、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。求解圓弧線與地球表面交點即可獲得用戶位置。 2.2順利投入運行 “北斗”衛星導航系統的研制成功解決了中國自主衛星導航定位系統的有無問題。它是一個成功的、實用的、投資很少的初級起步系統。此外,該系統的建設並不排斥國內民用市場對gps的廣泛使用。相反,在該系統的基礎上,還能建立中國的gps廣域差分系統,使受sa干擾的gps民用碼接收機的定位精度由百米級修正至米級,從而更好地促進gps在民間的利用。目前,衛星運行正常,系統調試與試運行表明,“北斗”導航定位系統在國內及周邊服務區的定位精度是很好的,簡短雙向數據很正常,滿足系統預定要求。“北斗”衛星導航系統尤其適合於同時需要導航與移動數據通信的場所,例如交通運輸、調度指揮以及有關地理信息系統的實時查詢等。其正式運行進一步促進了中國導航應用市場的快速發展,刺激了大批量用戶機的迫切需求。 “北斗”衛星導航系統需要中心站提供數字高程圖數據和用戶機發上行信號,因而使系統用戶容量、導航定位維數和隱蔽性等方面受到限制,在體制上不能與國際上的gps、“全球導航衛星系統”(glonass)及將來的“伽利略”(galileo)衛星導航定位系統兼容。因此,中國需要在第1代衛星導航系統的基礎上發展第2代衛星導航系統,以滿足今後國家對衛星導航應用和長遠經濟發展的需求。
3發展第2代衛星導航系統的設想 對發展中國第2代衛星導航系統,筆者有如下設想。 3.1第2代衛星導航系統的體制 第2代衛星導航系統與第1代衛星導航系統在體制上的差別主要是:第2代系統的用戶機可免發上行信號,不再依靠中心站電子高程圖處理或由用戶提供高程信息,而直接接收衛星單程測距信號自己定位,系統的用戶容量不受限制,並可提高用戶位置隱蔽性。其代價是:測距精度要由星載高穩定度的原子鐘來保證,保證所有用戶機使用穩定度較低的石英鐘,其時鐘誤差作為未知數和用戶的三維未知位置參數一起由4個以上的衛星測距方程來求解。這就要求用戶在每一時刻至少對4顆以上幾何位置合適的可見衛星進行測距,這使得星座所需衛星數量大大增多,系統投資會顯著增加。建立高精度衛星軌道基准和衛星時間基准是新衛星導航系統技術的核心,需要開展深入的研究工作。另外,為了獲取對中國未來的導航頻率的國際保護,還需要加快向國際電聯申請和協調。 中國第2代衛星導航系統非常復雜,而且,我們對全系統的設計、研制、運行和管理尚缺少經驗,但對衛星的測控已有一定技術基礎。“北斗”衛星導航系統和廣域差分系統的研發直接為中國第2代衛星導航系統的研制和運行鍛煉了技術隊伍並積累了經驗,各地面台、站設施等可在第1代衛星導航系統已有設備的基礎上進行擴建,衛星平台、運載火箭和雙向數據移動通信等均可以繼承或采用成熟技術。國內gps的廣泛應用為中國未來的衛星導航提供了應用基礎和廣闊的市場。發展新一代衛星導航系統不僅是必要的,而且在技術、經濟上也是可行的。 3.2發展途徑 3.2.1充分保證民用導航精度 第2代衛星導航系統應能提供雙頻信號以消除電離層引起的誤差,不實施sa干擾降低導航精度,其民碼(c/a)公眾可自由使用並與國際格式兼容,不收費用;為授權用戶提供雙頻和廣域差分信息,以進一步提高導航精度和提供准實時完好性信息。它可參考gps廣泛開發民間應用,積累重要的產業經驗。由於民用接收機的普及、批量生產和商業競爭,導致民用產品的數字化、小型化和性能大大提高,價格顯著下降,所以美國發展gps民用市場反過來又促進了其軍事應用,更大程度上滿足了作戰需求。相反,俄羅斯沒有開發民用市場,軍用接收機只生產了2000部,並且價格昂貴,性能不高。因此,中國在建立第2代衛星導航系統的同時,應發揮中國導航c/a碼精度高、含有亞洲地區加強系統的優勢,首先開發國內民用市場,開發出能批量生產的廉價國產導航接收機,普及國內民間應用,逐步取代進口產品,形成產業;進而開發雙模式兼容中外導航信號並可接受區域加強信息的高精度、高可用性接收機,進一步拓寬高安全性系統在亞洲的應用市場,逐步建立中國衛星導航系統今後持續發展的物質基礎,為將來發展全球性的國際市場做好准備。 3.2.2建議以全球衛星導航系統為長遠目標分步實施 中國的衛星導航系統究竟應該是區域的還是全球的,這是中國導航界專家廣泛關注的一個重要問題。