現(xiàn)代定位導(dǎo)航系統(tǒng)的研究

摘 要：隨著社會(huì)的快速發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪莸慕巧絹碓街匾Ｎ恼轮饕投ㄎ幌到y(tǒng)中應(yīng)用廣泛的航位推算系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用及前景進(jìn)行討論研究。

關(guān)鍵詞：航位推算系統(tǒng)；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；GPS；GPS/DR系統(tǒng)

1 航位推算系統(tǒng)

航位推算是一種典型的獨(dú)立定位技術(shù)，系統(tǒng)是在已經(jīng)知道前一時(shí)刻位置的條件下，通過測(cè)量移動(dòng)的距離和方位，推算下一時(shí)刻位置的方法。

航位推算算法最初用于車輛、船舶等的航行定位中，所使用的加速度計(jì)、磁羅盤、陀螺儀成本高、尺寸大。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，加速度計(jì)、數(shù)字羅盤、陀螺儀尺寸、重量、成本都大大降低，是航位推算可以在行人導(dǎo)航中得以應(yīng)用。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

2.1 研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是利用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，求出載體相對(duì)衛(wèi)星的位置，再根據(jù)已知的衛(wèi)星相對(duì)地面的位置，計(jì)算并確定載體在地球上的位置的技術(shù)。

現(xiàn)階段的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)綜合了傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了各種天氣條件下全球高精度被動(dòng)式導(dǎo)航定位。并由于其具有地面連續(xù)覆蓋、定位精度高、保密性及實(shí)時(shí)定位速度高、并且操作簡(jiǎn)便和實(shí)施全天候作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，在各導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨廣泛。但同時(shí)仍存在易受外界環(huán)境干擾等缺點(diǎn)。

2.2 全球定位系統(tǒng)

2.2.1 概述

全球定位系統(tǒng)（Global Positional System-GPS）是美國(guó)于上世紀(jì)七十年代開始研制，歷時(shí)二十多年，耗資兩百億美元，至1994年全面建成。GPS系統(tǒng)是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有在海陸空進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)、三維導(dǎo)航與定位的能力。其由24顆覆蓋全球的衛(wèi)星組成，其中21顆工作衛(wèi)星、3顆備用衛(wèi)星，分布在6個(gè)地心軌道平面內(nèi)，每一個(gè)軌道均勻分布4顆衛(wèi)星。能在全球范圍內(nèi)全天候的提供三維位置、三維速度和時(shí)間基準(zhǔn)信息，具有靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航及精密授時(shí)的功能，是一種先進(jìn)的導(dǎo)航設(shè)備，定位精度極高，且具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。隨著二十世紀(jì)初美國(guó)軍方放棄了對(duì)SA碼的使用，民用GPS的定位精度得到了較大的提高了，致使GPS技術(shù)在民用領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。

2.2.2 GPS的發(fā)展

在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)使用之前，遠(yuǎn)程定位與導(dǎo)航主要由無線電系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。其主要有三種方式，分別為：羅蘭-C系統(tǒng)（Long Rang Navigation），又稱低頻脈相雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)；奧米伽（Omega）導(dǎo)航系統(tǒng)，是由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、奧米伽導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組合成的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)；多普勒（Doppler navigation）導(dǎo)航系統(tǒng)，它是利用多普勒效應(yīng)測(cè)定多普勒頻移，從而計(jì)算出飛機(jī)當(dāng)時(shí)的速度和位置來進(jìn)行導(dǎo)航。以上三種無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)都存在工作區(qū)域覆蓋面小、電波傳播容易受到大氣影響及定位精度較低的缺點(diǎn)。

最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)為子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)（Transit），1958年由美國(guó)研制成功，1964年投入使用。子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)共擁有7顆衛(wèi)星，而衛(wèi)星的運(yùn)行高度比較低，平均為1000KM，從地面觀測(cè)衛(wèi)星的間隔時(shí)間比較長(zhǎng)，平均為1.5h，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，且精度不高。

現(xiàn)在應(yīng)用的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是在吸收Transit導(dǎo)航系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的，包括俄羅斯的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GLONASS）和美國(guó)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）。其中，美國(guó)的GPS系統(tǒng)實(shí)施計(jì)劃分為三個(gè)階段。第一階段為方案論證和計(jì)劃階段，從1973年到1979年共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了地面接收機(jī)及建立了地面跟蹤網(wǎng)。第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段，從1979年到1984年又陸續(xù)發(fā)射了7顆衛(wèi)星，研制了各種用途的接受機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)精度標(biāo)準(zhǔn)。第三階段為實(shí)用組網(wǎng)絡(luò)階段，1989年2月4日第一顆GPS BlockⅡ工作衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著GPS系統(tǒng)已進(jìn)入了建設(shè)階段。1993年底已經(jīng)建成實(shí)用的GPS網(wǎng)（即21+3GPS星座），今后將會(huì)根據(jù)計(jì)劃逐步更換失效的衛(wèi)星。

