十 31, 2012 - file 滑坡监测   comment No Comments

全球卫星定位系统的国内外现状

1、美国GPS系统自身的更新

美国为了充分 利用GPS系统的商业价值,独霸全球的导航定位市场,近年来对GPS系统进行了一系列的更新。首先,从2000年5月2日起,停止实施 “SA”政策,并将在GPS卫星L2频率信号上增设C/A码。2005年前,在GPS新型工作卫星Block II F上增设第三频率1176.45MHz,以提高GPS动态和静态定位精度。GPS III计划除了继承GPS更新计划外,重点是放弃现有24颗中高轨道(MEO)卫星星座方案,采用全新的33颗HEO+GEO卫星星座(HEO为高椭圆倾 角轨道,GEO为在赤道上空的静止卫星),除采用更稳定的频标和提高信号可靠性等措施外,GPS III卫星将采用新的M码以增强保密和抗干扰功能。GPSIII预计在2015~2020年投入运行,计划将对军用平台提供25年的卫星导航服务。

2、欧洲伽利略计划

为打破美国全球定位系统独霸天下的局面,开创欧盟空间大地测量和航天事业的新阶段,2002年3月26日,欧盟15个成员国的交通部长在布鲁塞尔决定开始 启动伽利略卫星导航定位系统计划。该计划基于如下三点考虑:

  • 政治和军事上。目前的GPS系统在全世界各个领域的广泛应用,使得各国在技术、市场、军事等 方面对美国有过多依赖,欧盟要想独立成为多边世界的一极,实现欧洲自主防务,必须打破这种依赖;
  • 技术上。欧盟意识到卫星导航在未来的应用会更加广泛而普 及,然而目前这种技术由美国和俄罗斯的军方控制,要想在巨大的市场中为欧洲的高科技产业界创造机会,为他们进入这一市场提供了关键技术的平台必须打破技术 垄断,而作为一项基础设施,首先要建立一套卫星导航系统;
  • 安全上。由军方控制的GPS和GLONASS系统,一般用户只能获得定位服务,信号的安全性和 连续性都是没有保证的,一旦信号错误或者信号被关闭,对用户造成的影响是难以估计的,有的甚至危及生命安全。

Galileo 系统并不是重复GPS或者是GLONASS系统,它由民间组织控制,保证服务的连续性和完好性;系统本身提供了比“定位”更多的服务,侧重 于导航,卫星的覆盖度更高,定位精度更高(更好的星座设计),提供系统完备性参数和系统错误警告等信息;和GPS、GLONASS系统兼容,为用户提供多 样的服务。

3、星基增强系统(SBAS)

为增强现有GPS和GLONASS系统的导航性能,美国联邦航空局(FAA)、欧 洲和日本提出了三种SBAS:WAAS、EGNOS和MSAS系统。这三 种SBAS系统的功能大致相同,其特点是:①通过地球静止卫星(GEO)发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息;②通过GEO卫 星发播GPS和GEO卫星完整的数据;③GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号。这三个系统都正在加紧建设中,WAAS和EGNOS即将全面运行,MSAS将在2005年全面运行。他们建成后,将形成一个全球无缝的导航 系统,使用一种GPS导航设备,飞机即可飞遍全球。

4、我国“北斗一号”导航定位系统

“北斗一号“卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位,间断数字报文通信和授时服务的一种全天候,区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是:

  • 定位。快速确定用户所在点的地理位置,向用户机主管部门提供导航信息。
  • 通信。用户与用户,用户与中心控制系统间均可实行双向简短数字报文通信。
  • 授时。中心控制系统定时播发授时信息,为定时用户提供时延修正值。

“北 斗一号“的覆盖范围是在北纬5度~6度,东经70度~140度之间的一个心脏形区域,上大下小,最宽出在北纬35度左右。其定位精度是水平100米 (1σ),进行差分后水平精度为20米;高程控制精度为10米,系统能容纳的用户数每小时为540,000户;其定位响应时间为:1类用户<5 秒,2类用户<2秒,3类用户<1秒;一次定位成功率为95%。“北斗一号”导航定位系统由于固有的特性,仍存在不足之处:用户采用主动式定 位;用户数量有限;定位数据实时性差;生存能力不强,系统的抗干扰性较差;定位依赖数字地图。

