编者按:卫星导航系统发展至今,因其全球性、连续性、实时性、全天候和高精度的特点,已经广泛应用于陆地、海洋、天空和太空的各类军事及民用领域中,成为目前最常用的导航定位技术。
因此,受到了世界各国的极大重视,成为继互联网、移动通信之后发展最快的信息产业之一。
作为一种重要的国家信息基础设施,美国、俄罗斯、欧盟都不惜投入巨资建设卫星导航系统。
目前,美国GPS 、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONA SS )和中国的“北斗一号”卫星导航系统均已投入商业运行。
由中国和欧洲15国共同参与的欧洲民用卫星导航“伽利略计划”以及中国的“北斗二号”也在积极推进中。
作为无线电导航技术之一,卫星导航技术已经广泛应用于现代军事斗争的许多领域,极大地提高了部队的整体作战能力,是取得现代信息战争主导权的重要手段之一。
因此,我们开设关于卫星导航技术专题讲座,向通信工程技术人员、研究生和高年级本科生介绍卫星导航技术的原理及有关知识,希以达到拓宽知识面,共同推动卫星导航技术的发展和应用,并加强卫星导航与通信结合应用研究的目的。
本讲座内容涉及卫星导航系统应用现状及发展简史、系统组成、工作原理,介绍卫星导航中的增强技术、组合导航技术、高灵敏接收技术及A 2GN SS 技术等。
卫星导航技术专题讲座(一)第1讲 卫星导航技术与应用的发展Ξ吕 晶,李广侠,于 永(解放军理工大学通信工程学院训练部,江苏南京210007)摘 要:文中介绍了卫星导航的发展简史,阐述了卫星导航在民事和军事中的应用,并总结了卫星导航的技术发展。
关键词:卫星导航;应用;技术发展中图分类号:TN 967.1文献标识码:A 文章编号:CN 3221289(2009)0320095205D e ve lopm e nt of GNS S Te chnique s a nd A pp lica tionsL V J ing ,L I Guang 2x ia ,YU Y ong(T raining D epantm ent I CE ,PLAU ST ,N anjing 210007,Ch ina )A bs tra c t :T he h isto ry of GN SS w as in troduced firstly .T hen the app licati on s in civil andm ilitary w ere discu ssed and the developm en t of its techn iques w as summ arized .Ke y w o rds :GN SS ;app licati on s ;developm en t of techn iques导航是一种技术与方法的总称,它的最基本的作用是将运载体(飞机、车辆、舰船及人员)从起始点沿着所选定的路线安全、准确、准时地导引到目的地。
在这个过程中,确定运载体的几何位置(即定位)是基础。
第30卷第3期 2009年9月军 事 通 信 技 术Journal of M ilitary Comm unicati ons T echno logy V o l .30N o.3Sep.2009Ξ收稿日期:2009204229;修回日期:2009206210作者简介:吕晶(19652),男,教授.导航的历史久远。
利用天体进行导航是最古老、简便、可靠的导航技术。
但是,利用任何自然天体进行导航都不可避免受到观测时间、地点、气象等诸多自然因素的影响和限制。
千百年来,航海者梦寐以求地期望有朝一日,能在全球范围内,不受天气、时间、地点、自身运动状态等条件限制而获得精确的导航信息。
随着现代科学技术的发展,特别是在宇航技术、电子计算机技术领域里取得重大突破的基础上,人们从利用自然天体定位,逐步发展到设置人造天体来导航,同时,将集成电路、新的电子元器件、电波传播的研究、信息论、自动控制理论、系统工程论等应用于导航中,诞生了卫星导航技术,赋予古老的“天文导航”以新的内容,使人们长久以来的梦想变成了现实。
1 卫星导航系统简史[1]1957年,苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星。
苏联人的成功深深地刺激了美国人的神经。
为了尽快在空间技术方面赶上苏联,美国投入了大量的物力和财力,对苏联的卫星进行观测与研究。
在观测和研究过程中,根据研究人员的发现提出:如果在位置坐标已知的地面接收点精确地测出卫星电波的多普勒频移,。
这一提法给另一位研究人员麦柯卢尔(M eclu re )一个有益的启示。
1958年,他提出了一个与上述提法相反的设想:如果卫星轨道是已知的,只要精确测量出卫星电波的多普勒频移,就可以推算出观测者在地球上的位置。
这一设想就成了美国海军导航卫星系统NN SS (N avy N avigati on Satellite System )的理论基础。
图1 子午仪导航卫星1958年底,美国海军为了满足为发射北极星导弹的核潜艇提供精确的定位数据的军事需求,委托霍普金斯大学应用物理实验室对卫星导航进行研究。
1964年夏,该实验室研制的卫星导航系统进行全球性导航试验获得成功,并开始为海军服务。
这就是世界上第一个实用卫星导航系统——海军导航卫星系统,又称“子午仪”(TRAN S IT )卫星导航系统,如图1所示。
其实,在苏联第一颗人造卫星发射之前,利用人造地球卫星进行导航的科学设想就诞生了。
