

"北鬥"衛星導航系統除了在我國國家安全領域發揮重大作用外,還將服務于國家經濟建設,提供監控救援、信息採集、精確授時和導航通訊等服務。可廣泛套用于船舶運輸、公路交通、鐵路運輸、海上作業、漁業生產、水文測報、森林防火、環境監測等眾多行業。

北鬥衛星導航系統是中國自主建設、獨立運行,並與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統,可在全球範圍內全天候、全天時為各類使用者提供高精度高可靠的定位、導航、授時服務,並兼短報文通信能力。

北鬥衛星導航系統正按照"三步走"的發展戰略穩步推進。第一步,2000年建成北鬥衛星導航試驗系統,使中國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。第二步,建設北鬥衛星導航系統,2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區的服務能力。第三步,2020年左右,北鬥衛星導航系統將形成全球覆蓋能力。

格洛納斯系統

"格洛納斯"GLONASS是前蘇聯從80年代初開始建設的與美國GPS系統相類似的衛星定位系統,覆蓋範圍包括全部地球表面和近地空間,也由衛星星座、地面監測控製站和使用者設備三部分組成。雖然"格洛納斯"系統的第一顆衛星早在1982年就已發射成功,但受蘇聯解體影響,整個系統發展緩慢。直到1995年,俄羅斯耗資30多億美元,才完成了GLONASS導航衛星星座的組網工作。此衛星網路由俄羅斯國防部控製。

GLONASS系統由24顆衛星組成,原理和方案都與GPS類似,不過,其24顆衛星分布在3個軌道平面上,這3個軌道平面兩兩相隔120°,同平面內的衛星之間相隔45°。每顆衛星都在19100千米高、64.8°傾角的軌道上運行,軌道周期為11小時15分鍾。地面控製部分全部都在俄羅斯領土境內。俄羅斯自稱,多功能的GLONASS系統定位精度可達1米,速度誤差僅為15釐米/秒。如果需要,該系統還可用來為精確打擊武器製導。

俄羅斯對GLONASS系統採用了軍民合用、不加密的開放政策。GLONASS一開始就沒有加SA幹擾,所以其民用精度優于加SA的GPS。不過,GLONASS套用普及情況則遠不及GPS,這主要是俄羅斯並沒有開發民用市場。另外,GLONASS衛星平均在軌壽命較短,由于俄羅斯航天局經費困難,無力補網,導致軌道衛星不能獨立組網,隻能與GPS聯合使用。致使實用精度大大下降。

2003年的伊拉克戰爭對俄羅斯產生了相當大的震動,迫使俄羅斯領導層再次對太空的軍事用途重視起來。普京總統曾強調,出于國家安全戰略的考慮,俄羅斯應該使用本國的"格魯納斯"系統,而非美國的GPS或者是歐洲的"伽利略"導航系統。俄羅斯正在著手GLONASS系統的現代化改進工作,新一代"GLONASS-M"型導航衛星已陸續投入發射,開始使用。

日前俄羅斯官方宣布,從2007年起,俄全球衛星導航系統"格洛納斯"將全面啓動民用商業服務計畫,"格洛納斯"系統為俄羅斯公民提供不限製精度的導航定位服務,將有助于促進民用衛星導航市場的發展。為"格洛納斯"帶來新的生機,軍轉民計畫有望使GLONASS獲得新的生機。

2015年,"格洛納斯"系統實際在軌衛星達17顆,到2007年底,"格洛納斯"系統將覆蓋整個俄羅斯,屆時該系統衛星總數將增加到18顆;而到2009年末,該系統衛星總數將增加到24顆,真正實現全球定位導航。屆時,GLONASS系統將具備與美國GPS系統相抗衡的實力。

系統簡介

1.GLONASS系統概述 1982年,俄羅斯衛星導航系統GLONASS的第一顆衛星升空,從此開始套用于測量與導航領域。

2.GLONASS定位技術 GLONASS的定位技術與GPS相同,即以精確的定時和衛星量程計算為基準來進行。

3.GPS與GLONASS系統比較 GPS和GLONASS系統有很多相似之處,但很明顯GLONASS努力採用較少的衛星數量。

伽利略系統

Galileo系統總投資達35億歐元的伽利略計畫是歐洲自主的、獨立的民用全球衛星導航系統,提供高精度,高可靠性的定位服務,實現完全非軍方控製、管理,可以進行覆蓋全球的導航和定位功能。

