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卫星导航系统原理与应用论文
卫星导航系统原理与应用
论文
论文题目:
全球四大卫星导航系统
发展现状与特点对比
姓名:
学号:
学院:
电子信息工程
定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术,是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术,也是武器精确制导的核心技术,这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义,在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用
目前全球拥有四大卫星导航系统,孰优孰劣,各有千秋:
GPS只能找到街道,而伽利略却能找到车库的门,北斗的特长如通过短信让他人获知自己的位置,是其他导航系统目前不具备的。
1、美国全球定位系统(GPS)
GPS是美国国防部为军事目的建立的,旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题,全部24颗导航卫星(21颗工作卫星和3颗备用卫星)系统已经建成。
GPS采用码分多址(CDMA),定位精度通常15m左右,主要应用于单点导航定位与相对测地定位,具有全天候、定位迅速、精度高、可连续提供三维位置(纬度、经度和高度)、三维速度和时间信息等一系列优点,是实现全球导航定位的高新技术。
通常GPS接收机接收到四颗卫星的信号就能够确定移动载体的方位,是当前移动目标导航定位的主流。
1992年GPS正式向全世界开放,1994年在中国市场开始得到应用。
GPS以精确位置与定时信息,已成为支持世界范围各种民用、科研和商业活动的一种资源
关键词:
胜在成熟
布局:
28颗卫星(其中4颗备用)早已升空,分布在6条交点互隔60度的轨道面上,距离地面约20000千米。
已经实现单机导航精度约为10米,综合定位的话,精度可达厘米级和毫米级。
但民用领域开放的精度约为10米。
特性:
三星定位,军民两用。
由于GPS定位技术涉及军事用途,美国限制非特许用户利用GPS定位精度。
GPS系统除在设计方面采取了许多保密性措施外,还对不同的用户提供不同的服务方式。
进展:
1973年12月,美国国防部批准陆海空三军联合研制全球定位系统(GPS),1993年覆盖全球,广泛使用。
目前正在试验下一代卫星导航系统。
GPS特点:
(1)全球全天候定位
GPS卫星的数目较多,且分布均匀,保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星,确保实现全球全天候连续的导航定位服务(除打雷闪电不宜观测外)。
(2)定位精度高
应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50km以内可达10-6m,100-500km可达10-7m,1000km可达10-9m。
在300-1500m工程精密定位中,1小时以上观测时解其平面位置误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较,其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。
实时单点定位(用于导航):
P码1~2m;C/A码5~10m。
静态相对定位:
50km之内误差为几mm+(1~2ppm*D);50km以上可达0.1~0.01ppm。
实时伪距差分(RTD):
精度达分米级。
实时相位差分(RTK):
精度达1~2cm。
(3)观测时间短
随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20km以内相对静态定位,仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15KM以内时,流动站观测时间只需1-2分钟;采取实时动态定位模式时,每站观测仅需几秒钟。
因而使用GPS技术建立控制网,可以大大提高作业效率。
(4)测站间无需通视
GPS测量只要求测站上空开阔,不要求测站之间互相通视,因而不再需要建造觇标。
这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的30%~50%),同时也使选点工作变得非常灵活,也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。
(5)仪器操作简便
随着GPS接收机的不断改进,GPS测量的自动化程度越来越高,有的已趋于“傻瓜化”。
在观测中测量员只需安置仪器,连接电缆线,量取天线高,监视仪器的工作状态,而其它观测工作,如卫星的捕获,跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。
结束测量时,仅需关闭电源,收好接收机,便完成了野外数据采集任务。
如果在一个测站上需作长时间的连续观测,还可以通过数据通讯方式,将所采集的数据传送到数据处理中心,实现全自动化的数据采集与处理。
另外,现在的接收机体积也越来越小,相应的重量也越来越轻,极大地减轻了测量工作者的劳动强度。
(6)可提供全球统一的三维地心坐标
GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。
目前GPS水准可满足四等水准测量的精度,另外,GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的,因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。
(7)应用广泛
2、俄罗斯“格洛纳斯”系统(GLONASS)
GLONASS是前苏联研制并为俄罗斯继续发展的全球卫星导航系统,其组成和功能与美国的GPS相类似,可用于陆、海、空等各类用户的定位、测速及精密定时等。
目前已完成了24颗工作卫星加一颗备用卫星空间星座布局,每天24小时每时刻各地的用户可见5~8颗卫星。
卫星识别采用频分多址(FDMA),24颗卫星各占一个频率,现已向全世界开放
关键词:
抗干扰能力强
布局:
已有28颗卫星(其中4颗备用),导航精度在5至6米左右,预计2015年可实现导航精度达1米左右。
但民用领域开放的精度约为10米。
特性:
三星定位,精度比GPS低,军民两用,采用两种频率信号。
工作不稳定,卫星工作寿命短。
进展:
苏联国防部于20世纪80年代初开始建设全球卫星导航系统。
于1995年投入使用,现在由俄罗斯联邦航天局管理。
卫星的设计经历了无数次改进,格洛纳斯K自2011年起服务范围拓展到全球。
格洛纳斯是继GPS之后第二个军民两用的全球卫星导航系统。
俄联邦宣称格洛纳斯系统军民两用,不带任何限制、不引入SA机制,也不计划对用户收费。
Glonass-K卫星是完全基于非压力式平台的新型卫星,使用寿命达到十年,该型号卫星完成后,Glonass系统将与GPS不相上下,用户可以使用两套系统。
系统目前使用的卫星为两种型号卫星——Glonass卫星与其升级型号Glonass-M。
Glonass-M卫星使用寿命更长,为七年,装有先进的天线馈电系统,并为民用客户增加了一个额外的导航频率。
Glonass系统为军民两用而设计,可使用户实时标明位置。
在2007联邦预算中共分配给Glonass3.8亿美元,2006年则为1.81亿美元。
GLONASS的特点:
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=1,6020.5625K(MHZ)和L2=1,2460.4375K(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系统单点定位精度水平方向为16M,垂直方向为25M。
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。
尽管其定位精度比GPS系统、伽利略系统定位精度略低,但其抗干扰能力却是最强的。
由于卫星发射的载波频率不同,“格洛纳斯”可以有效地防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰,因而具有更强的抗干扰能力。
3、欧洲“伽利略”系统(GALILEO)
欧洲为了满足本地区导航定位的需求,计划开发针对GPS和GLONASS的广域星基增强系统(EGNOS),包括地面设施和空间卫星,以提高GPS和GLONASS系统的精度、完备性和可用性。
同时,为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这一领域的垄断,欧洲决定启伽利略计划,建立自主的民用全球卫定位系统(GALILEO)。
EGNOS是欧洲GALILEO计划的第一阶段,也是GALILEO计划的基础。
GALILEO系统将建成全球性的定位和导航系统,它由星座部分、有效载荷、地面监控系统以及区域控制部分组成。
GALILEO系统将成为独立性、全球性、欧洲人控制的,以卫星为基础的民用导航和定位系统。
其总的战略意图是:
(1)建立一个高效的民用导航及定位系统;
(2)使之具备欧洲乃至世界运输业可以信赖的高度安全性,并确保任何未来系统安全置于欧洲人的控制之下;(3)该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好的机会,使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。
关键词:
纯民用领域
布局:
计划30颗卫星(其中3颗备用),卫星轨道位置比GPS略高,离地面高度24126千米。
定位误差不超过1米。
目前,只有26颗投入应用,还有4颗在轨验证(IOV)卫星正在生产之中,将于近期发射入轨。
伽利略提供的公开服务定位精度通常为15-20米和5-10米两种档次。
公开特许服务有局域增强时能达到1米,商用服务有局域增强时为10厘米。
特性:
三星定位,专门为民用。
将来精度最高的全开放的新一代定位系统。
可为地面用户提供3种类型的信号供选择,其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。
进展:
欧空局与欧盟在1999年合作启动,2005年首颗试验卫星成功发射,2008年开通定位服务。
Galileo系统特点:
Galileo系统的主要特点是多载频、多服务、多用户。
它除具有与GPS系统相同的全球导航定位功能以外,还具有全球搜寻援救功能。
为此,每颗Galileo卫星还装备一种援救收发器,接收来自遇险用户的求援信号,并将它转发给地面援救协调中心,后者组织对遇险用户的援救。
