衛星導航系統的關鍵核心技術

2019.11.25 , 瀏覽次數: 21454

 

1.GPS是在多種多樣的方案中脫穎而出的嗎?

子午儀概念被接受后,相當長時間內,關于空間飛行器設計、發射、在軌跟蹤與維護日趨成熟。為重新說明GPS,設計者考慮,應引入系統總體架構的思路,包括如下概念:

一是有源或無源系統

無源系統廣播信號,用戶確定其位置,只是簡單地“收聽”信號。有源系統與每個用戶進行互動(即用戶可能要求詢問系統)。有源系統能控制一批固定的數量有限的并行用戶;無源用戶可以為數量無限的用戶服務。此外,軍事用戶不想通過輻射信號分發它的位置信息。

二是定位方法

多普勒、雙曲線或三角學測量法。1970年時鐘技術改進到時間同步信號可以用衛星發射的階段。三角學測量法是個合乎邏輯的選擇因此,GPS定義為無源測距系統。

三是脈沖與連續波(CW)信號

脈沖信號是時分多址工作體制,所以每個衛星均有獨立的傳輸時間。但是,擴頻信號允許在一個無線頻率上同時存在多個輻射信號。GPS是第一個廣泛應用這種信號概念的系統,稱為碼分多址。

四是載頻

L頻段(1GHz~2GHz)是最佳選擇。GPS需要20MHz的頻譜,在20世紀70年代早期L頻段相對還不擁擠(并非總是如此,現在就不是這樣)。在較高的頻段,電離層折射引起的測距誤差會減少,但空間損耗(由于傳播距離造成信號功率的衰減)和大氣衰減會有所增加。

五是衛星星座和軌道

每個用戶需要在視野內有四顆或更多的衛星,以確定其位置。提供這樣的全球覆蓋必須做到甚為經濟才行。軌道的選擇決定設計、衛星數量和發射與維護成本。軌道選擇可能有:①低地球軌道(LEO):高度低于2000km的低軌衛星每次過境只見到10~20分鐘,接收機經常會捕獲新的衛星。多普勒變率高,由大氣拖曳效應引起的軌道攝動也高。提供全球導航覆蓋要求星座有100~200顆衛星。另一方面,發射費用較低,衛星只要低功率發射。②中地球軌道(MEO):高度在5000~20000km,每天軌道圈數為24圈,每次過境通常見到衛星為若干小時,發射費用高于LEO,但組成星座的衛星數量較少(為2436顆)。③靜地軌道(GEO):衛星位于赤道上空36000km軌道上對于地球上的觀測者而言似乎是固定不動的。用數量較少的衛星即可實現全球覆蓋。另一方面,GEO星對高緯度覆蓋能力要差,具有較高的發射費用,而且定位的衛星幾何分布圖形往往不夠理想。

基于以上這些考慮,GPS選擇了24顆衛星的中軌道星座。美國國防部在1973年批準了其總體基本結構,1978年發射了第一顆衛星。系統在1995年宣布投入運行。

 

2.衛星導航的三維定位為什么至少需要四顆衛星?

衛星導航系統背后所隱藏著的整個設想,在常人眼里看來往往是不可能的。利用空間的衛星作參考點,在地球上實現定位,且精度又這么高,有點不可思議。要用三角學在地球上任何地方進行定位,要求非常精確地測量從衛星到用戶機間的距離,是個難題。接著,還要解決知道了至3顆衛星的距離,又如何在空間找到接收機所在位置。

應該說,就三角學而言,這是個碩大無比的幾何圖形。首先,假設已經測量到了至第一顆衛星距離為25000km。由這顆特定的衛星將用戶所要確定的所有可能位置,壓窄到以該衛星為中心、半徑為25000km的球面上。接著,測量至第二顆衛星的距離為28000km從而又有以第二顆衛星為中心28000km為半徑的第二個球面,這兩個球相交線形成一個圓,此時已經把用戶所要尋找的位置,進一步又集中到這個圓上。隨后,用戶測得至第三個衛星的距離為31000km,它與其他兩個球相交形成的圓相截,進而把用戶機的可能位置變成為兩個點。到此,把三個衛星的測距問題,轉化為僅僅在空間找兩個點。為了確定這兩個點中究竟哪一個是用戶機的真正位置,事情并不復雜,因為憑我們的常識即可進行準確判斷。一般而言,這兩個點,一個在北半球一個在南半球。

