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中国的GPS

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卫星导航定位技术,是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种新兴技术。与传统的导航定位技术相比,卫星导航定位技术具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点,已成为人类活动中普遍采用的一种主要导航定位技术。美国和俄罗斯相继在上世纪末期,建成了全球卫星导航系统GPS和GLONASS(格罗纳斯),欧盟目前正在进行GALILEO(伽利略)系统建设,印度也大有奋起直追的潜能。为了建立独立自主的中国卫星导航定位系统,1994年国家批准北斗卫星导航系统研制建设任务,2000年10月31日2000年12月21日分别发射一颗试验导航卫星,从而初步建成“北斗导航”卫星双星导航定位系统,标志着我国卫星导航技术取得突破性进展,我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

北斗一号:区域覆盖的导航能力

使用2颗卫星组建导航系统是美国吉奥星公司率先提出的,但美国和欧洲的公司在这方面的研制均遭遇挫折,而中国却首先实现了这项卫星导航定位的创新工程。其基本原理是采用三球交会测量,利用两颗位置已知的地球同步轨道卫星为两球心,两球心至用户的距离为半径作两球面,另一球面是以地心为球心,以用户所在点至地心的距离为半径的球面,三个球面的交会点就是用户位置。这种导航定位方式与GPS、GLONESS所采用的被动式导航定位相比,虽然在覆盖范围、定位精度、容纳用户数量等方面存在明显的不足,但其成本低廉,系统组建周期短,同时可将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起,使系统不仅可全天候、全天时提供区域性有源导航定位,还能进行双向数字报文通信和精密授时。另外,当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时,不仅用户能知道自己的测定位置,而且其调度指挥或其他有关单位也可掌握用户所在位置,因此特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户,如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等,而在救灾行动中起作用显现尤为明显。

“北斗一号”导航卫星选用东方红三号卫星平台,总重约2300公斤,卫星设计使用寿命8年。卫星采用三轴稳定方式,由有效载荷(转发器、天线)、电源、测控、姿态和轨道控制、推进、热控、结构等分系统组成;卫星本体为2000mm×1720mm ×2200 mm的立方体箱形结构,分为服务舱、推进舱和载荷舱。

2000年10月31日,“北斗导航”卫星01星发射,11月6日成功定点于140°E;2000年12月21日,“北斗导航”卫星02星发射,12月26日成功定点于80°E 。两颗卫星顺利完成在轨性能测试,性能参数满足研制任务要求,利用两颗卫星构成了双星导航定位系统,为用户提供导航定位服务。2003年5月25日,“北斗导航”卫星03星发射,6月3日成功定点于110.5°E,它将作为备份星使用。2007年2月3日成功发射的北斗导航试验卫星04星,是接替01星继续服务的。也就是说,北斗双星导航定位系统由2颗静止轨道导航试验卫星和1颗在轨备份星以及地面控制中心站(有2副天线)和“北斗”用户终端三部分组成。

已经投入运行的“北斗一号”试验卫星导航系统主要能为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务,可在中国及周边地区为单兵、车辆、舰船和飞机等用户提供精度为20~100米的定位服务,通过它一次可传送多达120个汉字的信息,其授时精度可达20纳秒。

“北斗一号”导航卫星双星导航定位系统的建立,“快、好、省”的迈出了我国卫星导航系统重要的一步。该系统将导航定位、双向通信和精密授时结合在一起,为公路交通、铁路运输、海上作业、森林防为、灾害预报以及其他特殊行业提供高精度定位、授时和短报文通信等服务,取得了较好的应用成效。

2008年5月12日,四川汶川地震发生后,道路中断,通信中断,震中附近的重灾区失去了与外界的一切通信联系,中国卫星导航定位应用管理中心紧急调拨上千台“北斗”用户机配备一线救援部队。在此次救援活动中,“北斗一号”试验卫星导航系统所具有的覆盖范围广受地面影响小、定位报告及时等优势得到了充分发挥,成为救援指挥部和前方救援人员最有力的通信助手,最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的最有效利用。这也是我国第一代北斗导航卫星成功应用的典范!

