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当代世界导航卫星巡礼

百纳文秘网  发布于:2021-07-26 20:02:27  分类: 文秘专题 手机版

导航定位很早就成为人类社会中不可缺少的一项技术。从古至今,人类在生产和生活实践中发明了多种导航方法,但都不十分尽如人意。随着航天技术的发展,卫星导航技术应运而生,其实质是把无线电导航台搬到太空上去,因而能克服地面无线电导航台的先天不足,不受气象条件、航行距离的限制,且导航精度也比较高。

第一代导航卫星横空出世

1958年美国海军开始研制名为“子午仪”的多普勒卫星导航系统,它又称海军卫星导航系统。1960年4月13日发射成功世界第1颗导航卫星子午仪-1B,开创了人类卫星导航的新天地。

 

“子午仪”卫星运行在高度约1000千米的近圆极轨道,采用双频多普勒测速导航体制,使用这样的低轨道是为了避免减弱多普勒效应。由轨道面均匀分开的4~5颗“子午仪”卫星组成的空间导航网(导航星座),可使全球任何地方的导航用户能在平均每隔1.5小时左右利用卫星定位一次。实用型“子午仪”卫星采用重力梯度稳定,使天线对地定向。

其主要功用是:为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位,用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量(测定地球形状和重力场)等。从1960年4月到80年代初共发射30多颗“子午仪”,其中子午仪-1B是用来对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定,并验证双频多普勒测速定位导航原理,结果证明卫星导航可行好用。

当代导航老大:GPS

GPS是美国国防部开发的星基全球无线电导航系统,它可为全球范围内的飞机、舰船、地面部队、车辆、低轨道航天器,提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度以及时间数据。其主要任务是使海上舰船、空中飞机、地面用户及目标、近地空间飞行的导弹以及卫星和飞船,实现各种天气条件下连续实时的高精度三维定位和速度测定,还用于大地测量和高精度卫星授时等。

第1颗GPS卫星于1978年10月6日发射, 1994年3月完成24颗卫星组网,1995 年4月27日达到完全运行能力。GPS卫星已发展了2代4种型号,耗资300亿美元。现在轨道运行的为第2代的两种型号——GPS-2A和2R,卫星寿命约7.5年。

GPS由空间系统、地面控制系统和用户系统三大部分组成。其空间系统由24颗工作卫星和3颗备份卫星组成,分布在20200千米高的6个倾角为55°的轨道平面上,运行周期12小时。地球上任何地方任一时刻都能同时观测到4颗以上的卫星。地面控制系统负责卫星的测轨和运行控制。用户系统为各种用途的GPS 接收机,根据用途它可分为测地型、全站型、定时型、普通型和集成型;根据携带者又可分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式和手持式。GPS接收机可装载于各种飞行器(包括导弹、炸弹)、舰船、车辆或者个人手持,还可以集成于计算机、测绘仪、照相机等仪器设备中。

大同小异的GLONASS

1995年俄罗斯耗资30多亿美元,完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成,原理和方案都与GPS类似,不过,其24颗卫星分布在3个轨道平面上,这3个轨道平面两两相隔120°,同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行,轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。俄罗斯自称,多功能的GLONASS系统定位精度可达1米,速度误差仅为15厘米/秒。如果必要,该系统还可用来为精确打击武器制导。

GLONASS一开始就没有加SA干扰,所以其民用精度优于加SA的GPS。不过,其应用普及情况则远不及GPS,这主要是俄罗斯没有开发民用市场。另外,GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短,且由于经济困难无力补网,在轨可用卫星少,不能独立组网。

2003年的伊拉克战争对俄罗斯产生了相当大的震动,迫使俄罗斯领导层再次对太空的军事用途重视起来。近日,俄罗斯空间系统科学研究所所长孟什可夫对记者说,3年前GLONASS经历了最糟糕的时期,当时只有8~10颗卫星在工作,而要该系统发挥完全的作用,需要有24颗卫星。现在只有11颗卫星处于工作状态,但是要使该系统具有军用价值,在轨道上至少要有18颗星。俄罗斯航天的老大难问题就是经费不足。为此,俄罗斯航宇局正试图吸引外资。按航宇局局长科普捷夫的说法,正在和包括中国在内的国家和组织进行商谈来共同恢复GLONASS。希望到2011年该系统将完全恢复。

专家认为,当这个系统的卫星达到18颗时,GLONASS便可发挥导航定位功能;当卫星总数达24颗时,其导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间。届时,GLONASS系统的用户便可不间断地获得地面、水面、天空、近地空间内相关物体的准确坐标信息。按照计划,俄将于2006年之前将该系统的24颗卫星全部部署完毕。