如果兩個球在空間相交線通常是個圓,在同一平面內兩圓相交是兩個點,要是兩個圓心是兩顆用于定位的衛星,則它們的交點恰恰落在地平面上,這兩個點一般情況下一個落在南半球,一個落在北半球。由于地球不是一個規則的球體,我們要測量的目標位置往往不在同樣的海平面內,且還存在海陸空天的平臺區別,因此只能確定水平位置的兩個衛星定位方法,不可能普遍適用,必須用三個參考點(衛星)才能最終確定經緯度和高程。這就如同在直角坐標系內確定一個空間點位必須要確定X、Y、乙三維坐標值原理一樣。

下圖所示為空間三維定位原理

由此可知,在空間確定一個目標點位置,必須要三個衛星的測量值,才能給出三維位置,那為什么衛星導航一般要求有四個衛星才能定位呢?這是因為實際上參與導航位置計算的過程中,還有個時間變量參數,因為衛星導航的距離測量實際上是以時間度量來實現的,當每秒鐘時間誤差為百萬分之一時,所帶來的位置誤差會達到300m以上,而人們所用的衛星導航接收機的時鐘是用石英晶體振蕩器來實現的,必須用衛星的原子時鐘作為同步標準才能確保定位精度,故需要第四顆星來參與定位,實際上這第四顆衛星是作為時間參考標準加以應用。

 

3.為什么說衛星導航是站在巨人肩膀上的偉大杰作?

牛頓說:“如果我比別人看得更遠,那是因為我站在巨人的肩膀上!”在當今全球衛星導航定位系統中最知名、技術最成熟、發展最快、資格最老、也最掙錢的是誰?當然是GPS!現在的人們不再問什么是GPS?哪兒有GPs?而是在問GPS技術究竟是怎樣?GPS還能應用在那些方面?可見,它在衛星導航領域的“技術巨人”和“市場老大”地位是無可置疑的。但是,長江后浪推前浪,青出于藍而勝于藍。“北斗”作為衛星導航定位系統中的“初生牛犢”,一出世便從GPS老大哥身上汲取了豐富的技術養分和應用經驗,而且還有青出于藍勝于藍之處,它的迅速成熟與成長讓全球為之驚訝,有人預言,“北斗”的未來必將在相當多的方面趕上甚至超過GPS,在未來衛星導航定位的廣闊應用市場中,也將有望逐步成為能夠跟“老大”掰手腕的新興系統。這都是因為,北斗系統已經站在了“巨人的肩膀上”,它必將是全球衛星定位系統中“看的更遠”的一項偉大杰作。

 

4.原子鐘為什么是導航衛星的心臟?

人們日常生活需要知道準確的時間,生產、科研上更是如此。人們平時所用的鐘表,精度高的大約每年會有1分鐘的誤差,這對日常生活是沒有影響的,但在某些特殊應用領域,則需要非常準確的計時工具。原子鐘是目前人類最精確的時間測量儀器,它是20世紀50年代出現的,主要是利用原子不受溫度和壓力影響的固定頻率振蕩的原理制成。

原子鐘用在對時間要求特別精確的場合,比如全球定位系統,以及互聯網的同步都采用了原子鐘,格林威治時間和北京時間的時間基準也都依靠原子鐘為標準?,F在用在原子鐘里的元素有氫(Hactare)、銫( Seterium)、銣( Russium)等,其精度最高可以達到數千萬年才誤差1秒。

在衛星導航系統中普遍使用的精確計時工具正是原子鐘。原子鐘技術是衛星導航系統的關鍵支撐技術之一,也是國際上很尖端的科學。僅從1997至2005年的8年中。3次諾貝爾物理學獎都授予了原子鐘和精密測量相關領域的科學家。

 

5.與時俱進的精密定軌和信號編碼是生命力之謎嗎?