在1955年至1957年间,列宁格勒马让斯基空军工程科学院在谢布萨维奇教授的领导下,进行了用无线电天文学方法实现飞机领航的可行性研究。
在1958年至1959年间,低轨道卫星无线电导航系统的科学基础取得了实质性进展,这促使苏联于1963年转向实现第一个低轨道卫星导航系统,并命名为“奇卡达”(C I CADA )。
“子午仪”和“奇卡达”系统,即是人类第一代卫星导航系统。
这一系统可以提供全球、全天候以及高精度的导航定位服务,而且安全、经济、可靠,迅速得到广泛地应用。
但是,第一代系统有着很多不足。
首先,当时的发射能力不强,卫星轨道低(约1000km ),卫星数量少(4～6颗),对任何一个地方不能提供连续的覆盖和服务;采用单星、双频多点多普勒频移测速定位体制,定位时间长,定位精度不高,且对运载体的动态特性敏感;不能定高度,只能提供二维导航数据。
图2 GLONA SS 星座为了弥补第一代卫星导航系统的上述不足,1973年12月,美国国防部整合了海军和空军分别提出的“时间导航”(T I M A T I ON )研究计划和6212B 研究计划,提出了一个全天候的新一代卫星导航系统——全球定位系统(GPS ),又称导航星(NAV STA R )系统。
无独有偶,凭借着谢布萨维奇教授的早期研究,苏联在1978年也开始了替代“奇卡达”系统的全球导航卫星系统(GLONA SS )的计划,其星座如图2所示。
GPS 和GLONA SS 分别在1995年和1996年具备了完全运行能力。
这两个系统都提高了卫星轨道高度(约20000km ),采用多星、高频、基于无询问的伪距、伪距变化率测量定位体制,比起第一代的卫星导航系统有更高的全球定位精度,且能连续提供三维(经度、纬度、高度)、三维速度和精确的时间,实现连续实时的导航定位。
中国到1983年初才开始酝酿利用静止轨道卫星进行导航定位的技术方案。
陈芳允院士提出了利用两颗69军 事 通 信 技 术2009年 图3 北斗一号卫星发射地球静止轨道卫星测定用户位置的卫星无线电定位系统的概念,并称之为双星定位通信系统。
1989年,双星定位的设想通过使用两颗“东方红二号”对地静止通信卫星得以证实。
2000年10月和12月成功发射了两颗“北斗”导航卫星,建成了中国第一代卫星导航定位系统——“北斗一代”,2003年5月发射了第三颗“北斗”导航卫星,使系统进入稳定运行。
中国成为世界上第三个拥有独立导航系统的国家。
目前,中国正在进行类似于GPS 的“北斗二代”的建设。
2007年4月,中国发射了“北斗二代”的试验卫星,2009年4月,又发射了属于“北斗二代”的第一颗正式导航卫星。
图3为北斗一号卫星发射现场。
欧盟在1998年提出GAL I L EO 计划,决定建立一个独立于GPS 的、专门为全球民用用户设计的卫星导航系统,并于2002年正式启动了GAL I L EO 计划。
目前,GAL I L EO 系统完成系统的设计,并于2005年和2007年各发射了一颗试验卫星。
从上述的发展历史看,世界各国目前的主流卫星导航系统是:①采用约20000km 高度的中高地球轨道(M EO )卫星组成全球导航星座,以地球静止轨道(GEO )卫星为区域增强卫星,实现区域增强能力;②采用两个以上的L 频段导航信号,实现电离层传播时延的精确校正;③以高精度卫星钟控制下的导航信号为测量对象,用户通过对至少4颗卫星的伪距测量和伪距变化率的测量完成用户位置坐标和运动速度的确定。
2 卫星导航的应用发展[2,3]卫星导航系统一问世,就倍受人们关注,其应用非常广泛,已经从以车辆应用为主转变为目前与通信相融合的个人消费为主的格局。
在民用方面通常可分大众应用、专业应用和生命安全应用。
在大众应用方面:利用卫星定位技术,为人们提供车辆的位置信息及时间信息,使驾驶辅助和车辆跟踪应用从特种车辆扩展到私家车辆和公众车辆,特别是长途运输车辆;也使娱乐休闲、老人和小孩的定位服务等个人应用越来越广泛。
图4 利用GPS 进行测绘专业应用方面:利用卫星定位技术,为近地空间飞行体提供高精度实时的位置、速度和姿态信息以实现飞行体的跟踪、定位、轨道确定、姿态确定和飞行编队等;通过在一个点上长时间观测、多点联测以及数据离线(off 2line )处理等方法,可以达到厘米级甚至毫米级的测量精度,为研究地球动力学、地壳运动、地球自转和极移、大地测量和地震监测等提供了新的观测手段,如图4。
作为连接农业机械到电子信息系统的桥梁,将农田中产量分布、土壤养分分布、土壤水分分布与播种、施肥、灌溉、收获机械结合起来,卫星导航系统越来越多地用于农田养护、播种施肥收割最优化、家畜放养跟踪和收割打场效率改进等。
生命安全应用主要体现在交通运输安全、个人安全以及包括医疗急救、防灾救灾、火警盗警、搜索救援、重大事故应对和公共健康与安全等应急联动方面。
在军事应用方面,则作为位置速度时间传感器,其应用有:向各种射程和各种用途的陆海基和空基武器提供初始化和制导,提供发射架的位置、速度与姿态数据和导弹飞行中的轨迹修正数据,以提高精确打击能力;形成敌我态势信息,成为综合军事信息系统必不可少的组成部分;雷达目标、导弹、军用飞机等高速目标进行精确实时定位与跟踪并提供统一时间,以完成武器威力和性能的评价;军事测绘、高空侦察和电子侦察、目标截获、飞机投弹与对地攻击、近空支援、空地配合、火炮与雷达的快速布列与校准等需要绝对和相对实时定位操作的应用。