与此同时,Galileo系统还向遇险用户发给援救安排通报,以便遇险用户等待援救。
Galileo系统也采用被动式导航定位原理和扩频技术发送导航定位信号;每颗Galileo卫星发送6种导航定位信号(L1F、L1P、E6C、E6P、E5A、E5B),它将功能分成公开、安全、商务和管制等4种服务模式,每种服务采用不同的信号,其目的如下所述:
公开服务(OS):
为全球广大用户免费提供定位、导航和定时服务,而且能够达到优于GPS的标准服务水平(SPS)。
人身安全服务(SOL):
依据航空、航海和铁路运输的安全要求,为该三大领域的广大用户提供完全可靠的人身安全服务保障。
商务服务(CS):
以发送加密的相关导航数据(0.5Kbps)的方式,为导航和定时的特需用户,提供优于OS的定位、导航和定时服务。
公用管制服务(PRS):
为欧洲及同盟国家提供国家安全保障服务,它使用一种特定而被管制的导航定位信号,实施PRS服务。
Galileo卫星导航定位系统的设计功能强大,具有GPS系统所没有的技术优势和服务范围。
它的建成将明显改善全球卫星导航定位领域的服务质量。
Galileo系统,不仅每年能够产生近百亿欧元的经济利润,而且能够产生巨大的社会效益。
Galileo卫星导航定位系统,作为未来交通管理和测量系统的核心部分,将是降低有关成本、产生经济效益的关键。
例如,当它用于车辆导航时,每减少1%的旅行时间、交通堵塞、大气污染和交通事故,就能够节约2000亿欧元。
4、中国“北斗”系统(COMPASS)
北斗卫星导航系统﹝BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。
北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。
空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。
地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。
用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)、欧洲“伽利略”(GALILEO)等其他卫星导航系统兼容的终端组成。
关键词:
互动性和开放性
布局:
由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,定位精度10米。
目前10颗卫星开始应用,定位精度只达到25米。
特性:
双星定位,民用为主,军事能力有限。
能在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。
在定位性能上有所创新,不仅能使用户知道自己所在位置,还可以告诉别人自己的位置,特别适用于需要导航与移动数据通信场所。
此外,中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性,促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。
北斗卫星导航系统向全世界提供的服务均为免费。
进展:
第一步是试验阶段,用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务;第二步是到2012年,计划发射10多颗卫星,建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统;第三步是到2020年,建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统,形成全球覆盖能力。
北斗卫星导航系统的三大挑战
第一、部署进度的比拼。
GPS在这方面遥遥领先,格洛纳斯正在恢复建设中,伽利略遭遇资金困境,北斗系统若要抢占市场,在系统部署方面面临挑战。
第二、卫星性能的竞争。
导航卫星设计和研制水平决定着系统的性能,目前北斗卫星设计已经达到国外导航卫星水平,在未来发展中要不断自主创新,争取在国际导航卫星研制领域处于领先地位。
第三、系统发展的博弈。
卫星导航系统需要国家持续的经费投入、人才培养、产业推广,是一个长期工程,比拼的是综合国力。
北斗系统特点:
个人位置服务
当你进入不熟悉的地方时,你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。
气象应用
北斗导航卫星气象应用的开展,可以促进我国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测,也可以提高空间天气预警业务水平,提升我国气象防灾减灾的能力。
除此之外,北斗导航卫星系统的气象应用对推动北斗导航卫星创新应用和产业拓展也具有重要的影响。
道路交通管理
卫星导航将有利于减缓交通阻塞,提升道路交通管理水平。
通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机,车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。
这些位置信息可用于道路交通管理。
铁路智能交通
卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。
例如,在铁路运输领域,通过安装卫星导航终端设备,可极大缩短列车行驶间隔时间,降低运输成本,有效提高运输效率。
