現代衛星導航技術

2017-03-15 16:48:41鐘子亮

電子技術與軟件工程 2017年2期

摘要從船只到飛機，從汽車到火車，現代交通工具的發展可謂日新月異，要想安全、快捷地到達目的地，準確、及時、便捷的導航工具是不可或缺的。導航的按原理一般分為天文導航、無線電導航、慣性導航、地磁導航等，隨著空間技術的發展，人們找到了一種理想的導航工具，即利用地球衛星進行導航。衛星導航可以為陸地、海洋、空中和空間的目標提供導航定位服務，且不受氣象條件和航行距離的限制，導航精度比較高，所以被廣泛的運用于現代生產生活之中。本文就衛星導航技術的概念，種類和發展做出了闡述和總結，就全球定位系統（GPS）和北斗導航定位系統的原理及特點做出了分析，并對未來衛星導航技術的發展做出了展望。

【關鍵詞】導航技術衛星空間探測

1 導航技術的概念、方法和要求

1.1 導航技術

將用戶從起始點導引到目的地的技術被稱為導航，其是集定位和導向于一身的高新科技技術。導航系統不僅可以為目標提供定位服務，其速度，航向也可以由導航系統提供。

現代常見的導航方式主要有航標方法、航位推算法、天文導航、慣性導航、無線電導航、衛星定位導航。

1.2 航行體對導航系統的要求

為運載體航行提供服務是導航系統的基本功能，所以它所提供的服務應該滿足航行所提出的一般要求和特定要求。現代導在滿目航行所要求的基本目的性的同時，更要滿足航行的安全性、服務連續性和有效性等多種復雜要求。一般來說，要衡量一個導航系統的優劣，必須考慮其精度、覆蓋范圍、信息及時率、可用性、可靠性、多值性、導航信息的維數等等。

2 現代導航衛星的類別

（1）導航衛星按導航原理分為時間測距導航衛星和多普勒導航衛星；

（2）根據用戶是否需要向衛星發射信號，分為主動式導航衛星和被動式導航衛星，例如“子午儀”衛星和GPS衛星均屬于被動式導航衛星；

（3）按照導航衛星軌道高度可分為低軌道、中軌道、高軌道和地球同步軌道導航衛星；

（4）按照用途不同又可分為軍用導航衛星和民用導航衛星。例如，現在我國的北斗導航系統為軍用衛星，我們日常生產生活所用的全球定位系統（GPS）則使用民用衛星；

（5）按照覆蓋區域分為全球導航衛星和區域導航衛星。

3 全球定位系統（GPS）

3.1 全球定位系統的組成

GPS系統主要由空間部分、地面控制部分、用戶終端部分三部分所構成。

3.1.1 GPS空間部分

空間部分指GPS系統的衛星星座，其由高度為20230km的21顆衛星組成的衛星星座和三顆備份衛星所構成。每個衛星分布在等間隔、固定傾角的軌道上，GPS中每顆衛星的運行周期為T=718min。系統的衛星分布如圖1和圖2。

GPS衛星上除了具有一般衛星系統所共有的跟蹤、遙測、指令等系統外，主要還有L波段雙頻發射器、S波段接收機、偽隨機碼發生器、長期穩定的原子鐘等。GPS導航衛星的主要任務是發射導航信號，反向接收由地面控制部發送到衛星的導航電文，經過一定的處理后發射給地面的導航目標；除此之外，導航衛星還要接收地面控制部分發射的衛星控制和調度命令，適時的改正運行偏差等。

3.1.2 GPS地面控制部分

一般來說，主控站、注入站和監測站三種站點組成了地面控制部分的導航站系統。

主控站主要任務是接收和處理本站和各監測站的測量數據，計算衛星的軌道和時鐘參數，并將預測的衛星各種信息數據發射出，進而被導航衛星所接收；監測站主要任務是為指控站提供衛星測量數據；注入站的主要任務是將主控站發送來的導航電波發射到相應的導航衛星上。三種導航站相互配合，確保了GPS信號的準確計算和高速傳輸。

3.1.3 GPS用戶部分

GPS系統的用戶部分主要是由各種的GPS接收機終端所組成。接收機的主要功能是：接收衛星發射的信號并利用本機產生的偽隨機代碼取得激勵觀測值和導航電文；此外，其內置有供導航計算的算法，根據導航點電文提供的衛星位置和鐘差修正信息，計算出接收機的位置，從而實現導航服務功能。

3.2 GPS系統的定位原理

GPS系統的流程一般為：

（1）GPS定位衛星不斷向地球表面發射經過高級編碼的電磁波信號，信號中含有衛星信號發射的準確時間，以及此時刻衛星在軌道空間中的準確位置等信息；

（2）在地表或空間的衛星導航終端接收到衛星的信號之后，記錄信號到達得準確時間，并且計算衛星和用戶之間的距離；

（3）通過導航算法，一般是濾波估計方法或數學最小二乘法，計算出用戶的位置，實現導航功能。

各個步驟相互映射，缺一不可，如果在一個步驟出現誤差，則往往會導致最終導航結果出現較大的累積誤差。

一般來說，GPS定位的基本原理為三球相交方程，其公式為：

式中，c0是電磁波的傳播速度（光速）；△t為用戶所處的時間，x，y，z，△t為用戶所處三維坐標和一維時間。當接收機與衛星進行通訊時，接收機接收到距離四顆衛星的距離信息，便有了四個以上的方程，聯立起來，便可以解出x，y，z，△t四個未知數，即得出了目標的位置和實時的時間。