“北斗一号”导航定位系统是我国自主建立发 展起来的,从卫星的制造到利用运载火箭发射卫星上天,都是我国的航天部门一手打造的。尽管“北斗一号”只有两颗 卫星,无法达到美国GPS系统和俄罗斯GLONASS系统的功能,实现不了三维的实时定位,精度和覆盖范围方面也不尽人意,但它毕竟是我国开发自己的卫星 导航定位系统的一个尝试。

 我国发展民用系统产业化的战略

1、瞄准重大应用领域,军民用兼顾,开拓新的经济增长点

导航卫星系统已经是关系到国计民生的一项事业。它在军事、科研、经济和日常生活中发挥着越来越大的作用。
军 事上,现代的战争已经脱离了传统的意义,从海湾战争、科索沃战争到伊拉克战争可以看出,现代战争的表现形式是信息战、高科技战。美国及其盟国能以极小的 人员伤亡迅速获得战争的胜利,是依靠装备精良的高度信息化武器在GPS系统中自如地调度。在伊拉克战争中,英美联军陆海空交互式协同作战、远程统一指挥、 直接纵深目标打击(一开始就针对首都巴格达)、实时捕捉战场信息、远程精确轰炸(实施轰炸的同时巴格达市民仍然能照常活动)等等,将战略、战役和战术融为 一体。如果没有以美国的GPS系统为支撑的全球大地测量框架支持,英美联军在伊拉克战场上就会象一盘散沙,步履艰难。

我国虽然一直倡导和平自主,但世界局势变幻莫测,我们不能放松国防建设,很重要的一方面就是建立自主的高精度的卫星导航定位系统。
科 研上,卫星导航定位系统也发挥着巨大的作用。全球卫星定位系统目前广泛于监测地球质心、地球自转(极移、日长)及时间变化,建立和维护全球地心坐标参考 框架(如ITRF),以及区域性大地测量系统之间的联测,监测全球性板块运动和地球动力学,建立和维护国家地心坐标框架,监测地壳相对运动、确定固体潮参 数,联合水准测量技术测量高精度的大地水准面高,电离层和中性大气反演以及气象学研究,卫星跟踪地球重力场和大气探测,以及航天器或地球卫星精密定轨、导 航与对接等科学目的。

经济上,卫星导航定位系统对我国经济的拉动可以主要体现在以下几个方面:

  • 车辆导航。我国人 口众多,GDP持续增长,汽车拥有量也不断提升。如果1%的 家庭买车,全国将会有大约三百万辆车。一辆车装备卫星定位系统接收机的费用暂定为一万元,这个市场将会有300亿!基于全球卫星定位系统的车辆导航也是组 成智能交 通系统(ITS)的重要部分,它世界上公认的从根本上解决交通问题的最有效途径。
  • 移动电话。将卫星导航定位技术与移动电话相结合,可以提供一种基于位 置的服务(LBS)。中国手机用户增长率非常快,手机拥有量已经排名世界第二,在这个巨大的市场上,蕴藏着无限的商机。
  • 卫星导航系统在资源调查、物理 勘探、石油钻探、农业、林业、渔业等领域大有市场。
  • 在体育,娱乐,探险和救生方面也大有用武之地。

我 国在导航应用产业领域具有很大的市场,目前已显示出了巨大的经济效益。在导航方面,我国的大量的船只,飞机具有很大的市场份额。我国车辆数目庞大,发展 势头强劲,而我国的交通基础设施相对落后,这就造成了对导航的一个更为迫切的需求,这方面的市场潜力不可估量。在定位方面,目前在测绘领域已基本大部分在 利用GPS进行常规的测量和工程建设。在其他的应用方面,比如资源勘探、气象预报等许多应用行业都已经采用了GPS系统,有的是GPS与GLONASS系 统的集成。

