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GNSS是什么意思 GNSS系统

时间:2012-12-11浏览:责任编辑:四川拓图测绘仪器

GNSS的概念

GNSS系统:GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写。很长时间以来,它有两个译名:全球卫星导航系统和全球导航卫星系统。

GNSS的发展

早在20世纪90年代中期开始,欧盟为了打破美国在卫星定位、导航、授时市场中的垄断地位,获取巨大的市场利益,增加欧洲人的就业机会,一直在致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划,称之为Global Navigation Satellite System。

该计划分两步实施:

第一步是建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为GNSS-1,即后来建成的EGNOS);

第二步是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统,即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统。

由此可见,GNSS从一问世起,就不是一个单一星座系统,而是一个包括GPS、GLONASS等在内的综合星座系统。

近年来,GPS接收机制造厂商纷纷推出高性能GNSS接收机。如PENTAX的Smart 78/88、Smart 8800,后者更是可以升级到72通道,成为真正意义上的GNSS接收机。

综上所述,GNSS的中文译名应为全球导航卫星系统。

《GNSS应用与方法》介绍

《GNSS应用与方法》系统介绍GNSS(全球导航卫星系统)的应用及其方法。

《GNSS应用与方法》书共17章:第1~5章讲述GNSS导航的基础知识,如GNSS信号捕获和跟踪,GNSS位置、速度和时间(PVT)估计,差分GPS技术和算法等,其中包括位置和速度应用的GNSS测量模拟器演示以及一个完整的GPS软件接收机实现;第6~16章深入阐述GNSS与其他导航系统(如惯性导航器、LADAR、各种射频测量、罗兰系统等)的组合,以及GNSS在航空航天、室内和弱信号导航、掩星、大地测量、环境遥感等领域的应用;第17章是针对GPS开发的新导航信号和未来系统的概述。

《GNSS应用与方法》由本领域的知名专家学者撰写,内容丰富,体系完整,各章均包含实际应用案例,并在随书附带的DVD光盘中提供了相应的程序代码,便于读者亲自动手操作和练习。

GNSS系统及其技术的发展研究

2007 年4 月14 日我国发射第一颗Compass(北斗) 导航卫星,标志着中国正式进入全球导航卫星系统( GNSS) 俱乐部,成为笫四个成员国,也可能是最后一个成员,至少在2020 年前只有GPS(美国) 、GLONASS (俄罗斯) 、Galileo ( 欧洲) 和Compass (中国) 四大系统能形成全球规模的系统,其它系统仅仅作为区域系统和广域增强系统加入。

1) GNSS 的定义和系统构成

GNSS 是全球导航卫星系统的英文缩写,也是所有卫星导航系统的统称,包括全球系统( GPS/GLONASS/ Galileo/ Compass) 、区域系统(QZSS/IRNSS) 和广域增强系统(WAAS/ EGNOS/ SD2CM/ MSAS/ GA GAN/ NiSatCom-1) 。在2020 年前,全球星座基本上有四大系统,其中美国GPS 将实现GPS III 计划,预计星座的卫星数达到30 颗中轨卫星。俄国的GLONSS 实现K星计划,在L1与L5 上实现与GPS 兼容,改为CDMA 制式,从2010 年开始发第一个信号为CDMA 制式的GLO2NASS - K 星,最终达到24 颗中轨卫星的额定状态。欧洲Galileo 全球星座为30 颗中轨卫星,中国的Compass 为30 颗卫星,其中中轨卫星24 颗,静地卫星( GEO) 和倾斜轨道( IGSO) 卫星各3 颗。美俄欧分别建有各自星基增强系统WAAS、SDCM、EGNOS,日本和印度各自建设自己的区域系统QZSS、IRNSS , 和GPS 星基增强系统MSAS、GA GAN,尼日利亚也有一个GPS 星基增强卫星NiSatCom - 1 。详见表1 所示。

GNSS( 全球导航卫星系统) 所包括的导航系统一览表

GNSS( 全球导航卫星系统) 所包括的导航系统一览表

2) GNSS 的三大发展趋势

全球卫星导航系统及其产业当前正经历前所未有的三大转变:从单一的GPS 时代转变为多星座并存兼容的GNSS 新时代。导致卫星导航体系全球化和增强多模化;从以卫星导航为应用主体转变为PNT(定位、导航、授时) 与移动通信和因特网等信息载体融合的新阶段,导致信息融合化和产业一体化;从经销应用产品为主逐步转变为运营服务为主的新局面,导致应用规模化和服务大众化。三大趋势发展的直接结果是使应用领域扩大,应用规模跃升,大众化市场和产业化服务迅速形成。