歐盟發展"伽利略"衛星定位系統可以減少歐洲對美國軍事和技術的依賴,打破美國對衛星導航市場的壟斷。法國總統希拉克曾表示,沒有"伽利略"計畫,歐洲"將不可避免地成為附庸,首先是科學和技術,其次是工業和經濟"。

"伽利略"計畫是一種中高度圓軌道衛星定位方案。"伽利略"衛星導航定位系統的建立將于2007年底之前完成,2008年投入使用,總共發射30顆衛星,其中27顆衛星為工作衛星,3顆為候補衛星。衛星高度為24126公裏,位于3個傾角為56度的軌道平面內。該系統除了30顆中高度圓軌道衛星外,還有2個地面控製中心。

歐盟伽利略計畫的首顆衛星在2005年12月28日升空,第二顆衛星預計在2015年發射。由于伽利略計畫採用歐盟公共機構和聯盟內私營企業合營的方式,而各國私營企業遲遲未就權利和利益分配達成妥協。歐盟相關發言人承認,由于上述問題的存在,伽利略系統實現商業運行的時間已經被延後到了2011年甚至更晚。

作為一個大型戰略性國際合作項目,伽利略計畫的實施進展關乎多方利益。到目前為止,歐盟已經與中國、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協定,並正在與阿根廷、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行合作談判。中國是最早與歐盟簽訂伽利略計畫合作協定的非歐盟國家,承諾的投資總額達2億歐元。可以說,作為歐盟日益重要的全球合作伙伴之一,中國參與伽利略計畫是中歐雙方共同的經濟和戰略利益需要。

與美國的"全球定位系統"(GPS)相比,建成後的伽利略系統將具備至少3方面優勢:首先,其覆蓋面積將是GPS系統的兩倍,可為更廣泛的人群提供服務;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隻能找到街道,而伽利略系統則能找到車庫門";第三,伽利略系統使用多種頻段工作,在民用領域比GPS更經濟、更透明、更開放。伽利略計畫一旦實現,不僅可以極大地方便歐洲人的生活,還將為歐洲的工業和商業帶來可觀的經濟效益。更重要的是,歐洲將從此擁有自己的全球衛星定位系統,這不僅有助于打破美國GPS系統的壟斷地位,在全球高科技競爭浪潮中奪取有利位置,更可以為建設夢想已久的歐洲獨立防務創造條件。

2.Galileo系統的選擇與挑戰 如何開發Galileo系統最終將在2000年下半年的歐洲交通運輸部長會議上作出決定。

3.Galileo系統的性能 Galileo系統提供3種等級的性能: ·全球·地區·局域。

4.Gaiaieo系統的業務類型 系統還定義了3種類型的業務: ·開放接入業務(OAS)。·一類控製接入業務(CAS1)·二類控製接入業務(CAS 2)。

5.Galileo系統的體系結構 Galileo系統的星座可由9顆靜止衛星與21顆中軌道(MEO)衛星或者完全由30顆MEO 衛星組成。

6.Galileo系統與GPS和GLONASS的兼容性 射頻兼容性對于實現三個系統的互操作至關重要:系統不能相互幹擾或降低接收機的性能。

GPS發展歷程

GPS的發展大約經歷了幾個階段:

第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年,共發射了4顆試驗衛星。研製了地面接收機及建立地面跟蹤網。

全球衛星導航系統全球衛星導航系統

第二階段為全面研製和試驗階段。從1979年到1984年,又陸續發射了7顆試驗衛星,研製了各種用途接收機。實驗表明,GPS定位精度遠遠超過設計標準。

第三階段為實用組網階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功,表明GPS系統進入工程建設階段。1993年底實用的GPS網即(21+3)GPS星座已經建成,今後將根據計畫更換失效的衛星。

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