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与GPS相似的卫星导航系统与技术

菜鸟
2003-04-28 16:15:00    评分
中国电波传播研究所青岛分所 曹 冲 GLONASS系统   前苏联(现在的俄罗斯),在世界上建成了与美国相似的全球卫星导航系统,称为GLONASS。GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写,是前苏联从80年代初开始建设的卫星导航系统,也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。是由俄罗斯空间强力部门管理操控。现在欧洲准确建立笫三个全球系统,叫做Galileo(伽利略),后者的在建时间为2005-2008年。人们相信三个系统应该是相互兼容的。换句话说,用户希望捕获到三系统任意组合的信号,均能实现定位。   虽然,GLONASS业己建成,但由于俄罗斯目前的经济情况尚不能抽出财力维持它的完全运作,所以GLONASS星座中的有效工作卫星仅有11颗活动星(其中6、7号星工作不正常,2003年3月止),所以其影响较小。   注:A是指GLONASS 88卫星,它是GLONASS第一颗M星,自发射后一直未正常工作。   美国人分析,GLONASS在技术、运作和政策,以及资源方面均存在一定的麻烦。GLONASS的基金来源不甚清楚,俄罗斯政府表示,GLONASS财政责任应由俄罗斯航空航天局支付,交给国防控制系统局。俄罗斯政府也一直在寻找重建GLONASS系统的投资机构。 (1).星座与信号   GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成,均匀分布在3个近圆形的轨道平面上,每个轨道面8颗卫星,轨道高度19100公里,运行周期11小时15分,轨道倾角64.8°。   与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式,根据载波频率来区分不同卫星(GPS是码分多址(CDMA),根据调制码来区分卫星)。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz),其中k=1~24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同,均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。   GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码:S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。   GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨,卫星采用三轴稳定体制,整量质量1400kg,设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止,共发射了80余颗GLONASS卫星,最近一次是2001年12月1日发射了三颗卫星。俄计划将系统发播频率改为GPS的频率,并得到美罗克威尔公司的技术支援。   GLONASS系统的主要用途是导航定位,当然与GPS系统一样,也可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。 (2).GLONASS的定位精度   GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。 为进一步提高Glonass系统的定位能力,开拓广大的民用市场,俄政府计划用4年时间将其更新为Glonass-M系统。内容有:改进一些地面测控站设施;延长卫星的在轨寿命到8年;实现系统高的定位精度:位置精度提高到10~15m,定时精度提高到20~30ns,速度精度达到0.01m/s。 (3).GLONASS与GPS的比较 (4).GPS+GLONASS双系统导航定位有何优势   1) 可见卫星数增加一倍:GLONASS卫星星座组网完成后,可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时,一般为7-11颗;GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。在山区或城市中,有时因障碍物遮挡,纯GPS可能无法工作, GPS+GLONASS则可以工作。   2) 提高生产效率:在测量应用中,GPS测量所需要的观测时间取决于求解载波相位整周模糊度所需要的时间。观测时间越长或可观测到的卫星数越多,则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多,求解结果的可靠性越好。为了提高生产效率,常使用快速定位、实时动态测量(RTK)或后处理动态测量。但要满足一定的精度要求,必须正确求解载波相位整周模糊度,可观测到的卫星数增加得越多,则求解载波相位整周模糊度所需要的观测时间就可缩短得越多,因此GPS+GLONASS可以提高生产效率。   