現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

摘 要 從船只到飛機(jī)，從汽車到火車，現(xiàn)代交通工具的發(fā)展可謂日新月異，要想安全、快捷地到達(dá)目的地，準(zhǔn)確、及時(shí)、便捷的導(dǎo)航工具是不可或缺的。導(dǎo)航的按原理一般分為天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人們找到了一種理想的導(dǎo)航工具，即利用地球衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航可以為陸地、海洋、空中和空間的目標(biāo)提供導(dǎo)航定位服務(wù)，且不受氣象條件和航行距離的限制，導(dǎo)航精度比較高，所以被廣泛的運(yùn)用于現(xiàn)代生產(chǎn)生活之中。本文就衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的概念，種類和發(fā)展做出了闡述和總結(jié)，就全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)做出了分析，并對(duì)未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展做出了展望。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)航技術(shù) 衛(wèi)星 空間探測(cè)

1 導(dǎo)航技術(shù)的概念、方法和要求

1.1 導(dǎo)航技術(shù)

將用戶從起始點(diǎn)導(dǎo)引到目的地的技術(shù)被稱為導(dǎo)航，其是集定位和導(dǎo)向于一身的高新科技技術(shù)。導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以為目標(biāo)提供定位服務(wù)，其速度，航向也可以由導(dǎo)航系統(tǒng)提供。

現(xiàn)代常見(jiàn)的導(dǎo)航方式主要有航標(biāo)方法、航位推算法、天文導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、衛(wèi)星定位導(dǎo)航。

1.2 航行體對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的要求

為運(yùn)載體航行提供服務(wù)是導(dǎo)航系統(tǒng)的基本功能，所以它所提供的服務(wù)應(yīng)該滿足航行所提出的一般要求和特定要求?，F(xiàn)代導(dǎo)在滿目航行所要求的基本目的性的同時(shí)，更要滿足航行的安全性、服務(wù)連續(xù)性和有效性等多種復(fù)雜要求。一般來(lái)說(shuō)，要衡量一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)劣，必須考慮其精度、覆蓋范圍、信息及時(shí)率、可用性、可靠性、多值性、導(dǎo)航信息的維數(shù)等等。

2 現(xiàn)代導(dǎo)航衛(wèi)星的類別

（1）導(dǎo)航衛(wèi)星按導(dǎo)航原理分為時(shí)間測(cè)距導(dǎo)航衛(wèi)星和多普勒導(dǎo)航衛(wèi)星；

（2）根據(jù)用戶是否需要向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，分為主動(dòng)式導(dǎo)航衛(wèi)星和被動(dòng)式導(dǎo)航衛(wèi)星，例如“子午儀”衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星均屬于被動(dòng)式導(dǎo)航衛(wèi)星；

（3）按照導(dǎo)航衛(wèi)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(dǎo)航衛(wèi)星；

（4）按照用途不同又可分為軍用導(dǎo)航衛(wèi)星和民用導(dǎo)航衛(wèi)星。例如，現(xiàn)在我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為軍用衛(wèi)星，我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活所用的全球定位系統(tǒng)（GPS）則使用民用衛(wèi)星；

（5）按照覆蓋區(qū)域分為全球?qū)Ш叫l(wèi)星和區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星。

3 全球定位系統(tǒng)（GPS）

3.1 全球定位系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)主要由空間部分、地面控制部分、用戶終端部分三部分所構(gòu)成。

3.1.1 GPS空間部分

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

GPS衛(wèi)星上除了具有一般衛(wèi)星系統(tǒng)所共有的跟蹤、遙測(cè)、指令等系統(tǒng)外，主要還有L波段雙頻發(fā)射器、S波段接收機(jī)、偽隨機(jī)碼發(fā)生器、長(zhǎng)期穩(wěn)定的原子鐘等。GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的主要任務(wù)是發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，反向接收由地面控制部發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，經(jīng)過(guò)一定的處理后發(fā)射給地面的導(dǎo)航目標(biāo)；除此之外，導(dǎo)航衛(wèi)星還要接收地面控制部分發(fā)射的衛(wèi)星控制和調(diào)度命令，適時(shí)的改正運(yùn)行偏差等。

3.1.2 GPS地面控制部分

一般來(lái)說(shuō)，主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站三種站點(diǎn)組成了地面控制部分的導(dǎo)航站系統(tǒng)。