1、GNSS 系统的来龙去脉

1) 美国GPS 开创了GNSS 的先河美国的GPS 是GNSS 中第一个投入全面工作的系统,而且是从1995 年以来至今一直稳定运营的唯一系统。GPS 的广域增强系统(WAAS ) 也是同类系统中首个投入正式运营的。当GPS 进入正常工作之后,1996 年美国便启动GPS 现代化进程,大幅度提高系统的性能,作为现代化的第一步,在2000年5 月1 日中止了人为恶化民用定位精度的SA(可用性选择) ,接着在卫星载荷系统、地面运控系统等方面采取积极举措,有效地提高了GPS 的各项功能和性能指标,使应用范围迅速扩大,用户数量急剧增长,全球掀起了卫星导航系统建设和应用服务的浪潮。

2) 原苏联GLONASS 竞争者姿态有利于民用产业发展

GLONASS 差不多是与GPS 同时起步的,它的存在,它以竞争者姿态出现本身,对全球导航卫星系统民用政策的发展和应用推广具有极大的促进作用。虽然原苏联的解体和相当长时间俄罗斯经济的不景气,给GLONASS 的发展带来重大挫折,但目前系统仍在坚持和恢复中。

3) 欧洲为什么一定要建设自己的Galileo 系统?

虽然美国一再表示,无保留地让欧洲使用GPS信号资源,但欧洲人出于政治、经济、科技和社会四大效益的考虑,敢冒美国的天下之大不讳,还是要坚持建立自己独立的Galileo 系统,实际上也是为了增强欧盟的凝聚力。Galileo 概念一出现,第一个成果是加快了美国GPS 的SA 政策中止的实施。同时也促进了GPS III 的发展进程,美国明确提出GPS III应优于,至少不亚于国际上其它GNSS 系统。

4) 中国一定要建设自己的全球导航卫星系统吗?

中国作为一个发展中的大国,要对世界有所贡献,何况本身就具有巨大的卫星导航潜在市场,加上某些发达国家时不时地对我们采取点限制措施或来点威胁手段,不免有后顾之忧,所以我们比欧洲有更多的理由要建设自己的全球导航卫星系统,坚持的建设原则是:技术先进,独立自主,开放兼容,安全可靠。

5) 未来的卫星导航系统应该是什么样子的?

在2020 年前四大全球系统的格局已显轮廓,GPS 独大的局面一时难以打破;GNSS 兼容和互用各国已成共识,并逐步在转入行动和系统实施;民用领域的广泛国际合作已为热点,双边和多边合作正在积极开展;多国共建新一代的GNSS 系统已露端倪,什么时间和什么环节才是真正的突破口?

2、GNSS 应用技术的发展趋势

1) GNSS 兼容与互用技术首当其冲

GNSS 系统已被人们普遍接受,实际上它不是一个完整的有机的系统,而是多个系统的简单组合或者说是拼凑,是一种拉郎配。面对这样一个不争的事实,有许多问题要思考。首先是要清楚地了解并研究GPS、GLONASS、Galileo 和Compass 四大全球系统的本初计划、现状、类同性和差异性;接着要探讨四大全球系统间的兼容和互用,如何从最优化角度,通过最佳化选择来充分利用和发挥其作用;最终应从我国在建的Compass 系统实际出发,审时度势地找到其在GNSS 中的正确定位,合理地配置我们的资源,并采取积极开放的政策,寻求国际合作,建设一个理想的多国的民用GNSS 系统,实现将来的可持续发展。这样的思路是一种理想追求,一种有益探索,一种概念创新,是对GNSS 的重新设计和再设计,而且还可以进行下一代卫星导航系统的全新研究。

2) 环境增强技术是产业发展的前提条件

GNSS 组成除了空间段、运控段和用户段外,还应包括环境段。环境段涉及大气(电离层和对流层)条件、电磁环境、多径与植被效应,以及多种多样的应用环境与条件(地形、地貌和地物) ,它们会影响到系统工作、定位精度、完好性、可用性、连续性和可靠性等一系列关键指标。