空間的精密定軌

GNSS首要特點是幫助用戶實現高精度定位,前提是必須精確掌握衛星本身的精確位置和運動軌跡。所以,衛星軌道的確定成為空間科學的一個分支一定軌學。多少世紀以來,天文學家、物理學家和數學家們都在尋找和研究天體運動的預測方法。但是,直到上世紀50年代后期,當人類第一顆人造地球衛星上天以后,衛星軌道確定的現代學科才得以誕生。這一新的領域與傳統的天文學在三個方面有所不同一是衛星典型的跟蹤方法不是利用原先的天文望遠鏡,而是使用無線電測量方法:二是其坐標的原點是在地心,衛星大多在圍繞地球的軌道上,而不是圍繞太陽?;蛘吒舆b遠的行星:三是軌道確定主要依靠大量的數值計算,而不是估算和測算。

定軌學在其形成過程中飛速發展,這主要歸功于計算機技術的迅速進步,使得通過計算機能夠求解復雜的軌道運動方程式成為可能。早期的工作集中在產生比較好的衛星星歷,也就是衛星速度和軌跡的時刻表。復雜的運動方程通過大型計算機產生這些時刻表,將其計算結果與跟蹤站無線電測量的實際結果進行比較,不斷改進所用的算法,不斷提高軌道預測的精度。

先進的信號編碼

碼分多址(CDMA,擴頻,或者說是偽隨機噪聲)是在白沙島導彈試驗場借助于621B計劃實現的,是由宇航公司的科技人員來開展的。對于采用CDMA的決定,是在早期許多大量研究的基礎上,當然,也參考了《數字通信》一書。來自 Magnavox公司的羅伯特·金博士在內的許多人員也做出了大量的貢獻。其中最重要的是,保證GPS信號的載波、編碼、數據都要實現相位相關,從而使得先進的GPS接收機能夠達到更高的精度。

1975年就能夠設計出這樣好的信號結構,人們對設計者倍加贊賞。時間過去那么長,信號結構僅僅需要很小的修改,真正是個奇跡。

碼分多址(CDMA,擴頻,或者說是偽隨機嗓聲),這種信號調制用于無源測距,顯然是GPS最基本的創新技術。這個信號能夠讓用戶實現四維定位,而用戶設備不需要有原子鐘。俄羅斯的 GLONASS也利用擴頻無源測距,但是采取頻分多址(FDMA)方式,實際應用證明這種信號調制有其不足之處。

 

6.大規模集成電路和地信系統是產業發展的依托嗎?

嘆為觀止的大規模集成電路

大規模集成電路對衛星導航大眾消費市場起著決定性影響,受“摩爾定理”規律性的影響,導航芯片和接收機價格快速下降。單芯片GNSS接收機模塊價格,已經降低到每個數美元,其某些性能卻超過早先價值兩萬美元的接收機??雌饋硭坪跏遣豢伤甲h,但是目前的GNSS接收機的首次定位時間、靈敏度和在城市里的定位數據精度,都證明這是無可辯駁的事實。

摩爾定理是摩爾的一種預言,每過兩年,在芯片中容納品體管數量不變的條件下技術進步使得芯片的尺寸大小可以減半。

對于特定的GPS專用芯片,其接收機具有大量的并行相關器,不同年代的的芯片,其表征單個門電路在硅晶片上的線性尺度的技術工藝有明顯不同。當線性尺度降低到原先的70%時,芯片的面積就減少2倍。如博通( Broadcom)公司的BCM4751芯片,是專門為移動手機設計的。芯片的尺寸是2.9×3.1平方毫米,它是單底模芯片,基于主機的GPS/SBAS接收機。包括RF前端、低噪聲放大器、基帶和電源管理單元。差不多經過二十年,摩爾定理反復十次,才能得到這樣的結果。要是在二十年前制造這樣的芯片,差不多要大一千倍。當然,也不會有這樣的芯片,GNSS芯片只會尺寸越來越小,功能越來越強。

千變萬化的地理信息系統

衛星導航的應用與服務,實際上是和電子地圖,或者廣義一點說是地理信息系統,密切相關??梢院敛豢浯蟮恼f,電子地圖是現代導航不可或缺的重要組成部分。在衛星導航中應用的地理信息系統,主要包括操控和顯示電子地圖的軟件平臺,或者說是地圖引擎,以及電子地圖數據本身。

地理信息系統( Geographic Information System)簡稱為GIS.它是一種利用現代化信息技術針對地理空間數據進行采集獲取編輯存儲、處理和分析的綜合技術系統。世界上GIS概念的提出是在40年前,加拿大測量學家Tomlinson在上世紀60年代初指出“要把地圖變為數字形式的地圖,以便計算機分析與處理”,開創了利用計算機技術處理地理空間數據的先河,其技術路線一直延續至今。目前,特別是在與民生和經濟息息相關的行業,如商業、城市規劃、物流、交通、人口普查、疾病分析等領域,GIS技術的運用更是在國際上得到了空前的發展。

中國GIS的發展也是起步于20世紀的80年代,我國測繪領域的一些科學家們敏銳地覺察到GIS的發展潛力與應用意義,開展了積極的理論與技術研究,并首先在資源和環境領域嘗試實現GIS技術的應用。目前,國內已涌現了一批具有自主知識產權的GIS軟件產品和軟件企業,并初步形成了良好的GIS產業發展態勢。

 

7.為什么說衛星導航最為需要的是環境段創新?