主控站主要任務(wù)是接收和處理本站和各監(jiān)測(cè)站的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù)，并將預(yù)測(cè)的衛(wèi)星各種信息數(shù)據(jù)發(fā)射出，進(jìn)而被導(dǎo)航衛(wèi)星所接收；監(jiān)測(cè)站主要任務(wù)是為指控站提供衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)；注入站的主要任務(wù)是將主控站發(fā)送來(lái)的導(dǎo)航電波發(fā)射到相應(yīng)的導(dǎo)航衛(wèi)星上。三種導(dǎo)航站相互配合，確保了GPS信號(hào)的準(zhǔn)確計(jì)算和高速傳輸。

3.1.3 GPS用戶部分

GPS系統(tǒng)的用戶部分主要是由各種的GPS接收機(jī)終端所組成。接收機(jī)的主要功能是：接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并利用本機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)代碼取得激勵(lì)觀測(cè)值和導(dǎo)航電文；此外，其內(nèi)置有供導(dǎo)航計(jì)算的算法，根據(jù)導(dǎo)航點(diǎn)電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差修正信息，計(jì)算出接收機(jī)的位置，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航服務(wù)功能。

3.2 GPS系統(tǒng)的定位原理

GPS系統(tǒng)的流程一般為：

（1）GPS定位衛(wèi)星不斷向地球表面發(fā)射經(jīng)過(guò)高級(jí)編碼的電磁波信號(hào)，信號(hào)中含有衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射的準(zhǔn)確時(shí)間，以及此時(shí)刻衛(wèi)星在軌道空間中的準(zhǔn)確位置等信息；

（2）在地表或空間的衛(wèi)星導(dǎo)航終端接收到衛(wèi)星的信號(hào)之后，記錄信號(hào)到達(dá)得準(zhǔn)確時(shí)間，并且計(jì)算衛(wèi)星和用戶之間的距離；

（3）通過(guò)導(dǎo)航算法，一般是濾波估計(jì)方法或數(shù)學(xué)最小二乘法，計(jì)算出用戶的位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。

各個(gè)步驟相互映射，缺一不可，如果在一個(gè)步驟出現(xiàn)誤差，則往往會(huì)導(dǎo)致最終導(dǎo)航結(jié)果出現(xiàn)較大的累積誤差。

一般來(lái)說(shuō)，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(shí)間，x，y，z，△t為用戶所處三維坐標(biāo)和一維時(shí)間。當(dāng)接收機(jī)與衛(wèi)星進(jìn)行通訊時(shí)，接收機(jī)接收到距離四顆衛(wèi)星的距離信息，便有了四個(gè)以上的方程，聯(lián)立起來(lái)，便可以解出x，y，z，△t四個(gè)未知數(shù)，即得出了目標(biāo)的位置和實(shí)時(shí)的時(shí)間。

此外，GPS還可以準(zhǔn)確地解出用戶的三維速度，其與載波結(jié)合還可以進(jìn)行高精度定位和姿態(tài)確定問(wèn)題。

3.3 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用

衛(wèi)星分布圖、信號(hào)編碼特點(diǎn)和信號(hào)傳輸與測(cè)量方法的差異決定了現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)。GPS系統(tǒng)具有的衛(wèi)星數(shù)量眾多、衛(wèi)星軌道較高的星座特點(diǎn)，多種偽隨機(jī)代碼的擴(kuò)頻調(diào)制的信號(hào)編碼特點(diǎn)，多種高頻率、高等級(jí)電磁波的信號(hào)傳輸方法特點(diǎn)，從而使其具有全球覆蓋、全天候、全天時(shí)、高精度、多功能、高保密、連續(xù)的眾多特點(diǎn)。

GPS除了能為用戶提供位置、速度和時(shí)間等基本信息，通過(guò)其它系統(tǒng)協(xié)作還可以導(dǎo)出姿態(tài)、三維姿態(tài)角等數(shù)據(jù)，所以GPS是一種集定位、測(cè)速、授時(shí)和定姿態(tài)等多功能于一體的多功能定位導(dǎo)航系統(tǒng)，故它可以廣泛運(yùn)用于陸、海、空、天各類軍民載體的導(dǎo)航定位、速度測(cè)量、姿態(tài)捕捉和授時(shí)等服務(wù)。特別是隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)飛速發(fā)展，GPS不斷突破其原有領(lǐng)域，成為人類生活中不可缺少的重要技術(shù)之一。