我国发展卫星导航事业的话,将会在国内形成和推动许多相关产业的发展。分析产业价值链:卫星导航的产业链基本构成有空间段、地 面段和应用段。其中空间段属 于一次性投资,地面段大部分也属于一次性投资,二者构成建设期的固定资产投资;而应用段的功能是产品(和服务)制造,是可持续增长的利润来源阶段。它可以 对卫星制造产业和很多相关硬件产业的在经济上和技术上带来很大的发展。在积累了相当的经验,和具有了一定的技术实力后,我国在这方面就可以参与国际竞争, 推动我国卫星制造产业的大力发展。

2、在已有的基础上发展,降低系统技术开发成本

我国的导航事业发展了很多年,已经积累了大量的地面基础设施,经过适当改造,可以利用它们为我国即将发展得卫星导航系统服务。我国的地面基础设施主要包括:“北斗一号”系统的地面中心控制站和参考站、GPS跟踪站、刚完成的广域差分增强系统、以及人卫激光观测站等。

“北 斗一号”是我国正在独立自主设计与建设的一种全天侯、区域性的卫星定位系统。 “北斗一号”系统的地面控制中心站可扩建为新一代导航系统的地面控制中心站。利用它对卫星进行监控与管理,处理卫星调度、维持和补充等,根据其他监测站所 传送的观测资料,推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数,并将这些数据通过其他的地面站上行到卫星。

北斗一号”的若干个地面 跟踪站主要是用于导航卫星的轨道跟踪与卫星的完好性监测,在此基础上,我们可以将其改造为新系统的跟踪系统,扩充新的跟踪站,以 确保导航和完备性数据的处理。导航控制主要用于:整个星座的轨道确定与轨道外推;监测卫星的工作状况;在轨卫星钟的标准化;在轨信号精度的预测;生成地心 参考框架;产生导航数据信息。完备性探测主要包括:对区域(或全球)覆盖的信号进行完备性监测;实时授即可观测到的完备性数据;集中处理生成所有卫星的完 备性数据;提供所有卫星的完备性标识符。

我国正在加紧建设区域性GPS导航增强系统。利用 “北斗一号”的卫星导航增强系统是我国计划研制和建设的广域差分GPS系统。利用增强系统的地面设施,对卫星进行监测管理的目的,利用它的通信链路实现卫星和地面段的通信。

我国目前拥有若干个分布全国的GPS跟踪站和人卫激光观测站,经过适当的改造即可执行对我国新一代导航卫星的监测任务。利用人卫观测的高精度特点,完成对我国的导航卫星的高精度定轨,为进一步的导航定位服务创造条件。

由 此可见,我国有大量的地面基础设施,经过适当的改造即可为我国的新一代导航定位系统提供地面控制中心站和卫星的监测跟踪站,导航信息的注入站等,为卫星 导航系统的建设节省了大量的开支。改造工作要进行严密的统筹规划,必须要考虑到地理的分布和各种不同类型地面站的数量等因素,使其在新系统中承担不同的职 责,达到对原有地面设施的最优利用和完成新系统的最优设计。

3、与国外系统兼容,增强我国系统的可靠性与抗干扰性

为了抓住卫星导航系统所拥有的巨大商机,夺回国内市场,进一步参与国际竞争与合作,我国第二代卫星导航系统应该与国际导航系统兼容。
要 做到与国外系统的兼容性,主要通过对GPS/GLANASS/Galileo三个系统和我国的卫星导航定位系统的卫星坐标系统、卫星钟时间标准、接收机 信号及导航电文格式的研究,制定组合后卫星导航系统的响应信号通讯标准和数据格式标准,达到与国际同步,多星座组合导航坐标框架及时间系统标准及格式。

国 家安全、信息战争、航天安全、海洋安全、抗灾救灾、交通安全、紧急救援、突发事故处理、探险等等与国民经济和社会发展许多领域紧密关联的事务,对卫星定 位系统的可靠性和抗干扰性要求最高,必需保证在任何时候不受国外敌对势力干扰,且导航系统在空间覆盖和时间连续性两方面都是无缝连接的。

为此,需要采取相应对策:

  • 导航卫星地面跟踪站的跟踪方式采用两种或两种以上,如增加具有抗电子干扰功能的卫星激光测距跟踪方式;
  • 建立能同时跟踪多种导 航卫星系统的卫星地面跟踪站网络,并建立星基增强系统,实现信息服务自动化;
  • 开发能接收和处理多种导航卫星信号的多星融合接收设备及硬软件系统,提高定 位导航的可靠性。

对发展我国民用全球定位系统的建议

我 国自主的卫星导航系统的发展,必须立足于我国的基本国情,目标是要建成一个具有世界先进水平的区域(或全球)卫星导航定位系统,以满足高技术条件下局部 战争对导航定位的需要,逐步建成一个战术性能良好,运行稳定可靠,于未来军事斗争任务和武器装备发展相适应,完全自主的卫星导航定位系统。该系统应是一个 全天候、连续、三维、被动式的高精度全球导航定位和定时系统,支持陆地,海洋和空中用户导航定位的需要,同时能做到与GPS/GLONASS/ GALILEO系统兼容。

1、完全自主,适合中国国情

导航卫星系统必须具有自主的控制能力,不能把未来高技术战争的保障手段掌握在别人手中。系统的建设和发展必须符合中国国情,即要与国防和国民经济建设的需要相适应,又要与技术,经济承受能力相适应。

2、加强国际合作,扬长避短,实现跨越式发展

我 国的导航事业的发展要想出于世界的领先水平,必须要加强国际合作,加快我国的卫星导航系统的发展步伐。要根据国内需求,跟踪国际先进理论和技术,充分研 究分析国际成功的经验,特别是不完善的经验教训,扬长避短,从更高水平和更可靠的起点着手,结合我国国情,实现跨越式发展,避免全盘照搬国外技术。努力提 高我国民用全球定位系统的技术先进性和中国特色,为提高国际地位、开拓国际市场创造良好的科技环境。

3、先区域覆盖后全球覆盖

我 国的卫星导航系统可以考虑先满足我国境内和周边地区的导航与定位需求。我国的地理覆盖范围是纬度方向跨度为65度,中心地带经度为东经110度,重点的 区域覆盖范围是北纬0至55度,东经55度至180度,要求能在这个区域上完成高精度的导航定位服务。对区域星座的设计必须考虑到能使它容易扩充成全球星 座,目前针对我国卫星导航系统的区域星座设计方案一般有两种:

  • X MEO+Y GEO。按照Walker星座设计规则,由于其良好的统一性与对称性,对地球单一和复合性覆盖,具有很高的效率。GEO作为系统的增强部分,同时也可以作 为GPS,GLONASS,GALILEO等系统的增强部分。区域设计阶段X=3,Y=9,卫星均匀分布在3个近圆轨道面上,倾角为55度,这种设计能保 证我国地区大部份时间的连续高精度的定位。面向全球覆盖时,X=4,Y=24,此时的星座设计可以达到全球覆盖,并能满足全天候高精度定位的要求;
  • X IGSO+Y GEO。IGSO卫星具有良好的区域覆盖性和可扩展性,与GEO卫星结合构成稳定的区域卫星导航系统。初期采用3GEO+3IGSO布局可以达到良好的区 域覆盖效果,经过逐步的扩充,后期采用6GEO+18IGSO星座即可以达到全球覆盖的目的。

4、承前启后、军民两用、促进相关产业发展和科技进步

充分利用现有的技术条件和基础设施,兼顾民用和军用需求;在构建全球定位系统的同时,充分考虑所涉及的基础设施及其支持下的高新技术体系对将来我国国民经济发展与信息产业,空间技术、航天工程、地球科学以及新军事体系构建的支持和推动作用,促进相关产业发展与科技进步。

5、系统和用户平稳过渡与发展

导航卫星系统空间段的卫星数量多,地面系统复杂,投资大,建设和使用周期长,用户数量大,涉及面广。系统的体制规划既要考虑当前利益,又要考虑导系统的发展。在不同阶段的导航服务中,体制上要具有一定的兼容性,要保证系统和用户平稳过渡与发展。
总之,我国的卫星导航事业的发展要立足于我国的国情,抓住一切机遇与挑战,积极参与国际合作,吸取国外的先进技术与成功经验,以达到我国卫星导航事业快速发展的目的。

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