了解GNSS技术的发展及应用

(1)GNSS技术概述。卫星导航定位系统技术的发展,因其可提供全天候实时、高精度三维位置、速度以及精密的时间信息,20世纪90年代以来,已被广泛应用于陆地、海洋、空间和航天领域内各类军用和民用目标的定位、导航与精密测量,并已初步形成一个新兴的高科技产业。世界上一些国家和地区,从自身的技术、经济和国家安全利益出发,纷纷建立或规划建设全球或区域性的卫星定位系统,如俄罗斯的GLONASS、美国的GPS、欧洲的GALILEO 计划等。我国也先后发射了第一颗和第二颗“北斗导航试验卫星”,构成了我国第一代卫星导航定位系统即“北斗导航系统”。美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)使用最早,目前用户也最多。因此,国内习惯上用GPS来代替卫星导航定位系统技术。本章则一律改变这一习惯,回归其正确的称谓GNSS技术。

(2)美国GPS发展历程。美国的GPS是从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察和地球动力学、气象学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常工作和生活。

美国的GPS系统的特点:①全球性、全天候工作。能为用户提供连续、实时的三维位置,三维速度和精密时间。不受天气的影响。②定位精度高。单机定位精度优于10m,采用差分定位,精度可达厘米级和毫米级。③功能多、应用广。随着人们对GPS认识的加深,GPS不仅在测量、导航、测速和测时等方面得到更广泛的应用,而且其应用领域不断扩大。GPS实施计划共分三个阶段:第一阶段为方案论证和初步设计阶段。1973～1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网;第二阶段为全面研制和试验阶段。1979～1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GNSS定位精度远远超过设计标准;第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4 日第一颗GPS 工作卫星发射成功,表明GPS 系统进入工程建设阶段。1993 年底实用的GNSS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。

(3)其他卫星定位系统。目前正在运行的全球卫星定位系统除了美国的GPS外,还有俄罗斯的GLONASS。另外欧空局目前正在实施伽利略计划和我国的“北斗导航系统”。下面对GLONASS卫星定位系统和欧空局“伽利略计划”作简单介绍。

1)GLONASS卫星定位系统。GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写,是前苏联从20世纪80年代初开始建设的与美国GNSS系统相类似的卫星定位系统,也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。

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19100km,运行周期11小时15分,轨道倾角64.8°。与美国的GNSS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(GNSS是码分多址,根据调制码来区分卫星)。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。(www.xing528.com)

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GLONASSM 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。另外,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)欧空局的“伽利略计划”。目前世界上两大卫星导航定位系统美国的GPS和俄罗斯的GLONASS由于受到美、俄两国军方的严密控制,其信号的可靠性无法得到保证。长期以来欧洲只能在美、俄的授权下从事接收机制造、导航服务等从属性的工作。为了能在卫星导航领域中占有一席之地,欧洲认识到建立拥有自主知识产权的卫星导航系统的重要性。同时在欧洲一体化的进程中,建立欧洲自主的卫星导航系统将会全面加强欧盟诸成员国间的联系和合作。在这种背景下,欧盟决定启动一个军民两用的与现有的卫星导航系统相兼容的全球卫星导航计划——“伽利略”(GALILEO)计划。

“伽利略”系统的基本结构包括星座与地面设施、服务中心、用户接收机等。卫星星座将由30颗卫星组成,卫星采用中等地球轨道,卫星均匀地分布在高度约为2.3万km 的三个轨道面上。每颗卫星都将搭载导航载荷和一台搜救转发器。每次发射将会把5或6颗卫星同时送入轨道。地面控制设施包括卫星控制中心和提供各项服务所必需的地面设施。地面控制设施管理卫星星座及测定和播送集成信息。系统使用4个载频向全球播发5种导航信号,这些导航信号支持开放、商用、生命安全和政府管理和搜救服务。系统还划分为8个区域部分,用来发送针对各自区域的集成信息。每个区域部分的耗费将由所在区域来负担。区域部分将由一个用于监测信号集成信息的测站网和一个数据处理中心组成。它能满足例如机场、港口、铁路、公路、人口和工业密集区等处的不同要求,其定位为精度好于1m。典型功能是信号中继包括信号集成信息的监测、数据处理和传输。向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现,例如通过移动通讯网或通过航海导航系统等。系统通过服务中心向用户提供接口,存储和发布信息,支持开发应用。种类齐全的“伽利略”接收机不仅可以接收本系统信号,而且可以接收GPS、“GLONASS”这两大系统的信号,并且实现导航功能和移动电话功能的结合,与其他飞行导航系统的结合。

我国也参与了“伽利略”计划的实施,为跟踪GNSS技术发展和开发应用提供了基础条件。