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耿涛:北斗卫星导航系统的发展与突破

耿涛

耿涛 武汉大学卫星导航定位技术研究中心教授

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北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设运行的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。我们将从历史背景、发展历程、技术突破、应用推广、未来发展等方面出发,详细介绍北斗卫星导航系统背后的故事。

一、卫星导航系统背景介绍

(一)人类一直在寻求导航定位的手段

我们知道,时间和空间共同构成了宇宙万物的基本属性,85%的人类活动都是和时间、空间的信息息息相关的。卫星导航系统的主要任务是提供时间和空间的信息,也就是告诉用户某一时刻、在哪个地方。

正是由于人类活动和时间、空间息息相关,人类一直在探索最佳的导航定位手段。在远古时代,人们就已经借助自然的现象或者地物来获取时间和空间的信息,如北斗七星、利用磁铁石的司南、利用太阳照射物体产生影子的日晷。随着人类的活动逐渐扩大,到航海时代,人类就可以利用一些简单的仪器进行时间和位置的计算,如利用灯塔和船只的距离、方位来引导船只航行,还有利用指南针特性的罗盘以及航海钟和航海表。在近代,人类利用的仪器由简单的仪器发展到精密的仪器,如无线电雷达、惯性导航、电罗经、石英钟和原子钟。

(二)卫星导航:当今最重要的导航定位手段

目前,卫星导航系统是最重要的导航定位手段,有以下几个非常独特的优势:一是能够做到陆海空天全空域、全天时、全天候覆盖;二是目前的实时定位精度可以达到10米的量级,授时的精度可以达到数十纳秒;三是非常简单、适用,可以以软件或芯片的形式嵌入手机等终端;四是很便宜,目前一个消费级的终端芯片成本仅10块钱。

(三)PNT的发展史就是人类活动空间不断扩展的历史

综上所述,PNT的发展史就是人类活动空间不断扩展的历史。所谓的PNT是指什么?P是定位、N是导航、T是授时,也就是说,PNT就是我们平常所说的定位导航授时。PNT的发展史的第一阶段是人类迁徙、狩猎、农耕的阶段,采用目测自然现象来进行定位;发展到远洋航海的阶段,我们有了罗盘和航海钟;扩大到航空、远程陆路的阶段,我们有无线电和雷达;随着1957年人类的第一颗人造卫星上天,我们的活动空间又扩展到了近地空间,产生了以卫星导航系统为核心的定位手段。但是,卫星导航系统也有自身的缺点,如无线电波不能穿透水体,所以水下、室内和深空将是卫星导航系统的新的发展方向。

(四)卫星导航定位的基本原理

卫星导航定位的基本原理非常简单,就是距离交会法,即:

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以已知点为中心、以未知点到已知点的距离为半径划一个圆,我们可以假设在二维空间之内以A点为已知点,以C点为用户未知点,C点到A点为半径划一个圆,再假设一个已知点B点又可以形成一个圆,两圆交会可以形成两个点,其中必定有一个点是未知点的位置。

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对于三维的情况,圆就变成一个球,已知点A、B、D分别是球的球心,三个球相交的点就是未知点的位置。

卫星导航系统是利用距离交会法的原理,用至少四颗以上的卫星来交会出地面未知点的位置,其中有几个关键要素:一是卫星的位置,也就是已知点、球心;二是卫星到用户的距离,作为球的半径;三是用户相对于卫星的时间差。整个卫星导航系统包括几个部分:空间部分、地面控制部分以及用户部分。

1.空间部分

卫星导航系统的空间部分发挥着以下作用:一是接收和存储地面控制系统上传的导航电文,并通过导航电文计算出卫星的位置和时间;二是发送用户的导航定位信号,包括伪随机码、载波和导航电文等。

目前的四大导航系统的卫星参数是各不相同的。GPS、GLONASS的卫星数量是24个,GALILEO是30个,北斗三号则是“24+3+3”共30颗,包括MEO、IGSO、GEO三类。其中,MEO是指中轨道卫星,轨道距离地面的高度是21500公里,IGSO卫星和GEO卫星轨道高度是35786公里。根据卫星轨道理论,如果卫星的轨道高度是35780公里左右,那么它的运行周期和地球自转的周期是一致的,都是24小时;再假设卫星是在赤道的上空,在上述条件下,卫星就和地面保持相对静止;其中,IGSO卫星不在赤道上方,它的运行轨道面和赤道面有一个夹角。GEO卫星和IGSO卫星只能实现区域覆盖,即:运行轨迹只能覆盖地球的一部分;MEO卫星的轨道高度是20000公里左右,运行的轨道周期大约是12个小时左右,与地球自转的时间差就会造成MEO卫星绕着地球进行旋转,实现全球覆盖。

2.地面控制部分

卫星导航系统的地面控制部分是由主控站、监测站、注入站等一系列跟踪站所构成的。其中,监测站跟踪卫星并获取观测数据,再将观测数据传送给主控站;主控站利用传输过来的数据计算卫星的位置和时间,将导航电文等信息传送给注入站;信息再由注入站上传到卫星。

3.用户部分

卫星导航系统的用户部分由用户和接收设备构成。如果用户要实现导航定位,就需要有一个接收设备。接收设备的主要作用是,接收卫星发射出来的信息,包括伪码、载波相位和导航电文等信息,再通过一定的数据处理算法得到用户的位置、速度和时间。

卫星导航系统要实现导航定位,需要有三个关键要素:一是卫星的已知位置;二是测得“球”的半径,也就是卫星到用户之间的距离,主要是分米级至米级的伪码与毫米级的载波相位两种信息,并且需要以一定频率的合法且公开的无线电信号发射给用户;三是搭载高精度的原子钟的第四颗卫星,创造了卫星导航系统在时间上的严格同步条件,实现了授时的性能。

责任编辑:王瑱校对:吴自强最后修改:
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