GLONASS卫星星座目前基本上处于降效运行状态。俄罗斯正在着手GLONASS系统现代化的改进工作。新型GLONASS-M卫星除了将设计寿命从现行的3年提高到7~8年以外,还将具有更好的讯号特性。第3代GLONASS-K卫星的工作寿命将在10年以上,俄拟在2005年开始设计名为GLONASS-K的第3代GLONASS卫星。

即将雄起的“伽利略”卫星

2002年3月26日,欧盟运输部长们一致同意正式批准研制“伽利略”导航卫星的计划。此举在全世界产生巨大反响,因为它标志着欧洲将拥有自己的卫星导航定位系统,并将结束美国GPS在世界独占鳌头的局面,并能军民两用。“伽利略”系统将建造大约30颗卫星,这30颗卫星将运行在3个高23616千米、倾角为56度的圆形中地球轨道之上。

“伽利略”将能提供公开服务、生产安全服务、商业服务和公共事业服务。公开服务是为全球用户免费提供位置和时间信息,性能与GPS相当;生产安全服务的性能更高,适用于全球各种运输业;商业服务是在公开信号上加密;受控的公共事业服务采用了专用频率,有很高的连续服务性,并加密,入网受欧盟及其成员国政府管制,可用于警察、应急服务等。

由于“伽利略”的定位精度可达到厘米级,因此通过“伽利略”系统,汽车和火车可以在没有司机的情况下自动行驶;飞机能在任何机场降落;轮船即使在大雾中也可以安全航行;等等。有人称,通过GPS只能找到街道,而利用“伽利略”则能找到车库门。除了能提供精确的定位信号以外,它还可为移动电话业务服务,故能用于救生行动,如接收到失事飞机的求救信号后迅速通知附近的救援部门。这些都是GPS望尘莫及的,同时对GPS也提出了强有力的挑战。对此,美国惊恐万分,并一直横加阻挠。

“伽利略”计划定于2008年完成,但由于各国利益差异,欧洲各国费用分摊难求平衡,该计划的实施曾一度非常不顺利。专家们指出,“伽利略”计划必须抢在2005年前实现发射第1颗卫星的目标,否则国际电信联盟有可能收回已经分配给该项目的无线电通信频率。

“伽利略”计划投资规模巨大,总预算约为36亿欧元,其中启动经费为11亿欧元,欧空局和欧盟各承担一半,而欧盟承担的约5.5亿欧元需由各成员国来分摊。由于各国承包工程合同的比例与各国分摊费用比例一致,因此,各国普遍希望增加出资份额,以便为本国承揽更多的合同。

据估计,“伽利略”计划能创造14万个就业机会,每年产生90亿欧元的经济效益,仅出售航空和航海终端设备一项,在2008年至2020年间就可收入150亿欧元。该计划还可以用于国防和军事目的,从而为欧洲建立共同防务体系提供必要的技术支持,使欧洲不再依赖于美国的GPS。此外,该计划还可以极大地提高欧洲各国的科技研发水平。因此,无论是对经济、科研和国防来说,“伽利略”都具有难以估量的意义。

别开生面的“北斗”

虽然GPS已广泛应用,但也绝非完美无缺。例如,其规模太大、造价太高,其他国家很难效仿;GPS只能导航,无法通信,因而不能满足日益增长的用户需求;如果仅依赖GPS,则容易受美国控制。那么,有没有解决这些问题的新方法呢?中国的“北斗”开辟了一条新途径。

“北斗”导航卫星系统是一种全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。它通过双星定位方式来工作。该系统由2颗经度上相距60度的地球静止卫星对用户双向测距,由1个配有电子高程图的地面中心站定位,另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是:以2颗卫星的已知坐标为圆心,各以测定的本星至用户机距离为半径,形成2个球面,用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。

这种系统主要为交通运输、海上作业、物流管理等领域提供导航服务。虽在建成时间上晚于美俄两国,但具有适合中国国情的特点,如周期短、投资少、具备特色功能等。

它是世界上第一个区域性卫星导航系统。与全球性的系统相比,它能够在很快的时间内建成,用较少的经费建成并集中服务于核心区域,是十分符合我国国情的一个卫星导航系统。

其次,它的功能有所增加,每一个点除定位外可与中心点进行授时、通信联络,弥补了国外无源系统在此方面的缺陷。

据一位导航卫星应用专家预测,到2008年“北斗”导航定位系统将会有30万个用户,直接产值将达到35亿元人民币,相关产业的经济带动将是其直接产值的10倍以上。其盈利点主要包括“北斗”终端用户机的销售,各种各样的应用系统建设,“北斗”运营服务费的收取等。其功能为:监控救援、信息采集、精确授时和导航通讯。具体可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业。目前主要应用范围:西部和跨省区运营车辆、沿海和内河船舶,水利、气象、石油、海洋和森林防火,通信、电力、铁路和交通,公安保卫、边防巡逻、海岸缉私和交通管理。

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