4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代美國(guó)建成GPS，歐洲和俄羅斯也正在建設(shè)各自的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。我國(guó)在20世紀(jì)80年代確定建立符合我國(guó)國(guó)情的、獨(dú)立的、區(qū)域性的、能覆蓋我國(guó)領(lǐng)土范圍、軍民兩用的第一代“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

4.1 第一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

第一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由兩顆靜止衛(wèi)星，一個(gè)地面控制計(jì)算中心站組成。兩顆北斗衛(wèi)星分標(biāo)稱覆蓋范圍為東經(jīng)70°～145°，北緯5°～55°，運(yùn)行穩(wěn)定。2003年我國(guó)又發(fā)射了第三顆北斗衛(wèi)星，這是該系統(tǒng)的備份星。它與前兩顆已經(jīng)發(fā)射的工作星組成新一代完整的北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確保證全天候、全天時(shí)為我國(guó)提供區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航信息服務(wù)。其示意圖如圖3所示。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(gè)面交點(diǎn)的幾何關(guān)系，計(jì)算出用戶所處的三維坐標(biāo)，并通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送給用戶，實(shí)現(xiàn)為用戶定位的目的。

第一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：

（1）快速定位。地面中心站在接收到用戶定位的響應(yīng)信號(hào)之后，迅速計(jì)算出用戶的坐標(biāo)，再通過(guò)衛(wèi)星發(fā)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(jí)之內(nèi)完成。

（2）實(shí)時(shí)導(dǎo)航。地面中心站可以根據(jù)用戶的連續(xù)的定位信息，解出用戶前進(jìn)目標(biāo)的速度和方向，其與地圖數(shù)據(jù)庫(kù)配合，可以為用戶提供實(shí)時(shí)路況等信息。

（3）簡(jiǎn)短通信。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是雙向閉合回路，每個(gè)用戶都有專用的識(shí)別碼。用戶通過(guò)中心站可以互相發(fā)送信息，報(bào)文數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度可達(dá)210字節(jié)。

此外，此代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)還有精密授時(shí)，終端成本低等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 第二代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間部分將在第一代基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)展為具有5顆靜軌道衛(wèi)星、30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的導(dǎo)航星座，其中24顆中高軌道衛(wèi)星設(shè)置在3個(gè)軌道平面上，軌道傾角35°，軌道高度21500km，周期為12h55min。系統(tǒng)地面部分將建有主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站。建成后將是性能更加完善、精度更高的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)無(wú)源定位，并具有連續(xù)實(shí)時(shí)三維定位、測(cè)速和授時(shí)能力，還把北斗一代的短報(bào)文通信功能。我國(guó)預(yù)計(jì)在2020年前完成第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)工作，屆時(shí)將成為與美國(guó)GPS并駕齊驅(qū)的導(dǎo)航系統(tǒng)，也成為我國(guó)自主研發(fā)的獨(dú)立于國(guó)外的高精度導(dǎo)航系統(tǒng)。

4.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有著極其廣泛的使用領(lǐng)域，比如巡邏搜捕、汽車導(dǎo)航、公安行動(dòng)、抗震搶救、交通管制和各種災(zāi)害的播報(bào)等都有著廣泛的應(yīng)用，并且在個(gè)人導(dǎo)航、娛樂(lè)設(shè)施等方面都有著巨大的用戶量，是我國(guó)推動(dòng)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的亮點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，必將帶動(dòng)我國(guó)的高新技術(shù)進(jìn)入新的時(shí)代。

5 衛(wèi)星導(dǎo)航的未來(lái)發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和國(guó)防力量的不斷加強(qiáng)，未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)必將被世界各國(guó)重視，軍事戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)的變化，導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)也將發(fā)生日新月異的變化。未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展：

5.1 更高精度

具有厘米，毫米級(jí)的導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)替代現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)，給人們提供更加精確的位置服務(wù)。

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(yīng)更加迅速方向發(fā)展。

5.3 抗干擾能力提高

衛(wèi)星導(dǎo)航的電磁波通過(guò)先進(jìn)的傳輸格式處理后，可以更好的防干擾，從而在作戰(zhàn)中始終保持穩(wěn)定的運(yùn)行。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)滲入現(xiàn)代行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代衛(wèi)導(dǎo)航技術(shù)的愈發(fā)完善，不論是在民用領(lǐng)域還是軍用鄰域，現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)都是不可或缺的重要一部分。

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作者簡(jiǎn)介

鐘子亮（1999-），男，上海市人?，F(xiàn)為上海市七寶中學(xué)學(xué)生。

作者單位

上海市七寶中學(xué) 上海市 201101