科普天地|从北极星辨向到卫星导航

2020-04-30   来源:北斗卫星导航系统  
“导航”的英文是“navigation”,原为“航行”之意。它源于海洋船舶航行,初始形式是罗盘领航和天文导航,此后发展到陆地车辆和航空飞行器的行驶,以致“navigation”被译作 “领航”或“导航”。广而言之,导航是实时地测定运动载体在途行进时的位置和速度,引导运动载体沿一定航线经济而安全地到达目的地。
 

自从人类出现最初的政治、经济和军事活动以来,便有了对导航的要求。根据传说,大约在公元前2600年,黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿发生大战,由于有指南车的指引,黄帝的军队在大风雨中仍能辨别方向,因此取得了战争的胜利。古希腊人与罗马人在地中海区域的海上商业活动与战争,中国明代的郑和下西洋,在茫茫的大海上,没有地物可作参考,没有导航是不可能的。在1990年8月~1991年3月的海湾战争中,在阿拉伯半岛没有任何地形可资参照的茫茫沙海上,从所谓沙漠盾牌到沙漠风暴直至战后扫雷与救援,多国部队几乎每一种战术操作都离不开卫星导航系统的引导,从而对只有少量卫星导航设备的伊拉克军队形成了明显的军事优势。

 

导航随着人类政治、经济和军事活动的发展而不断从低级向高级发展。古人们最初依靠太阳、北极星等星体来辨别方向,后来随着指南针、罗盘的发明,导航能力得到较大提高,并有力地促进了交通运输如航海等的发展。进入 20世纪后,随着人类科技水平的提高,第一无线电导航系统——无线电信标问世,开创了海洋船舶和航空飞行器导航的新篇章。随后,涌现了仪表着陆系统(Instrument Landing System, ILS)、微波着陆系统(Microware Landing System, MLS)、伏尔 /测距器(Very High Frequency Omni-directional Range/DistanceMeasuringEquipment,VOR/DME)、罗兰 C(Loran C)、奥米伽(Omega)、塔康(Tactical Air Navigation,TACAN)和台卡(Decca)等陆基无线电导航系统。独立国家联合体自行建立了一个类同于罗兰 C的恰卡(Chayka)陆基无线电导航系统,并在国内建设了15个恰卡导航电台,用于海空陆三大领域内的导航定位测量。我国在南海海域也自行建立了长河二号南海无线电导航系统,自1990年起正式向国内用户开放使用。

 

但是,上述陆基无线电导航系统,普遍存在下列不足:信号覆盖区域有限、技术落后、设备陈旧、定位精度低(如奥米伽的定位精度为3.7~7.4km),难以适应现代航海、航空和陆地车辆的导航定位需要。星基无线电导航系统,特别是第二代星基无线电导航系统(如 GPS卫星全球定位系统)的问世,给无线电导航注入了强劲的生命活力,开创了无线电导航定位的新时代。说起指南针,人们是很熟悉的。它作为我国古代劳动人民的四大发明之一,对世界文明的发展作 出了巨大的贡献。但是,由于地磁场分布不均,使指南针的使用受到了很大限制。为了适应社会各方面的发展,卫星导航系统(Satellite Navigation System)应运而生!

 

卫星导航,是接收导航卫星发送的导航定位信号,并以导航卫星作为动态已知点,实时地测定运动载体的在航位置和速度,进而完成导航。在第一颗人造地球卫星于1957年10月入轨运行的次年,美国科学家们就开始了卫星导航系统的研究,人造地球卫星的重要应用就是全球无线电导航。1963年12月,子午卫星(TRANSIT)导航系统第一颗导航卫星入轨运行,开创了陆海空卫星无线电导航的新时代。1994年3月,第二代卫星导航系统——“GPS卫星全球定位系统”全面建成,不仅带来了无线电导航一场深刻的技术革命,而且为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量新技术。

 

现在大家提起导航,脑海中就会浮现“GPS”这三个字母,其实GPS(Global Positioning System)是美国军方建造的全球定位系统,由于先入为主的关系,人们常把它当做卫星导航系统的代名词。那么什么是卫星导航系统呢?卫星导航系统由三部分组成,分别是导航卫星、地面台站和用户定位设备。导航卫星(Navigation Satellite)是卫星导航系统的空间部分,由多颗导航卫星构成空间导航网;地面台站主要是跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理,通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分;用户定位设备通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。

 

卫星导航系统的工作原理是:

 

导航卫星装有专用的无线电导航设备,用户接收导航卫星发来的无线电导航信号,通过时间测距或多普勒测速分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等导航参数,并根据卫星发送的时间、轨道参数,求出在定位瞬间卫星的实时位置坐标,从而定出用户的地理位置坐标(二维或三维坐标)和速度矢量分量。由多颗导航卫星构成导航卫星网(导航星座),具有全球和近地空间的立体覆盖能力,实现全球无线电导航。
 