北斗二号:具备全球导航能力

2007年4月14日,我国成功发射了第二代第1颗北斗导航卫星。2009年4月15日,又成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。中国卫星导航工程中心负责人介绍,这次发射的北斗导航卫星(COMPASS-G2),是中国北斗卫星导航系统建设计划中的前二颗组网卫星,是地球同步静止轨道卫星。这两颗卫星的成功发射,对于北斗卫星导航系统建设具有十分重要的意义。目前“北斗二号”卫星组网首批实用卫星发射已进入倒计时阶段,在今年和明年两年我们要发射10颗左右的导航卫星,计划2015年建成一个由三十几颗卫星组成的全球导航定位系统。目前我国的各种导航定位设备都要靠美国的GPS系统提供服务,“北斗二号”系统建成后,将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖,并且中国导航卫星也从此开始具备全球导航定位能力。

“北斗二号”导航定位系统是通过测量卫星至用户的信号传播延迟,利用测距原理实现导航定位。通过3颗卫星测距,得到用户至卫星的距离,确定两维位置;再通过增加第4颗卫星的测量,可以计算三维位置和时间。该系统的空间段由分布在不同轨道多颗卫星组成,它们构成导航星座。该系统采用的卫星是一种全新的卫星,采用了很多新技术。自首颗卫星发射成功以来,就开始了在轨测试和新技术试验验证等工作。通过首颗二代导航卫星的发射、在轨测试和在轨试验,验证了卫星各种新技术,有力推进了导航卫星系统的建设。

“北斗二号”是我国开发的独立的全球卫星地位系统,不是“北斗一号”功能的简单延伸,更类似于GPS全球定位系统和伽利略系统。第二代北斗导航定位卫星飞行在高度为21500千米的中圆轨道运行,这两颗不再以“试验”冠名的北斗导航卫星顺利升空,标志着中国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的实际应用发展建设阶段。我国将在未来几年里陆续发射系列北斗导航卫星,计划2009年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,2011年前满足亚洲地区的导航服务,并进行系统组网和试验,逐步扩展为全球卫星导航系统。这个系统将主要用于国家经济建设,为交通运输、气象、石油、海洋、森林、通信、公安等部门以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。

正在建设的“北斗二号”卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,它们是无源导航卫星,不同于第一代的有源导航,这可以为需要导航的用户带来极大的安全。该卫星提供两种服务方式,即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务,定位精度为10米,授时精度为50纳秒,测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务。

据了解,目前我国卫星导航定位的应用范围和行业不断扩展,全国卫星导航应用市场规模以每两年翻一番的速度快速增长。近年来,我国卫星导航定位业务发展很快,“北斗”卫星导航系统的用户已突破30万户,直接产值达35亿元,占中国导航定位产业的20%左右,由它带动的相关产业将达数百亿元。我国正出台政策加快“北斗二号”卫星导航系统的建设,制定“北斗二号”卫星导航系统民用应用政策,促进“北斗二号”卫星导航系统的产业化应用,鼓励其他行业和领域采用“北斗”卫星导航兼容其他卫星导航系统的服务体制。目前我国及周边国家主要依靠美国的GPS系统来进行导航定位服务,而随着中国“北斗二号”系统的建成,将使我国在卫星应用方面摆脱对国外卫星导航系统的依赖,也将逐步拥有大批的海外固定应用客户,并带动一大批国内高技术产业,形成新的经济增长点,甚至直接拉动我国航太技术的进步。

结语

经过近十年的发展,我国不但建成了“北斗一号”双星定位导航卫星系统,打破了美国GPS的技术和应用垄断,也解决了不少卫星导航定位的难题。目前,我国的卫星导航定位技术已经发展到了第二代的无源导航阶段,随着计划中的数十颗卫星的加速发射升空,我国的全球卫星导航定位系统将逐步组网成功。那时,不管是军用还是民用,我国的“北斗二号”全球导航定位系统,将会成为继美国GPS和格罗纳斯系统之外的另一个全球性的导航定位系统。这个系统的建成使用,将为我国的国民经济建设和国防能力建设提供最好的服务,也将促进我国的航天科技水平,为我国实现和平崛起奠定坚实的基础!

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