衛星導航系統的環境段涉及的空間體非常大,涉及的內容范圍非常寬。由于衛星導航的應用涉及海、陸、空、天各個方面,所以從地面海上開始,到近地空間,直到地外空間,乃至深空。在這樣巨大的空間內,包括不同的電波傳輸介質,自然和人為的電磁干擾,以及地形地物和植被的影響。其中涉及大氣(電離層和對流層)條件、電磁環境、多徑效應,以及多種多樣的應用環境與條件,它們會影響到系統工作、定位精度、完好性、可用性、連續性和可靠性等一系列關鍵指標。環境段不僅影響到定位、導航和授時的精度,而且也會影響到用戶接收機的正常工作,甚至導致信號中斷。尤其是茂密的森林內、城市峽谷中,甚至各種各樣室內應用,都有電波傳播環境條件的限制。

解決環境段的問題應該從三個方面著手:一是從衛星導航系統設計著手,改進和提高系統的性能,實現四大組成部分(星座空間段、環境增強段、地面運控段、用戶系統段)一體化設計。針對環境段問題,采取積極的措施,保障精度、可用性、完好性、連續性和可靠性指標要求尤其是抗干擾能力和具有完好性保證的高精度性能。二是要加強對衛星信號及其干擾源的監測和跟蹤,及時地發現可能的故障、原因、來源,確定相應的對策,采取積極的防范措施和及時的處理辦法。三是應該充分利用多樣化的系統互補融合,除了積極推進GNSS多個系統的兼容和互操作外,還要將天基導航與地基導航、傳統導航與新興導航、無線電導航與慣性導航,以及多種多樣的導航手段和資源實現系統集成化整合,從根本上解決天基導航系統的脆弱性,真正做到任何時候、任何地點實現全空間、全天候的定位、導航和授時(PNT)。

GNSS整體組成應該從“老三段”轉化為“新四段”。GNSS是在不斷創新中實現功能性能的提高和升華,而其中的主線和重點是通過環境段實現精度、可用性、可靠性的不斷改進。多種多樣的差分技術與網絡。天基、地基、局域增強系統,誤差改正和緩減措施與方法,絕大多數是圍繞解決環境影響產生的效應來加以安排部署的。事實上,在衛星導航系統總體的形成過程中,僅僅以空間段、運控段和用戶段的“老三段表述方式,已經遠遠不夠了。所以,GNSS的總體上應該實現創新,形成“新四段系統之系統的概念,這就是空間星座系統、環境增強系統、地面運控系統、應用服務系統。

 

8.GNSS兼容互操作的關鍵難題是什么?

1995年5月,美國GPS宣布正式投入完全的正式服務,至今已有二十多年了。雖然,俄羅斯在1996年宣布過GLONASS開始正式服務,但是其間經歷了蘇聯解體等過程,直到2011年年底俄羅斯才宣告系統恢復完全工作狀態。中國北斗和歐洲伽利略全球系統正在晝夜兼程的建設之中

四大全球系統有望在2020年全部投入完全服務。顯然,對于GPS和 GLONASS而言,2020年這個年限不存在什么門檻問題,而對于我國的北斗導航系統(BDS)和歐洲的伽利路( Galileo)系統,還是存在一定的壓力的,因為有諸多的不確定因素可能會影響到系統部署的進程。航天事業本身就是個充滿風險的行業,何況衛星導航系統是個大型的星座,其中充滿著未知數。尤其是,全球系統的管理具有明顯的特有的經驗( know how)性挑戰,對于歐洲人和中國人來說,多少是個嶄新的課題,萬萬不能掉以輕心。但是,從目前看,中歐雙方都有一定的時間裕量,有望在2020年投入完全服務。