未来,北斗卫星导航系统将提供高可靠、高精度的定位、测速、授时服务,促进铁路交通的现代化,实现传统调度向智能交通管理的转型。
海运和水运
海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一,也是卫星导航最早应用的领域之一。
目前在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备,使海上和水路运输更为高效和安全。
北斗卫星导航系统将在任何天气条件下,为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。
同时,北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。
航空运输
当飞机在机场跑道着陆时,最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。
利用卫星导航精确定位与测速的优势,可实时确定飞机的瞬时位置,有效减小飞机之间的安全距离,甚至在大雾天气情况下,可以实现自动盲降,极大提高飞行安全和机场运营效率。
通过将北斗卫星导航系统与其他系统的有效结合,将为航空运输提供更多的安全保障。
应急救援
卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。
在发生地震、洪灾等重大灾害时,救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。
北斗卫星导航系统除导航定位外,还具备短报文通信功能,通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况,有效缩短救援搜寻时间,提高抢险救灾时效,大大减少人民生命财产损失。
覆盖全球
“第一代卫星导航系统在我国卫星导航系统建设中是一个起步阶段,可以说是用很少的资金投入,打破了国外卫星导航领域的垄断,填补了我国卫星导航领域的空白。
但是由于本身原理上的限制,只能是一个区域卫星导航定位系统,无法发展成像GPS那样的全球卫星系统。
所以在第一代导航系统建设的同时,中国也同时开始了第二代卫星导航系统的建设论证。
”李长江介绍道:
“从1997年底开始起步,经过充分、周密的论证,2004年9月,第二代导航系统——北斗卫星导航系统建设被批准实施。
”
“我们的策略是‘解决急需,兼顾长远;先区域,后全球’”。
谢军说,因此,第二代系统的建设分为几步走:
首先,完成一期工程,建成区域卫星导航系统。
在我国重点地区提供基本的导航、定位、授时服务,满足急需。
同时为应用开发全球系统建设奠定基础。
“这一阶段,对于我们搞卫星系统的来说,就是要在2012年把区域系统的卫星全部发射上天,其中包括地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜同步轨道(IGSO)卫星、中圆轨道(MEO)卫星。
到目前为止,我们已经发射了7颗北斗导航卫星。
2011年将发射4颗,2012年发射5颗。
按照规划,当2011年4月第三颗倾斜同步轨道(IGSO)卫星发射后,北斗系统就已经可以形成区域导航定位能力。
当2012年完成所有区域系统卫星发射后,一是我们的区域导航将更加稳固,可靠性稳健性将更强。
卫星更多,自然可提供更快更准的服务。
二是在全球轨道上部署了我们的导航卫星,占有全球卫星导航频率资源。
”
对于这一点,谢军解释说:
“首先,卫星上天需要轨道位置,就好比停车要有个停车位;其次,系统运行需要频率资源。
而这两样,现在都是资源紧张,争夺激烈。
比如说,导航卫星的频率资源大部分被美国的GPS占有,俄罗斯的格罗纳斯也占了一部分,中国和欧盟就只能见缝插针,因此北斗系统和伽利略系统计划使用的频率互有重叠。
在这种情况下,谁先使用这个频率谁就占据了这个频率资源。
”
其次,在2015年前,完成全球系统建设的在轨飞行技术试验工作,全面解决二期工程的关键技术。
之后,2020年前,完成二期工程,建成与国外先进卫星导航系统技术服务相当的全球卫星导航系统。
到时,北斗系统的空间段将由30多颗不同轨道类型的卫星组成。
据了解,目前二期工程的建设工作已经启动。
对于北斗系统具有的特点和优势,李长江分析说,在一期工程完成之后:
第一,北斗导航系统可以提供导航定位服务,其精度可以达到重点地区水平10米,高程10米,其他大部分地区水平20米,高程20米;测速精度优于0.2米/秒。
这和美国GPS的水平是差不多的。
第二,授时服务。
授时精度可达到单向优于50纳秒,双向优于10纳秒。
第三,短报文通信服务。
这一功能能够保证在我国及周边地区具备每次120个汉字的短信息交换能力。
“一代系统的用户不少,用得也很好,我们不能建设了二代系统,一代就废了。
所以,我们要做到二代兼有一代的功能,也有短报文通信能力。
”
第四,具备一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力;系统的导航定位用户容量不再受到限制,并且保证用户设备的体积小、质量轻、功耗低,满足手持、机载、星载、弹载等各种载体需要。
在二期工程完成之后,北斗导航系统服务范围将由我国及周边地区向全球扩展,导航定位精度将提高,全球区域达到水平5米,高程8米。
此外,系统安全性能将进一步提高,短报文通信性能也将得到进一步改善。
附录:
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