全球卫星导航系统的现状与进展
摘要:为了进一步研究全球卫星导航系统,较全面地概述GPS、GLONASS、BDS和Galileo的发展历程和技术现状, 并对四大系统技术进行比较分析。结果表明:全球卫星导航系统朝着兼容统一共享的方向发展;且通过高精度定位比较分析,说明GPS和BDS定位精度趋向相同。
全球卫星导航系统国际委员会(International Committee on Global Navigation Satellite System, ICG)公布的全球4大卫星导航系统供应商,包括美国的全球定位系统 (globalposiioningsys em, GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global naviga ionsa eliesys em, GLONASS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite sys3em, Galileo)和中国的北斗卫星导航系统 (BeiDou navigation satellite system, BDS) 。其中:GPS是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统,GLONASS经历快速复苏后已成为全球第二大卫星导航系统,二者目前正处现代化的更新进程中;Galileo是第一个完全民用的卫星导航系统,正在试验阶段;BDS已经具备了亚太区域的导航定位、授时服务功能,由北斗二号逐步过渡到北斗三号,处于全球化快速发展阶段。
GPS是美国20世纪70年代末开始建设的第二代卫星导航系统,1994年开始运营并提供服务。目前GPS已是星座构成最完善、定位精度最稳定、应用最广泛并呈现市场垄断的卫星导航系统。GPS的空间卫星结构由24颗工作卫星及备份卫星构成,GPS的导航卫星均为中圆地球轨道(medium Earth orbit,MEO)卫星,平均分布在6个轨道面。2011年7月完成卫星星座扩展,对3颗卫星重新定位、3颗卫星位置调整,从而实现24 + 3的理想卫星星座构型,覆盖范围增大,卫星可用性增强。截至 2018年06月21日,空间段新老卫星数为32颗,其中31颗运行、1颗维护。卫星发展历程及特性如下表所示,包括工作卫星和备份卫星,多余卫星不参与星座组网,但可以增加定位精度和可靠性。2010年到 2016年共发射12颗IIF卫星,GPS4II与GPS4IIF卫星正在研制,2018年2月发射一颗GPS-IIR卫星。GLONASS系统地面段包括一个控制中心位于莫斯科,地面监测站和增强站位于俄罗斯境内 46个、邻国8个、南极3个、巴西1个,2014年2月,俄罗斯联邦航天局计划未来在全球36个国家布建50个地面站系统,当年境外建设地面站 7个,并于2014年5月通过了在越南和尼加拉瓜建设GLONASS卫星导航系统地面站协议。在全球各地建立地面站将提高GLONASS系统的精确度,有助于提升其市场竞争力和全球份额。目前GLONASS的全球定位精度约为5 m,而俄罗斯境内在增强系统的辅助下精度可达0.5 m,随着 GLONASS现代化的进程,预计未来2〜3年,其定位精度与GPS相当。
北斗卫星导航系统
BDS是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是:建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统,促进卫星导航产业链形成,形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、 推广和保障体系,推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用[6]。BDS建设总体的规划中,2020年建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。其系统由空间段、地面段和用户段3个部分组成。目前北斗二号在轨卫星包括5颗地球同步轨道卫星(geostationary Earth orbit, GEO)、5个倾斜地球同步轨道(inclined geo —synchronous orbits, IGSO)和4颗MEO卫星, 而北斗三号空间卫星结构设计由3颗GEO、3颗 IGSO和24颗MEO以及在轨备份卫星组成。地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站, 用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。
2012年12月27日,北斗二号在继续保留北斗卫星导航试验系统(即北斗一号)有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上,向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务。截止2018年06月21日,BDS在轨卫星29颗,其中GEO卫星6颗、IGSO卫星9颗、MEO卫星 14颗,其中:北斗二号可用卫星15颗、未用1颗; 北斗三号卫星13颗,每颗卫星具有3个频率的信号。BDS可提供双向高精度授时和短报文通信服务,其位置精度为平面5、高程10 m,测速精度0. 2 m/s ,授时精度为单向50 ns。1.4伽利略卫星导航系统
Galileo是欧盟正在建立的世界上第一个具有一定商业性质的完全民用的卫星导航系统, 2003年开始实施,经历短暂的缓慢发展后,正以高速的发展趋势进入国际GNSS领域。目前Gaii- leo 在轨验证卫星(in-orbit validation satellites , IOV)有4颗。2013年3月12日首次实现了用户定位,成为Galileo建设的里程碑;2014年2月完成了在轨验证任务。Galileo能有效运行,且工作状态良好,作为现有国际卫星辅助搜救组织卫星的组成部分,Galileo可以为77 %的救援位置提供2000 m以内的定位精度,为95 %的救援位置提供5000 m以内的定位精度。目前,Galileo的伪距单点定位精度平均可达到水平方向5、垂直方向10 m , 平均授时精度达10 ns。
在轨测试工作完成后,Galileo的建设工作继续推进,主要是发射卫星完成星座部署和进一步部署卫星地面站。2014年6颗卫星分3次搭乘联盟号火箭发射升空,加入现有的Galileo卫星星座, 并于当年底开始提供初始服务。2014年8月22日发射2颗Galileo全面运行能力卫星,2014年8月25日欧盟官网宣布2颗卫星未进入预定轨道,但位于德国达姆斯塔的控制中心已成功控制卫星并研究如何使其在卫星网络中发挥作用,阿丽亚娜航天公司称运载火箭飞行中出现异常导致未进入预定轨道。2017年12月12日,4颗Galileo导航卫星(编号为IOV19〜22号)由阿丽亚娜5火箭在法属圭亚那航天发射场发射入轨,此次发射任务 使Galileo拥有了 26颗卫星,即4颗IOV卫星、18颗FOC卫星。其中15颗卫星可用来提供服务, 1颗卫星电源故障,2颗卫星未进预定轨道。2018年 7月25日再次发射4颗卫星[7-8]。
随着技术和科技不断的发展,不管是在民用还是军用方面对卫星导航系统的需求都越来越高,一些产业的发展也越来越依赖于卫星导航系统,比如基于位置服务(LBS)。当然卫星导航系统在一定条件下精度也会受到限制,比如在建筑物密集的地方或者室内的话效果便会差强人意,这也就促使了室内定位技术的发展,通过与卫星导航系统的相互结合达到更好的定位效果。
通过本文的介绍让我们对全球的4大卫星导航系统有了一定的了解,就目前而言GPS还是处于一定的垄断地位,定位的精度也是最高的。但近几年我国的北斗导航系统也在飞速的发展,在今年北斗导航系统也将实现全球组网,使我国的综合国力和军事实力得到进一步的提高。
编辑:饺子
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