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北斗导航系列一: 全球卫星导航系统对比及技术发展方向

路畅 2018-10-15 2739 347

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全球卫星导航系统是指能为用户提供地球表面或近地空间的任何地点、全时段的三维坐标、测速以及授时服务的空基无线电导航定位系统。全球卫星导航系统不仅是关系着国家安全和经济发展的基础设施,也是一个国家综合国力的重要体现,在政治、经济、军事等方面具有重要的意义。当前,大国都在积极部署自己的全球卫星导航系统以谋求军事、经济的独立权。美国、俄罗斯、中国、欧洲已经拥有了自主研发的全球卫星导航系统,占领了战略先机和发展高地,日本、印度等国也不甘落后,正在努力探索建设本国区域性的卫星导航系统。

       全球卫星导航系统是指能为用户提供地球表面或近地空间的任何地点、全时段的三维坐标、测速以及授时服务的空基无线电导航定位系统。全球卫星导航系统不仅是关系着国家安全和经济发展的基础设施,也是一个国家综合国力的重要体现,在政治、经济、军事等方面具有重要的意义。当前,大国都在积极部署自己的全球卫星导航系统以谋求军事、经济的独立权。美国、俄罗斯、中国、欧洲已经拥有了自主研发的全球卫星导航系统,占领了战略先机和发展高地,日本、印度等国也不甘落后,正在努力探索建设本国区域性的卫星导航系统。

  全球四大卫星导航系统

  全球四大卫星导航系统功能各有侧重、特点鲜明,美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯开发时间早、精度高,广泛应用在军事、民用领域;欧洲的伽利略系统先进、安全系数高;中国的北斗即将完成全部组网,系统兼容、操作便利,未来有巨大的应用空间。

  表1 四大卫星导航系统对比

  (1)北斗卫星导航系统

  北斗卫星导航系统完全由我国自主研制生产,可为用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务并具有短报文通信能力,包括空间端、地面端和用户端三部分,空间端由5颗GEO卫星、27颗MEO卫星和3颗IGSO卫星完成组网。与美国相比,我国北斗系统研制起步非常晚,1994年才启动北斗一号的研制。2007年4月,第一颗北斗卫星成功发射,标志着北斗系统进入实质性的运作阶段。2017年11月,北斗三号卫星成功发射,北斗系统开启了全球组网的序幕。2018年9月20日,西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭(及远征一号上面级)以“一箭双星”方式成功发射第三十七、三十八颗北斗导航卫星。这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星,是我国北斗三号系统第十三、十四颗组网卫星,北斗卫星导航系统距离提供全球服务的目标更进一步。我国北斗系统制定了三步走计划(国内覆盖-亚太地区覆盖-全球覆盖),预计到2020 年,将完成北斗三代 35 颗卫星发射组网。 北斗卫星导航系统的优势明显:采用三频信号,安全系数高;搭载了最先进的铷原子钟,定位精准度高;具有短报文功能,能够实现双向通讯;系统兼容,未来普及度高。随着技术的不断更新换代,北斗系统未来会成为世界上定位最广最准、效劳功用最高、稳定性最好的卫星导航系统。

  表2 北斗卫星导航系统发展计划

  资料来源:兴业证券

  (2)全球卫星导航系统

  美国的GPS系统已经运行了三十多年,是目前全世界上部署最完善、技术最先进、定位精度最高、普及程度最广的卫星导航系统。目前,GPS共有在轨工作卫星32颗,提供军民两个等级的服务。GPS卫星已经发展到了第三代,与第二代卫星相比,精度上提高了三倍,抗干扰能力提高了八倍,寿命增加一倍。GPSIII还增加了数据上行功能,可迅速关闭特定地理位置的导航信号发送,同时也实现了军用频段和民用频段的彻底分离。

  (3)格洛纳斯卫星导航系统

  格洛纳斯是由原苏联国防部独立研制和控制的第二代军用卫星导航系统,该系统是全球第二个卫星导航系统,1996年正式建成运行。随着苏联解体,格洛纳斯系统缺乏资金无以为继,卫星数量大减。进入21世纪,俄罗斯开始进行格洛纳斯的现代化建设工作,格洛纳斯最终在2011年年底全面恢复运行。格洛纳斯的优势在于卫星发射的载波频率不同,可以有效地防止敌方的干扰,因而具有更强的抗干扰能力。

  (4)伽利略卫星导航系统

  伽利略卫星导航系统是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统,该系统的建设计划于1999年公布、2002年正式启动。伽利略系统的标准配置为27颗工作卫星和3颗备份卫星。2003年,中国曾经斥资2.7亿美元伽利略系统的开发,但到2007年中国政府果断选择了退出。随后伽利略经历了卫星制造公司制造能力不足、特许经营权谈判破裂、资金缺口、发射失败等种种挫折,目前欧盟已经将伽利略系统投入全面运行时间推迟到了2020年。伽利略系统是世界定位精度最高的卫星导航系统,可提供米级的定位精度信息,比GPS精确十倍,但系统稳定性较差,容易发生故障。

  卫星导航系统的技术发展方向

  近几年,全球卫星导航系统呈现了快速迭代的趋势,从单一的GPS接收机向多系统兼容接收机转变,从以卫星导航应用为主体向定位、导航、授时以及移动通信和因特网等信息载体融合转变。目前,卫星导航系统的技术发展方向主要包括:

  (1)卫星导航定位技术。卫星导航定位技术不断完善,大大提高了导航定位的精度、范围和实时性,未来将会向长寿命、抗干扰、抗打击能力以及提高自主运行能力方向发展。导航定位接收机将会向微型化、智能化方向发展。

  (2)GNSS-R技术。GNSS-R是利用GNSS反射信号反演目标物理参数的遥感技术。目前,GNSS-R在理论、技术等方面都日趋完善。硬件上,采用开环GNSS-R 接收机,高速率采样,从而实现高灵敏度接收性能;采用阵列接收天线,以便得到高分辨的方向性;软件上,基于DDM 理论和双站SAR 成像理论进行GNSS-R 成像探测的应用。

  (3)GNSS掩星技术。GNSS无线电掩星观测技术是通过在低轨卫星上安置GNSS接收机,接收因掩星事件产生的大气折射信号,以此反演大气参数。未来的掩星观测系统将从单颗低轨卫星转变为多颗低轨道卫星,从仅对GPS卫星进行掩星观测转变为对多个GNSS系统的卫星进行掩星观测,获取的大气掩星观测数据数量更多、分布更为均匀。掩星大气探测范围更深入地面,探测精度更高。掩星观测技术将向以星载掩星为主体、机载掩星和山基掩星为辅助的方向发展。

  (4)组合导航技术。未来的组合导航系统形式将更加多样化、集成化、智能化。目前,INS/GPS组合仍将是组合导航系统的首选方式,地基无线电导航技术仍作为卫星导航服务的有效备份和补充。未来发展中,地形辅助导航技术将不断提高性能,并且将会开发新的地形匹配方法、拓展应用范围,此外,声呐导航、水下电场导航、地磁与电磁导航、重力与重力梯度导航技术也将不断提高卫星导航系统的导航精度。

  (5)多频多系统联合定位技术。多频观测值的应用以及多系统联合定位的实施将为用户提供更多的备选组合观测值,增加可见卫星数,增强卫星几何强度,减少或消除单系统导航定位产生的系统误差,从而提高定位精度及可靠性。

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