环境增强段的研究目标是,建立并形成全球与具有中国地域特色的大气环境信息系统及支撑技术,完善北斗与GNSS 系统的组成缺项,确保系统建设的完整全面、运营实施的可靠正常,以及应用服务高效务实。其研究的主要内容是:电波传播的大气环境效应贯穿北斗导航系统组成的各部分(如系统的总体设计与误差估算,卫星的发射功率确定,测控站布设及其数据处理,用户机的误差修正与差分技术) ,也贯穿于系统建设和运营的全过程,涉及到各项关键指标,如精确度、连续性、完好性、可用性、可靠性、抗干扰和安全性等。按照系统一体化、整体化研究和电波环境工程的思路,开展相关的工作。

3) 多种信息系统融合技术

多种信息系统技术的融合和一体化集成,是GNSS 应用服务产业最为突出的特点,卫星导航与电子地图的结合是顺理成章的事,车辆导航仪和个人导航仪开创了GIS(地理信息系统) 许多新应用新服务,接着便是GNSS 与移动通讯和因特网的相互渗透融合,有力地保证卫星导航产业走向规模化、大众化,使导航终端与控制中心(服务器) 端的互通互联成为可能,使车队监控、物流调度、个人跟踪、网络导航、定位游戏、移动位置服务、地图在线更新、信息增值业务等均成为可能。

4) 室内外导航定位融合技术

室内外无缝定位的问题,一定要跨越两道难关:一是将GPS 在野外开阔地定位转入城市内多遮挡条件下的定位;二是解决室内定位的问题。

a) 城市的行人定位导航难题

GNSS 应用的大众化市场过去五年间主要集中在车辆导航应用,而更为广泛的应用前景则是在行人,如导航、本地搜索和社会网络化问题,其困难是市区行人的GNSS 定位难题。城市高楼林立,多径和遮蔽效应会严重恶化GNSS 测距精度和精度的几何因子。对于行人而言,通常因行进速度较缓慢和更靠近建筑物,与车辆相比,同样的环境条件会造成较为严重的后果,使精度和完好性经受挑战。为此,特别针对狭窄的街道区域,人们创建了所谓的导航重叠算法(NAO) ,是一种实现GPS 测量和GIS 数据库(描述建筑物2D 基础形状) 组合运算的算法软件,实现行人导航终端的地图匹配功能,可减轻卫星定位计算的漂移现象,从而改进定位精度。

b) 室内定位难题

GNSS 室内定位更是个难题。在GNSS 室内定位的情况下,大多数卫星导航视距传播信号无法直接到达接收机天线,更多的是反射、绕射、或散射信号,导致的总效应称为信号衰落。为此,首先应研究的是室内定位的信道模型,以表征室内环境下的信号传播特性,最有代表性的是Saleh - Valenzuela 模型。由于信号来向及信号路径的复杂性,所以仰角和方位角成为模型的关键参数,当然也有建筑物墙体的影响。建筑物墙体材料造成信号影响主要分为反射特性和穿透特性,进而要求研究信号的传输模型,通过介质常数的计算,探讨对绝对功率电平的影响。室内定位不仅仅限于GNSS 接收机,还应考虑蜂窝网络的协助,考虑惯导组合,以及其它室内定位传感器技术,如WLAN、WPAN、WiMAX 和Blue2 tooth 等一系列技术的应用。

3、我国北斗全球系统(Compass) 面临的机遇和挑战

1) 后来者居上面临更大更多的挑战

在四大全球系统中,Compass 是后来者,能有更多的借鉴,更多的选择,但也面临更大更多的挑战:在系统建设和运营上我们落后国际先进水平近30年,如何实现跨越式发展;Compass 作为复杂系统取决于航天、电子、机械、环境等一系列高科技和基础工业的产品、技术、能力与管理,如轨道可高精度预测的稳定的空间平台、超稳定长寿命原子时钟、现代扩频信号体制与技术、空间环境的认知与预测技术,以及大规模集成电路技术等。

2) 投入最小化和效益最大化的抉择

Compass 这样的重大系统,一定要确立切实可行、行之有效的投入最小化和效益最大化策略,具体做法是必须坚持积极开放,坚持与其它GNSS 的兼容与互用,坚持建以致用的方针,这样能扩大影响,服务全球,能在建设的进程中发挥作用,为以后全面投入运营奠定市场基础,把风险降到最低限度。