3) 提高观测结果的可靠性:用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。因此GPS+GLONASS将大大提高观测结果的可靠性。   4) 提高观测结果的精度:观测卫星相对于测站的几何分布(DOP值)直接影响观测结果的精度。可观测到的卫星越多,则可以 大大改善观测卫星相对于测站的几何分布,从而提高观测结果的精度。   欧洲的全球卫星导航系统(Galileo)   2.1.Galileo计划   伽利略系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统,提供高精度、高可靠性的定位服务,同时它实现完全非军方控制、管理。伽利略系统是由欧空局和欧洲联盟发起并提供主要资金支持,不仅能够使欧洲在交通管理和遥测设施建设方面摆脱对美国和俄罗斯的依赖,而且还能给欧洲的设备制造和应用服务带来巨大的经济效益,同时创造许多全新的就业机会。   伽利略系统能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容,任何用户将来都可以用一个接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求,伽利略系统可以分发实时的米级定位精度信息,这是现有的卫星导航系统所没有的。同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服务,如果失败也能够在几秒钟内通知用户,对安全性有特殊要求的情况如:运行的火车、导航汽车、飞机着陆等,伽利略系统的应用就特别适合。 2.2.系统组成   伽利略系统由四大部分组成:空间段、地面段、用户段和环境段。 空间段   由分布在三个轨道上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)构成,每个轨道面上有10颗卫星,9颗正常工作,1颗运行备用;轨道面倾角56度。 地面段   包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。 用户段   用户段主要就是用户接收机及其等同产品,伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统,因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。 环境段   环境段通常包括电离层、对流层、多径效应和无线电干扰等。 2.3.伽利略计划在行动中   2002年3月26日欧盟15国交通部长会议一致决定,正式启动伽俐略(Galileo)卫星导航定位系统计划。这标志着在2008欧洲将拥有自己的卫星导航定位系统,并结束美国全球卫星定位系统(GPS)在世界独霸天下的局面。   伽俐略计划建设投资总额大约在32.5亿欧元,其中启动定义阶段的经费为11亿欧元,由欧洲航天局和欧盟分别承担50%。另外的21.5亿欧元为系统开发和全面部署阶段费用,其中包括发射30颗卫星。欧盟委员会希望私营企业至少能够承担这部分费用的三分之二。欧盟的一些专家称:“‘伽俐略’系统不仅卫星数量比GPS多,而且确定地面物体的精确度可达1厘米,误差范围要远远小于GPS,其性能比GPS更安全、更准确,更可靠。通过营建该系统,欧盟将大大推动欧洲航天产业的发展。”   欧盟的“伽俐略”计划酝酿已久,早在上世纪90年代开始,欧盟就一直就该计划的可行性进行研究论证,欧盟成员国的100多家公司参与了这项工作。2000年6月,在世界无线电通信大会上,欧盟经过多方努力,终于获得了实施“伽俐略”计划所需要的L频段的频率资源,为“伽利略”计划的顺利实施创造了必要的条件。 2001年11月,欧洲航天局决定拨款5.5亿欧元用于“伽俐略”计划的技术开发,2002年3月26日,欧盟在巴塞罗那首脑会议上又再次表示了启动“伽俐略”计划的决心,交通部长们也在此次会议上决定从欧盟的可支配财政中拿出4.5亿欧元,用于该计划的启动工作。   伽俐略计划是欧洲旨在建设独立于美国GPS的一项全球卫星导航定位系统计划。欧洲航天局及其成员国法国是该计划的最积极倡导者。该项计划完成后,不但可以使欧洲拥有自己的卫星定位系统,为公路、铁路、空中和海上交通运输工具提供有保障的导航定位服务,获得工业和商业效益,而且可以使欧洲赢得建立欧洲共同安全防务体系的条件。欧盟负责运输与能源的高级官员帕拉齐欧指出:“我们认为多一套系统在太空中‘坐镇’非常重要,因为这对美国人来说也是佳音。我们要让他们知道,一旦GPS系统遇袭,他们还可依靠欧盟的‘伽俐略’系统。” 2.4.“伽俐略”与GPS相比有何不同和优越性   据悉,“伽俐略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成,卫星的轨道高度为2.4万公里,倾角为56度,分布在3个轨道面上,每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备份星。“伽俐略”将为用户提供误差不超过1米、时间精确的定位服务。   “伽俐略”与GPS相比,有较大的不同和优越性。例如,“伽俐略”系统的卫星数量多、轨道位置高、轨道面少;“伽俐略”更多用于民用,可为地面用户提供3种信号:免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号。