2.2.3 GPS的應(yīng)用與前景

最初設(shè)計(jì)GPS的主要目的是用于導(dǎo)航、收集情報(bào)等軍事目的。但隨著GPS 衛(wèi)星信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位，米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位，亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測(cè)量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量，GPS的應(yīng)用也越來越廣泛。

地理應(yīng)用方面

在地貌學(xué)方面，可以利用GPS對(duì)地下資源開采區(qū)地面的沉降、荒漠化地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為荒漠化的機(jī)理研究提供資料；對(duì)滑坡區(qū)、泥石流等形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，做好防災(zāi)，減災(zāi)預(yù)報(bào)工作。還可以利用GPS對(duì)各植被區(qū)邊界變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)植被區(qū)發(fā)生變化的原因進(jìn)行研究，為分析該區(qū)域或全球的氣候和環(huán)境的演變提供理論依據(jù)，從而采取相應(yīng)的保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)及保護(hù)。此外，GPS還可應(yīng)用于對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)的研究，包括對(duì)亞板塊和板塊內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的研究等。

大氣監(jiān)測(cè)及天氣預(yù)報(bào)方面

GPS信號(hào)從真空進(jìn)入大氣層時(shí)將會(huì)發(fā)生折射，折射量的大小取決于大氣密度。而大氣密度是氣溫和氣壓的函數(shù)，而決定天氣的兩大要素正是氣溫和氣壓。如果將GPS接收機(jī)安裝在低軌道衛(wèi)星上，即可測(cè)出衛(wèi)星信號(hào)傳播路線的變量，從而推導(dǎo)出由于大氣折射而引起的相位觀測(cè)的時(shí)延。進(jìn)一步導(dǎo)出從地球表面到130km高空的各層大氣的氣溫和氣壓的大小。最終根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)獲得的大氣層數(shù)據(jù)，做出天氣預(yù)報(bào)。

此外，一系列實(shí)驗(yàn)證明，通過利用GPS技術(shù)可以獲得地面至40km高空的水汽含量載面的精確值，該實(shí)驗(yàn)的最大收獲是使全球難以獲取氣象信息數(shù)據(jù)的區(qū)域得以包含其中，從而極大的改善了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）所需要的氣象數(shù)據(jù)分辨率，為NWP的進(jìn)一步改善提供了基礎(chǔ)。此外，GPS 空間氣象學(xué)的開端正是起于GPS 在監(jiān)測(cè)電離層方面的作用。太空中充滿了宇宙線粒子、各種波段的電磁輻射、等離子體等，由于太陽在IS內(nèi)拋出帶電物，通常達(dá)百萬噸量級(jí)，從而使電離層受到強(qiáng)烈干擾，這正是空間氣象學(xué)研究的一個(gè)對(duì)象。類似于GPS在對(duì)流層中的應(yīng)用，可通過測(cè)定電離層對(duì)GPS 訊號(hào)的延遲作用來確定在單位體積內(nèi)總自由電子含量（TEC），從而建立電離層數(shù)字模型。

交通運(yùn)輸方面

GPS可以為鐵路、公路、水運(yùn)、航空、管道等交通方式提供路線選線、建設(shè)和管理服務(wù)；還可為車、船和飛機(jī)等交通工具起導(dǎo)航和管理作用，特別是在航空和航海中，無線路標(biāo)示時(shí)GPS的作用更為突出；此外，GPS在航空中的作用主要有：（1）為飛機(jī)提供精密導(dǎo)航；（2）確定飛機(jī)姿態(tài)角，從而為航測(cè)圖片提供內(nèi)方位因素；（3）測(cè)定航攝儀瞬間的空間坐標(biāo)及航攝儀瞬間坐標(biāo)的精度；（4）為飛機(jī)精密著陸導(dǎo)航。

2.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

2.3.1 概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，COMPASS）是中國(guó)自主研發(fā)的正在實(shí)施的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括空間段、地面段及用戶段。空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星及30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成；地面段由主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等多個(gè)地面站組成，用戶段由北斗用戶終端及與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。近年來北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展迅速，目前北斗系統(tǒng)已成功發(fā)射四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星和十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，基本上實(shí)現(xiàn)了覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力。2011年12月27日起，開始向中國(guó)及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)。2012年12月27日起，北斗系統(tǒng)在繼續(xù)保留北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)有源定位、雙向授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)基礎(chǔ)上，向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)。民用服務(wù)與GPS一樣免費(fèi)。不論從國(guó)家安全還是從技術(shù)發(fā)展的角度來看，北斗將成為GPS之外的又一個(gè)選擇，甚至在一定時(shí)候會(huì)取代GPS的地位。但是，目前北斗的覆蓋范圍、定位精度和穩(wěn)定性離GPS還有一定的差距，且隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展目前該系統(tǒng)的性能如何仍有待測(cè)試。