多個系統現代化和GNSS兼容互操作在緊鑼密鼓地開展中,從GPS宣布正式投入服務的翌年,美國就開始部署GPS現代化計劃。而且在2000年5月1日終止了其AS(可用性選擇)政策,于是一夜之間GPS民用定位精度從上百米提高一個數量級,達到10m左右。此舉成為GPS現代化的第一步行動。GPS現代化是個全面展開的行動,涉及空間段、地面運控段和用戶段的性能提高和改進。

俄羅斯的 GLONASS也在推進其現代化進程,通過GLONASS-M、 GLONASS-K和現代化 GLONASS-K行動計劃,推進其系統現代化,主要目的是:增加衛星的工作壽命、促進衛星服務系統的演變、提供更加穩定的星鐘、引入搜索救援(SAR)載荷和增加新的信號。為了適應GNSS兼容互操作的需要,俄羅斯在其新的衛星上在保持其FDMA信號的同時,還增加了與國際上其他GNSS系統兼容的CDMA信號,而且準備最終在L1、L2、L3三個頻率上均加載這樣的北斗系統與伽利略系統均在部署其全球系統,對于歐盟和中國而言,全球系統都是個新課題,目前均在經受時間進度和系統性能質量的考驗。尤其是美國和俄羅斯都是在原有的系統基礎上實施現代化進程,它們的系統正在向更高的層次進發。就精度而言,已經向1m定位精度邁進。作為全球系統,四大系統的建設者都希望能夠進入前茅也就是突入前三名。從目前看,美國會繼續保持領先,其他三方可能會有一比,面臨時間和技術與產業水平的嚴峻考驗。

 

9.為什么說北斗標配化已經水到渠成?

一直以來,我們經常在呼吁北斗標配化,卻收效甚微,究其原因,是人們自我束縛過分,慣性思維使然。這幾年來,北斗受到國內國際的雙重關注,細心的人們肯定早已發現,當2012年底,我們宣布向外公開北斗系統信號接口控制文件后的數個月內,全球知名的多個主要智能手機芯片廠商,均表示自己所生產的手機芯片都配備了北斗功能:而專門的衛星導航終端供應商也紛紛表示自己的產品包含了北斗功能。這是北斗巨大影響力的集中體現。

GNSS系統的大轉折正在發生,而且是系統性的,整體全局性的。這種轉折宣告,GNSS系統建設階段告一段落,接著是其應用與服務為重頭戲的產業發展時期。這種轉折提醒,GNSS兼容互操作成為各個衛星導航系統竟爭力的主要突破點,四大系統在應用服務終端中的標配化已經成為必然趨勢。這種轉折明示,GNSS的時空信息服務的擴大發展,將從定位導航授時的原始性應用中實現重大突破,在跨界融合、泛在實時、智能服務發展過程中得到升華。中國新時空服務將成為我國信息時代發展核心主線,它所推進的智能信息產業成為習近平新時代產業發展的主旋律。由此可見,北斗標配化,也就是北斗與其它GNSS系統的兼容互操作,已經是一種必然趨勢,而且業已達到水到柔成的發展階段。這不是哪個專家哪個群體說了算的事情,而是市場與產業需求在引導著產業的大趨勢。

北斗標配化,不僅不會削弱北斗的競爭力,恰恰相反,是極大地推進了北斗進入GNSS的融合步伐。我們越是自覺主動地推進北斗標配化,我們就越能夠為北斗創造出更加廣闊的天地。我們站在北斗鋪墊的強大基礎上,能夠更加自如地駕馭GNSS強大的信號資源,就能得無與倫比的國際競爭力,我國的衛星導航產業才能發展的更高、更快、更遠。

北斗標配化,就是讓中國衛星導航市場中的北斗應用顯性化,讓人民大眾對于北斗有感,激發民族自尊心和自豪感。同時,也推進北斗的應用規?;?、服務產業化、市場全球化“,推進北斗融入GNSS發展進程。“北斗標配化”,實際上真正體現了我們對于北斗全球化發展的信心與力量,真正發揮北斗的影響力、輻射力。

就北斗標配化的實施,我們可以舉重若輕的方式進行,主要在三大領城入手。這就是:在國家重點基礎設施,特別是信息基礎設施領域在車輛調度控制管理監控領域,特別是汽車前裝市場領堿;在移動智能終端,特別是智能手機和可穿戴設備領域。為了保障北斗標配化的顯性化,我們可以在智能手機終端的入網許可檢測中,明文規定北斗作為必須檢測項目,而且限期至2020年做到完全達標。

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