其精度依次提高,最高精度比GPS高10倍,即使是免费使用的信号精度也达到6米。如果说GPS只能找到街道,“伽俐略”则可找到车库门。所以,“伽俐略”的用户可根据需要进行选择,且定位精度优于GPS。其实,“伽利略”与GPS最大的区别是其服务定为确保的,这给用户一个踏实感。 欧洲的星基增强系统EGNOS   按照欧空局(ESA)计划,EGNOS实施阶段始于1998年,其卫星实验床样机(ESTB)从2000年2月投入使用。EGNOS利用附加信息增强GPS和GLONASS,保证多模运输应用的精度和完善性。它是欧洲笫一个实施的GNSS,是对未来卫星导航系统服务开发的基础。EGNOS空间段是由装载在同步卫星Inmarsat III AOR-E和IOR,以及欧空局的Artimis卫星上的导航转发器构成的。 中国的导航定位卫星   中国在2000年成功地发射了两颗导航定位星,名为“北斗导航试验卫星”,按卫星发射公报称,中国将建立笫一代导航定位系统,以满足全天候区域性的独立自主的卫星导航系统的需求,其卫星制导和时钟信息可用于如公路和铁路运输,以海上应用等多个领域。 国际海事卫星(Inmarsat)   长期以来,海事卫星一直希望实现GPS增强在内的涉及36颗卫星的计划,服务于全球的物流跟踪与管理,以及全球的语音和数据通信。由于要有大量投入,故计划要用20年时间加以实施。这种称做为GNSS的国际管理方式,企盼建成一个网络,将Inmarsat能力与GPS、GLONASS和Galileo组合起来。 日本全球导航卫星系统   日本开发了一种新的全球导航系统(MTSAT,多动能运输卫星),以及星基增强系统(MSAS)。他们希望系统扩展到亚洲和其它区域时,能改进飞行的公共安全,并节省大量的运输费用。利用美国GPS增强的同样概念,MSAS和WAAS可以提供美日间无缝的精确导航能力。   高通(Qualcomm)、洛克威尔国际(Rockwell International)、美国移动卫星AMSC的服务以上三家公司利用位置信息分别为陆上车队和海上船队提供服务,高通的系统称做OmniTracs 和OmniExpress,前者提供双向通信、自动车辆定位、全面的调度和后台集成能力,后者提供语音和双向数据通信能力,以及GPS车辆定位服务。私人基金的GPS增强服务   除了通常由政府控制的GPS系统外,某些私人企业在考虑建立私人的GPS增强星座,其中有Synchronetics、Hughe和Boeing等公司。Synchronetics建议建区域定位系统,由12颗工作在六个位置上的同步卫星,发射GPS L1和L2信号频率,建立三个国际用户复盖区:北美、南美和中美,欧洲、非洲和中东,以及亚太地区。   Hughes 空间与通信公司设计一个14+1颗中轨或同步卫星系统,提供GPS L1和L2的全球复盖,以及导航、通信和GPS增强服务。Boeing在1998年便致函FCC,计划制造、发射并运维一个16颗中轨卫星组成的星座,同时开展地基服务,进行航空产业通信和GPS增强,利用GPS L1和2GHz带提供通信、导航和空中交通的侦查服务。 其它导航手段   一系列的导航手段可供应用,包括LORAN-C、TACAN(战术空中导航)、微波着陆系统。这些地面系统无法提供DGPS这样的精度,从长远来讲,只能是备份应用。它们可以增强卫星导航系统,但无法替代。 结 论 综上所述,可以得出以下结论:   (1). 卫星导航系统是现在信息化社会中必须具备的国家基础建设设施之一,特别是象中国这样一个地大物博、人口众多,经济处于高速增长的发展中国家,应该逐步达到在任何时候均有切实可用的卫星导航系统以资应用;   (2). 任何单个卫星导航系统都不能保证人们随时随地随意的应用,因此,在积极创造条件建立自有系统的同时,还要认真地去开展国际合作,争取到多系统互动与共用的主动权,这也是我们参与Galileo计划合作的原动力之一;   (3). 在设计现代化卫星导航系统的过程中应该坚持与时俱进的指导原则,具有技术超前意识,为此要如Galileo计划那样,将环境段作为卫星导航系统四大组成部分,与空间段、地面控制段、和用户段相提并论,以使新一代系统精度更高功能更强作用更大,并在与Galileo的合作中从事更具特色和优势的工作;   (4). 建立卫星导航系统的目的是在应用,所以任何时候都要把应用服务放在笫一位,这是通常强调的市场为导向的实质所在。其实从分析Galileo定义阶段的文件来看,其地面控制段分为全球性、区域性和本地性组成三个方面,实际上后两个方面是为应用服务的,是为更好地开展应用服务所构作的基础设施。其实这两个方面与用户段(设备)结合起来,称为应用段,再归入卫星导航系统四大组成部分(空间段、环境段、地面控制段和应用段),这样做可能更为科学更切合实际。说到底,应用就是服务,从GPS开始就提到有标准定位服务(SPS)和精确定位服务(PPS)这两种服务,Galileo提供的服务品种更丰富,多达五种。事实上,Galileo计划的全名是“欧洲卫星导航服务”(European Satellite Navigation Services),可见其用心多么良苦。在此不得不再说一遍:“在卫星导航系统中应用服务是笫一位的。” 摘自 通信市场



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