2.3.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與前景

無線電導(dǎo)航原理需要由天基平臺(tái)提升作用距離。奧米伽、羅蘭--C導(dǎo)航系統(tǒng)以甚低頻為導(dǎo)航頻率，由于電波傳播路徑受地面曲率和導(dǎo)電性能影響，雖然可以遠(yuǎn)距離傳播，但難以校正傳播路徑時(shí)延，精度較低。而雷達(dá)導(dǎo)航因地面發(fā)射功率大，但作用距離短，需要二次發(fā)射，精度較低。所以為了提升作用距離、進(jìn)一步改善傳播路徑，采用衛(wèi)星平臺(tái)搭載導(dǎo)航信號(hào)是必然選擇。

北斗全球系統(tǒng)因具有最佳費(fèi)效比而取代區(qū)域系統(tǒng)。中國(guó)北斗試驗(yàn)系統(tǒng)是采用兩顆地球同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位，集通信與導(dǎo)航為一體。靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因缺乏通信功能而使得生存能力較差。區(qū)域性RNSS系統(tǒng)由GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星組成，其星座總效率差，難以提高。星座效率以地球覆蓋率與衛(wèi)星數(shù)之比值作為評(píng)價(jià)效率，不同區(qū)域系統(tǒng)效率見表1，從結(jié)果可知，全球系統(tǒng)的星座效率在同等精度水平下最高。

3 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

3.1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的形成

由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位具有定位精度、高地面連續(xù)覆蓋等優(yōu)良特性，在導(dǎo)航定位中的應(yīng)用非常廣泛。但其也易受到外界環(huán)境的干擾，尤其是在城市的高樓群區(qū)，或是在隧道、立交橋等區(qū)域，衛(wèi)星信號(hào)將會(huì)被遮擋，造成定位誤差增大或根本無法定位；另一方面衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作頻帶較窄，在機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜時(shí)，用于定位的設(shè)備接收機(jī)極容易失鎖而丟失信號(hào)，從而喪失定位能力。而航位推算是一種典型的獨(dú)立定位技術(shù)，主要利用航向傳感器及距離傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛等的航向變化及行駛距離，進(jìn)而推算出當(dāng)前的相對(duì)位置，但航位推算方法的定位誤差會(huì)隨著推算過程的進(jìn)行而累加，因而不適合于長(zhǎng)時(shí)間使用。由上可知，兩種定位方式存在很強(qiáng)的互補(bǔ)關(guān)系，一方面，可利用衛(wèi)星定位提供的絕對(duì)位置信息為DR提供推算定位的初始值并進(jìn)行誤差校正；另一方面，DR的推算結(jié)果可用于補(bǔ)償部分衛(wèi)星定位中的隨機(jī)誤差，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)被遮擋時(shí)由DR繼續(xù)定位。所以，將這兩種系統(tǒng)組合起來，充分利用兩者定位信息的互補(bǔ)性，就能獲得比單獨(dú)使用任何一種方法時(shí)都要高的定位精度和可靠性。

3.2 GPS/DR導(dǎo)航系統(tǒng)

目前，GPS/DR組合定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方案主要有兩種：切換式和最優(yōu)估計(jì)法（卡爾曼濾波）。

切換式組合方案有兩種工作狀態(tài)：即GPS模式和DR模式，系統(tǒng)工作采用何種模式取決于GPS信號(hào)的有效性，當(dāng)GPS觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)較多，衛(wèi)星幾何分布結(jié)構(gòu)較好時(shí)工作于GPS模式，同時(shí)利用GPS的定位輸出刷新DR系統(tǒng)的初始推算位置，一旦GPS定位數(shù)據(jù)失效，則切換到DR模式。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，系統(tǒng)承擔(dān)的計(jì)算量小，可以解決在衛(wèi)星信號(hào)失效時(shí)短時(shí)間內(nèi)的定位問題。

4 結(jié)束語

導(dǎo)航系統(tǒng)隨著人類社會(huì)的進(jìn)步應(yīng)運(yùn)而生，又在人類的發(fā)展過程中逐步完善、創(chuàng)新。在如今社會(huì)發(fā)展的要求下，導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用愈加廣泛，通過研究可以看出，各種導(dǎo)航系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，并且組合導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)成為導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向。在今后的研究中，也應(yīng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，將每種導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)最大化，為人類提供更便捷、可靠、高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)。

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