3) 处理好五大关系,造就我国的卫星导航的大国强国地位

这五大关系是:国际与国内、军用与民用、系统与应用、政府与市场、当前与长远。

所谓的“国际与国内”,主要指GNSS 与北斗系统的关系,对于产业而言,这两者是统一的,我们的北斗要长入GNSS 之中,成为前三甲,让全世界都用上北斗。当然,我们也应该毫不客气地用好用足GNSS 国际资源,解决好兼容和互操作的国际合作问题和GNSS 接收机及其终端的研发生产,以及大众化应用问题,既能让北斗系统建设过程中便能使用起来,也能进取地占据大批量市场,赢得时间,赢得空间,极大地降低北斗系统的建设风险。

所谓“军用与民用”,是指军用和民用的各自定位,近30 来年卫星导航系统应用的事实,证明民用的用户量将是军用的百倍千倍,民用的产值比军用至少高十倍百倍,是经济和社会效益的主要源泉,民用与军用相比,决不是无足轻重的装饰音和附着物,两者完全可以平起平坐,毫不逊色。没有民用的卫星导航系统缺乏生命力和长期运行的持续发展能力,是站不住脚的。

所谓“系统与应用”,是指应处理好北斗系统建设和应用服务的关系,我国的航天系统普遍存在着“重系统,轻应用”、“重天上,轻地面”、“重投入,轻产出”的倾向,实际上,应用服务才是北斗系统建设的出发点和落脚点,GLONASS 和北斗一号在这方面给了我们极其深刻的教训。没有达到预期的用户量是系统建设最大的不成功,应用服务是系统建设成功与否的试金石和唯一的检验标准。

所谓“政府与市场”,是指政府行为与市场行为在产业发展中的互补关系,相辅相成关系。卫星导航作为一个新兴的朝阳产业,如今在其产业发展初期,作为政府必须充分发挥其资金和政策的引导作用,集中资金投入系统建设和运营,这是不言而喻的,但在应用与服务产业的形成和发展中,也应该有与系统建设费用可比拟的大量资金,尤其在今后3~7 年间集中投入,并且有相应的优惠扶植配套政策与之匹配,才能在十年左右时间内,培育出个年产值超过3~5 千亿元的卫星导航应用与服务产业,这是非常值得的事,这是一本万利的事。

所谓“当前与长远”,是指当前要做的迫在眉睫的事和长远发展的考虑之间的关系。实际上,当前的市场形势非常严峻,由于大众化市场的快速发展,个人导航仪市场的崛起,以及定位手机市场行将风起云涌的局面,今后3~5 年内中国会出现数以亿计的用户需求,我们应该怎样面对,如何因势利导地将需求优势转变为自身的市场强势和产业强势,这是当务之急,千万不能等。中国导航产业只有先求生存,后求发展,做好了今天,才有美好的明天。

4、主动倡导、积极参与多国共建一个全球导航卫星系统

GNSS 发展为我们走向国际创造了一个重要舞台,Compass 系统建设则为我国的全球展示提供了良好的机遇,因为我们是后来者,更需要国际交流和合作。在GNSS 层面上,中国Compass 与其它三大系统,平起平坐地谈民用的合作,开展“兼容与互操作”的双边和多边合作,进行实质性的技术交流和较量,只有通过我们自身切实的努力,通过深入有效的国际合作,通过长期持续认真的工作,我们才能逐步实现与国际水平的接轨,才能逐步体现和发挥大国的作用。

在民用问题上我们必须坚持透明公开、国际合作的基本方针,要有自信心,要展示大国形象,负起大国责任,也是中国大国崛起的重要契机之一。GNSS 已经逐步成为全世界的共享资源,鉴于现在不同国家多个系统组合在一起,会造成应用的诸多困难和资源的大量浪费,如全球统一标准,共建一个民用系统,不失为一种非常有创意的思路,无论这桩事情办得成,还是办不成,早办成,还是晚办成,都能产生巨大的影响,有助于大国间交流,有助于国际上官民的共同参与,有助于中国认识世界和世界认识中国,有助于展示我国和平发展的形象,有助于我国在卫星导航系统技术上实现赶超,摆脱过分落后的困境,有百利而无一害,而且在当前的国际大环境下正是恰当时机,千载难逢。

由于是多国系统,国际共享系统,更为保险可靠,系统的运营维护各国分担,大大减轻经济负担,并利用国际上GNSS 发展的良好大环境,强有力推进产业的规模化、规范化发展,全力开拓国内外两大市场,逐步实现向卫星导航大国和强国的转化。

信息标题:GNSS是什么意思 GNSS系统

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