全球衛(wèi)星導(dǎo)航如何"煉成"?

　日前，我國(guó)正式宣布將于今年完成發(fā)射6至8顆北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)衛(wèi)星任務(wù)，并將于2018年前后完成18顆衛(wèi)星發(fā)射，率先為“一帶一路”沿線國(guó)家提供基本衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)的北斗系統(tǒng)將建成具有全球服務(wù)能力的世界一流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并將在監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急救援等國(guó)家突發(fā)事件應(yīng)急體系中發(fā)揮重要作用。目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)正得到世界各國(guó)的持續(xù)高度關(guān)注，美國(guó)的第三代GPS計(jì)劃已經(jīng)啟動(dòng)，日本、印度等國(guó)也開始投入?yún)^(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)究竟是如何“煉成”的，讓我們一探究竟。

　一般來說，出門在外的我們要首先知道自己的位置，然后找準(zhǔn)方向，選擇最優(yōu)的路線，才能走入去往目的地的“康莊大道”。以美國(guó)GPS系統(tǒng)為例，遨游在太空的導(dǎo)航衛(wèi)星都是“廣播”衛(wèi)星，會(huì)不斷地用無線電波發(fā)送自己的位置和時(shí)間，地面上需要導(dǎo)航的用戶只需要利用GPS接收機(jī)就可以接收到這些“來自星星”的廣播信號(hào)。

　　已知3個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及3個(gè)點(diǎn)到1未知點(diǎn)的水平距離，就可求解出未知點(diǎn)的位置，當(dāng)把3個(gè)已知點(diǎn)搬入太空成為3顆人造衛(wèi)星，再同時(shí)測(cè)得未知點(diǎn)與3顆衛(wèi)星的距離，就能求解出未知點(diǎn)的位置，這就是常用的“距離后方交會(huì)”法。當(dāng)我們需要解算出自己的方位信息時(shí)，相當(dāng)于需要知道3個(gè)位置量和一個(gè)時(shí)間量，就需要同時(shí)接收到4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)才有可能進(jìn)行定位，這也就是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都需要組建一個(gè)覆蓋全球衛(wèi)星星座的原因?，F(xiàn)有的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)普遍選用了中高軌道來部署導(dǎo)航星座，不僅實(shí)現(xiàn)成本較為低廉，也可以僅憑20到30顆衛(wèi)星就實(shí)現(xiàn)全球的廣播信號(hào)覆蓋。

　　在一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)，所有衛(wèi)星的位置通過準(zhǔn)確的測(cè)算就可形成衛(wèi)星軌道星歷，衛(wèi)星在廣播的時(shí)候就會(huì)廣播這個(gè)位置信息，地面接收機(jī)就可據(jù)此計(jì)算出衛(wèi)星在特定時(shí)刻的準(zhǔn)確位置。至于時(shí)間這個(gè)變量，由于所有的信號(hào)都是以光速傳播的電磁波，每顆衛(wèi)星隨身攜帶的時(shí)鐘都異常精準(zhǔn)，普遍要達(dá)到1000年只差一秒的水平，并由國(guó)家授時(shí)中心提供時(shí)間基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一計(jì)時(shí)。

　　目前除北斗外的三種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)普遍使用了上述單向、終端自定位技術(shù)方案，導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送報(bào)文，終端只負(fù)責(zé)接收，然后自行解碼出自己所處的位置。這種方案可在絕大多數(shù)地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位，但不具備將自身位置信息共享的能力。我國(guó)研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位方式有一定不同，并不是由終端直接接收衛(wèi)星廣播信號(hào)去定位，而是通過終端發(fā)送定位請(qǐng)求到地面的服務(wù)基站，再由基站通過衛(wèi)星計(jì)算出坐標(biāo)后發(fā)送給終端。通過這種方案，地面基站會(huì)保存每個(gè)終端的位置，并能提供120字簡(jiǎn)短報(bào)文雙向通信，可在終端發(fā)生緊急情況時(shí)通知基站從而得到救援。同時(shí)，北斗系統(tǒng)短距離與基站的通信方式還能為在橋底、隧道等地實(shí)現(xiàn)高精度定位提供可能。

　當(dāng)然，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中還存在很多影響因素。例如，衛(wèi)星在廣播過程中所發(fā)射的信號(hào)要穿過大氣層中的電離層和對(duì)流層，會(huì)不可避免地造成電磁波時(shí)延。一旦信號(hào)在傳播路徑上被高樓、高山等障礙物遮擋，極有可能產(chǎn)生多路徑誤差等。因此，利用差分技術(shù)來校正測(cè)量誤差等實(shí)現(xiàn)較好定位精度的導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用而生，將進(jìn)一步提升全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)用化水平。

　　自美國(guó)的GPS系統(tǒng)誕生以來，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)深刻改變了我們的生活，人們對(duì)衛(wèi)星定位的依賴也越來越嚴(yán)重。無論是普通民眾還是企業(yè)應(yīng)用，或是更高級(jí)的軍事與科研需求，都離不開衛(wèi)星導(dǎo)航的精準(zhǔn)定位。但與此同時(shí)，美國(guó)通過開發(fā)GPS系統(tǒng)，在全球依托其巨大的國(guó)際市場(chǎng)建立起新的國(guó)際產(chǎn)業(yè)。在軍事應(yīng)用方面，GPS系統(tǒng)面向世界開放的只是民碼，精度比美國(guó)軍方使用的軍碼存在較大差距，一旦發(fā)生軍事沖突，美軍極有可能將GPS系統(tǒng)服務(wù)停止或是發(fā)送欺騙碼，將會(huì)對(duì)使用國(guó)的國(guó)防和軍事安全產(chǎn)生巨大威脅。

　　因此，除美國(guó)外，俄羅斯、歐洲、我國(guó)甚至印度、日本等都在研發(fā)自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，著眼的就是本國(guó)的導(dǎo)航定位信息安全。北斗系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，目前主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成。早在2000年年底，我國(guó)就已經(jīng)建成北斗一號(hào)系統(tǒng)，開始向我國(guó)境內(nèi)提供相關(guān)導(dǎo)航定位服務(wù)，到2012年年底，我國(guó)正式建成可向亞太地區(qū)提供服務(wù)的北斗二號(hào)系統(tǒng)。目前我國(guó)已經(jīng)全面啟動(dòng)北斗系統(tǒng)第三步即北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè)，預(yù)計(jì)將于2020年前后建成覆蓋全球范圍的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　未來的北斗三號(hào)系統(tǒng)在北斗二號(hào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了性能更優(yōu)、兼容互操作程度更高、用戶體驗(yàn)更優(yōu)的服務(wù)信號(hào)，高精度時(shí)空信息服務(wù)能力將得到大幅提升，為加快構(gòu)建我國(guó)綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。同時(shí)，北斗系統(tǒng)將在災(zāi)難救援、國(guó)防安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)將帶動(dòng)涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、服務(wù)業(yè)等眾多軍民用領(lǐng)域快速發(fā)展，產(chǎn)生的安全效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益將愈發(fā)顯著。

　　來源：學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)、北斗網(wǎng)