现今全球四大核心卫星导航系统分别是美国的GPS系统、欧洲的GALILEO(伽利略)系统、俄罗斯的GLONASS系统以及中国的北斗(COMPASS)导航系统。那么这些导航系统有什么特点?未来全球导航的发展趋势是什么?小编在下面将为你做详细解答。
 
美国GPS系统
 

目前世界使用最多的全球卫星导航定位系统是美国的GPS系统。它是世界上第一个成熟、可供全民使用的全球卫星定位导航系统。该系统由28颗中高轨道卫星组成,其中4颗为备用星,均匀的分布在距离地面约20000千米的6个倾斜轨道上。这些卫星与地面支持系统组成网络,每隔1—3秒向全球用户播报信息,使地球上任何地方的用户在任何时候均可以利用接收机同时接收到至少4颗卫星的信号。接收机接到信号之后,可以通过差分定位原理确定自己的位置。

 

欧洲GALILEO系统

 

GALILEO系统是欧空局与欧盟在1999年合作启动的,计划中的GALILEO系统由30颗卫星组成。
 
俄罗斯GLONASS系统
 
GLONASS是(Global Navigation Satellite System)的简写,是苏联国防部与20世纪80年代初开始建设的全球卫星导航系统,于1995年投入使用,现在由俄罗斯联邦航天局管理。GLONASS是继GPS之后第2个军民两用的全球卫星导航系统。
 
中国北斗卫星导航系统(BDS)介绍

 

(一)概述  

 

北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。  

 

随着北斗系统建设和服务能力的发展,相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域,逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面,为全球经济和社会发展注入新的活力。  

 

卫星导航系统是全球性公共资源,多系统兼容与互操作已成为发展趋势。中国始终秉持和践行“中国的北斗,世界的北斗,一流的北斗”的发展理念,服务“一带一路”建设发展,积极推进北斗系统国际合作。与其他卫星导航系统携手,与各个国家、地区和国际组织一起,共同推动全球卫星导航事业发展,让北斗系统更好地服务全球、造福人类。  

 

(二)发展历程  

 

20世纪后期,中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,逐步形成了三步走发展战略:2000年年底,建成北斗一号系统,向中国提供服务;2012年年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;计划在2020年前后,建成北斗全球系统,向全球提供服务。2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。 

 

(三)发展目标  

 

建设世界一流的卫星导航系统,满足国家安全与经济社会发展需求,为全球用户提供连续、稳定、可靠的服务;发展北斗产业,服务经济社会发展和民生改善;深化国际合作,共享卫星导航发展成果,提高全球卫星导航系统的综合应用效益。  

 

(四)建设原则  

 

中国坚持“自主、开放、兼容、渐进”的原则建设和发展北斗系统。  

 

——自主。坚持自主建设、发展和运行北斗系统,具备向全球用户独立提供卫星导航服务的能力。  

 

——开放。免费提供公开的卫星导航服务,鼓励开展全方位、多层次、高水平的国际合作与交流。

 

——兼容。提倡与其他卫星导航系统开展兼容与互操作,鼓励国际合作与交流,致力于为用户提供更好的服务。

 

——渐进。分步骤推进北斗系统建设发展,持续提升北斗系统服务性能,不断推动卫星导航产业全面、协调和可持续发展。

 

(五)发展计划  

 

目前,我国正在实施北斗三号系统建设。根据系统建设总体规划,2018年底,完成19颗卫星发射组网,完成基本系统建设,向全球提供服务;2020年前后,完成30颗卫星发射组网,全面建成北斗三号系统。  

 

(六)基本组成  

 

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。  

 

——空间段。北斗系统空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成混合导航星座。 

 

——地面段。北斗系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站。

 

——用户段。北斗系统用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端产品、应用系统与应用服务等。

 

(七)发展特色  

 

北斗系统的建设实践,实现了在区域快速形成服务能力、逐步扩展为全球服务的发展路径,丰富了世界卫星导航事业的发展模式。  

 

北斗系统具有以下特点:一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能特点更为明显。二是北斗系统提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。三是北斗系统创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。 

分享给小伙伴们:

更多文章

相关文章

天乐网部分信息来源于互联网,不对其完整性、合法性等负责

天乐网是南京久测仪器技术有限公司旗下网站

联系方式:QQ:487823649 投稿邮箱:487823649@qq.com 电话:400-006-5117

版权所有:南京久测仪器技术有限公司 Copyright© 2020 Tleer.cn, All Rights Reserved.天乐网 | 苏ICP备11065447号-3