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卫星导航系统概况

                 

 

卫星导航系统是卫星授时实现的基础。卫星导航系统指以人造卫星为参考点的无线电导航系统。卫星导航系统的工作原理是:导航系统的卫星上搭载了专用的无线电导航设备,可向地面用户不间断地发射固定频段的无线电信号,用户利用导航接收机收到卫星上的导航信号后,通过时间测距或多普勒测速获得自己相对于卫星的距离参数,并根据卫星发播的轨道、时间参数等信息求得卫星的实时位置,进而解算出自身的地理位置坐标和速度矢量。

 

卫星导航系统由三部分组成:空间段、地面段和用户段。其中,空间段指的是导航卫星星座,全球卫星导航系统一般由20颗~30颗在轨工作卫星构成空间导航网络系统,运行在距离地面20000 km左右的中高地球轨道(MEO),按照结构设计分布在3~6个轨道面上;区域卫星导航系统常采用地球同步轨道卫星,利用卫星实现信号转发的功能。

 

地面段主要是地面控制部分,通常包括主控站、监测站、数据传输系统和通信辅助系统等,地面站的作用是测量跟踪卫星轨道、预报卫星星历及对星上设备进行遥感遥测、工况控制管理等。

用户段即各种用户接收机、数据处理器、计算机等用户设备,其功能是跟踪捕获卫星播发的导航信号,根据导航电文的内容按照协议解算出卫星轨道参数、用户所处位置高度及坐标、地理经纬度、行进速度、标准时间信息等数据。

 

由于不受地况地貌环境的限制,卫星导航系统具有全天候、全球性的实时导航、定位、授时服务功能,在军用和民用领域均得到了广泛应用。在军事上的应用主要包括:①单兵作战支持与救援;②为无人机提供全球精确定位与武器制导;③军用数字通信系统网络授时;④广域战场精密武器装备时间同步;⑤提高排爆、破障的安全性;⑥为监视、跟踪、侦查系统提供精确的目标地理位置坐标;⑦为电子战提供必要的干扰与反干扰支持等。

 

而在民用方面,卫星导航系统的应用主要包括:①车辆导航与定位;这是目前卫星导航应用最大市场;②个人导航定位,如目前大部分手机都具有导航定位功能;③授时与同步应用,这在电信、电力、交通、金融等网络得到广泛应用;④测绘行业,这是卫星定位最早的应用场合。此外还在海洋测绘、防震减灾、城市管理、农业生产、资源环境、文物考古等领域具有广阔的市场需求和极大的发展潜力。卫星导航系统有力地推进了国民经济建设,改善了社会生活质量。

 

目前公认的全球四大卫星导航系统包括美国的GPS(Global Positioning System)全球定位系统、俄罗斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)全球导航卫星系统、欧盟的GALILEO伽利略卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统(BeiDou/COMPASS Satellite Navigation System)。其中,GPS是世界上第一个建成并在全球范围供军民两用的卫星导航定位系统,目前正在设计第二代卫星进行组网和系统升级,预计在2013年完成现代化进程;GLONASS是继GPS后的第二个全球导航系统,在经历资金短缺的困境后正在快速恢复其主要功能,2010年底实现了24颗卫星的完全工作,基本形成星座组网规模;GALILEO在欧空局的大力支持下正在抓紧部署,目前已通过在轨信号测试,未来计划由30颗卫星组成导航星座;中国北斗卫星导航系统于2011年底正式投入试运行,至2012年已经具备覆盖亚太地区的导航、定位、授时及短报文通信功能,计划在2020年左右建成覆盖全球的导航系统。

 

卫星导航系统还包括一些建设中的区域性增强系统及其他卫星定位系统,如美国WAAS广域增强系统、欧盟EGNOS欧洲静地卫星导航重叠系统、法国DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统、日本QZSS准天定卫星系统、印度IRNSS区域导航卫星系统等。

未来的一段时间,GNSS产业及应用将向三个趋势发展:①从GPS一枝独秀的时代过渡到多星座多系统并存的GNSS百花齐放的新时代;②GNSS与通信网络、国际互联网及物联网、车联网等信息载体实现融合发展,推动产业一体化进程;③提高运营服务质量,扩大GNSS的应用规模和群体,服务大众、服务全球。此外,未来的GNSS系统还将具有四大技术特点:一是多层次增强,二是多系统兼容,三是多模块应用,四是多手段集成。

可以预见到,随着卫星导航技术的不断进步和研发规模的不断壮大,GNSS必将成为世界强国竞相发展的高精尖战略新兴产业,真正实现“卫星导航的应用只受到人类想象力的限制”。

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