此外，GPS還可以準確地解出用戶的三維速度，其與載波結合還可以進行高精度定位和姿態確定問題。

3.3 GPS系統的特點和應用

衛星分布圖、信號編碼特點和信號傳輸與測量方法的差異決定了現代衛星導航系統的特點。GPS系統具有的衛星數量眾多、衛星軌道較高的星座特點，多種偽隨機代碼的擴頻調制的信號編碼特點，多種高頻率、高等級電磁波的信號傳輸方法特點，從而使其具有全球覆蓋、全天候、全天時、高精度、多功能、高保密、連續的眾多特點。

GPS除了能為用戶提供位置、速度和時間等基本信息，通過其它系統協作還可以導出姿態、三維姿態角等數據，所以GPS是一種集定位、測速、授時和定姿態等多功能于一體的多功能定位導航系統，故它可以廣泛運用于陸、海、空、天各類軍民載體的導航定位、速度測量、姿態捕捉和授時等服務。特別是隨著微電子技術、計算機技術、通信技術和導航技術飛速發展，GPS不斷突破其原有領域，成為人類生活中不可缺少的重要技術之一。

4 北斗衛星導航系統

20世紀90年代美國建成GPS，歐洲和俄羅斯也正在建設各自的導航定位系統。我國在20世紀80年代確定建立符合我國國情的、獨立的、區域性的、能覆蓋我國領土范圍、軍民兩用的第一代“北斗”衛星導航系統。

4.1 第一代北斗導航系統

第一代北斗導航系統由兩顆靜止衛星，一個地面控制計算中心站組成。兩顆北斗衛星分標稱覆蓋范圍為東經70°～145°，北緯5°～55°，運行穩定。2003年我國又發射了第三顆北斗衛星，這是該系統的備份星。它與前兩顆已經發射的工作星組成新一代完整的北斗衛星定位導航系統，從而準確保證全天候、全天時為我國提供區域性的衛星導航信息服務。其示意圖如圖3所示。

北斗衛星導航的定位思想與GPS類似，也是基于多球定位的方法，中心站利用三個面交點的幾何關系，計算出用戶所處的三維坐標，并通過衛星發送給用戶，實現為用戶定位的目的。

第一代北斗衛星導航系統具有以下的特點：

（1）快速定位。地面中心站在接收到用戶定位的響應信號之后，迅速計算出用戶的坐標，再通過衛星發回用戶，用戶便可在顯示屏上看到自己所在的位置，這所有的操作在秒級之內完成。

（2）實時導航。地面中心站可以根據用戶的連續的定位信息，解出用戶前進目標的速度和方向，其與地圖數據庫配合，可以為用戶提供實時路況等信息。

（3）簡短通信。北斗導航系統是雙向閉合回路，每個用戶都有專用的識別碼。用戶通過中心站可以互相發送信息，報文數據最大長度可達210字節。

此外，此代北斗導航系統還有精密授時，終端成本低等優點。

4.2 第二代北斗導航系統

第二代北斗衛星導航系統的空間部分將在第一代基礎上逐步擴展為具有5顆靜軌道衛星、30顆非靜止軌道衛星組成的導航星座，其中24顆中高軌道衛星設置在3個軌道平面上，軌道傾角35°，軌道高度21500km，周期為12h55min。系統地面部分將建有主控站、注入站和監測站等若干個地面站。建成后將是性能更加完善、精度更高的全球定位導航系統。實現無源定位，并具有連續實時三維定位、測速和授時能力，還把北斗一代的短報文通信功能。我國預計在2020年前完成第二代北斗衛星導航系統的建設工作，屆時將成為與美國GPS并駕齊驅的導航系統，也成為我國自主研發的獨立于國外的高精度導航系統。

4.3 北斗衛星導航系統的應用

北斗衛星導航系統是我國具有自主知識產權的衛星導航系統，有著極其廣泛的使用領域，比如巡邏搜捕、汽車導航、公安行動、抗震搶救、交通管制和各種災害的播報等都有著廣泛的應用，并且在個人導航、娛樂設施等方面都有著巨大的用戶量，是我國推動我國信息產業發展的亮點和新的經濟增長點，必將帶動我國的高新技術進入新的時代。

5 衛星導航的未來發展

隨著科學技術的不斷進步和國防力量的不斷加強，未來衛星導航技術必將被世界各國重視，軍事戰略和戰術的變化，導航系統技術也將發生日新月異的變化。未來衛星導航技術主要向以下幾個方面發展：

5.1 更高精度

具有厘米，毫米級的導航系統會替代現有的導航系統，給人們提供更加精確的位置服務。

5.2 更加有效率的終端

接收器將往集成化，低功耗，多功能，反應更加迅速方向發展。

5.3 抗干擾能力提高

衛星導航的電磁波通過先進的傳輸格式處理后，可以更好的防干擾，從而在作戰中始終保持穩定的運行。

衛星導航技術已經滲入現代行業的各個領域，隨著現代衛導航技術的愈發完善，不論是在民用領域還是軍用鄰域，現代衛星導航技術都是不可或缺的重要一部分。

參考文獻

[1]陳芳允等.衛星測控手冊[M].北京：科學出版社，1992（02）：10-18.

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