當前為了首先確保在國內及附近海域的需求(少數國際民航飛機和航海船只除外),並力求減少初期一次性投資額度,在近期內仍以建成北半球約120°經度范圍內的區域導航系統為宜。但從長遠發展打算,中國經濟和科學技術的發展離不開衛星導航,低軌航天器的定軌也要求有全球衛星導航系統支撐,要認真考慮中國區域衛星導航系統今後能夠順利發展為全球衛星導航系統的可能性。這也有利於和俄羅斯、歐洲一起打破美國gps獨霸世界的局面,有利於民用方面今後開發導航產業的國際市場,滿足國際航空、航海和航天器全球導航的需要。因此,從前瞻性考慮,建議以建立全球衛星導航系統為長遠目標,按技術經濟條件采取先區域後全球的兩步實施方針。實現這一方針的可行性在於,當前區域系統必須和未來全球衛星導航系統在體制上兼容,區域星座能擴展為全球星座。今後可根據中國國力和實際需要,隨著後續衛星的發射,以最小的代價平穩地發展為全球衛星導航系統。這一技術途徑的可行性在於尋找到合適的衛星星座,下面為幾種區域星座軌道類型。 (1)地球靜止軌道(geo)該衛星星座可全天24h靜止在規定的赤道位置上空,提供本區域導航服務,衛星利用率高。這也是第1代“北斗”衛星導航系統采用的星座,而且地球靜止衛星能廣泛應用於全球導航系統的區域增強系統。由於地球靜止軌道各衛星都處於赤道面內,所以受導航定位所需幾何構形的限制,每個用戶最多只能利用2顆相間隔30°以上經度的衛星。全區域究竟布設幾顆地球靜止軌道衛星則取決於導航服務區域大小,但單用地球靜止軌道衛星是不夠的,還必須有相對於地球移動的高緯度衛星參與導航星座。 (2)大橢圓軌道衛星星座最典型的是俄羅斯用於高緯度地區廣播衛星的“閃電”(molniya)型軌道。這是一種大偏心率(通常取0.7左右)軌道,軌道傾角63.43°,其遠地點在北半球本國高緯度上空,星下點軌跡移動緩慢,1日內可保持近10h有效運行。一個大橢圓軌道面內均勻分布3顆星,即可保持一個高緯度星位的連續存在。其近地點在南半球,停留時間很短,衛星高度很低,用戶可見區域范圍小,對用戶的導航貢獻小;遠地點在地球背面,經度上遠離服務區,本區域系統不能加以利用。另外,這種軌道的衛星高度變化很大,對信道設計很不利。因此,對大橢圓軌道不予考慮。 (3)傾斜地球同步軌道(igso)它的軌道傾角為55°~63.43°,是一種利用效率較高的區域星座,但只限制於在本經度區域內使用。在立足於國內台站測控的條件下,中國采用9顆傾斜地球同步軌道衛星與4顆地球靜止軌道衛星相結合,可以建立區域衛星導航系統,但在接近服務區邊緣處會因衛星定軌精度下降而導致導航精度明顯降低。歐洲曾對這種軌道星座方案作了多年研究,但因在全球尋找幾個區域系統聯網成全球系統的合作伙伴未果,最終放棄了這種方案。如果中國采用這種軌道星座,那將來再發展為全球系統是不可能的。 (4)中高度圓軌道(meo)衛星星座這是一種周期12h,傾角為55°~63.43°的軌道,是經過gps和glonass系統成功運行而證明性能良好的全球星座軌道。分析計算已證明,24顆傾角為55°的meo衛星分布在3個軌道面內,可滿足全球衛星導航精度(3個傾角為54.74°的軌道面通過地心相互正交,衛星在全球分布最均勻,明顯優於gps的6個軌道面)。這種單一由meo衛星組成的星座必須布滿全部24顆衛星才能有效地投入運行,如要滿足民航可用性要求和精密進近,則必須增加地球靜止軌道衛星以進行區域加強,或大量增加meo衛星。每顆meo衛星的星下點軌跡歷經全球,其優點是可立足於本國國土內測控所有衛星。中國服務區地處55°n以南,東西經度范圍很大,占全球1/3,平均每顆星約有2/3的時間可為本區域系統內的用戶服務。采用12顆星的子星座與4顆地球靜止軌道衛星相結合(12meo+4geo),可滿足區域系統的導航要求。如果後續布滿24顆衛星,則可發展為高精度區域加強的全球衛星導航系統,從而達到民航精密進近導航要求。■
[信息來源:中國空間技術研究院] 據我所知我國目前沒有全球定位系統,北斗不能實現全球定位。北斗系統是衛星定位系統,但不能全球定位,中國將備參加歐洲“伽利略”系統的投資和使用,先期投資達2億多歐元。我們有自己的北斗系統嗎!雖然還不是十分成熟,但畢竟是我們自己的孩子呀!
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