全球衛(wèi)星導航如何"煉成"?

日前，我國正式宣布將于今年完成發(fā)射6至8顆北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)衛(wèi)星任務，并將于2018年前后完成18顆衛(wèi)星發(fā)射，率先為“一帶一路”沿線國家提供基本衛(wèi)星導航服務。預計到2020年，我國的北斗系統(tǒng)將建成具有全球服務能力的世界一流衛(wèi)星導航系統(tǒng)，并將在監(jiān)測預警、應急救援等國家突發(fā)事件應急體系中發(fā)揮重要作用。目前，全球衛(wèi)星導航技術正得到世界各國的持續(xù)高度關注，美國的第三代GPS計劃已經(jīng)啟動，日本、印度等國也開始投入?yún)^(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設。全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)究竟是如何“煉成”的，讓我們一探究竟。

導航定位可不簡單

一般來說，出門在外的我們要首先知道自己的位置，然后找準方向，選擇最優(yōu)的路線，才能走入去往目的地的“康莊大道”。以美國GPS系統(tǒng)為例，遨游在太空的導航衛(wèi)星都是“廣播”衛(wèi)星，會不斷地用無線電波發(fā)送自己的位置和時間，地面上需要導航的用戶只需要利用GPS接收機就可以接收到這些“來自星星”的廣播信號。

已知3個點的平面坐標及3個點到1未知點的水平距離，就可求解出未知點的位置，當把3個已知點搬入太空成為3顆人造衛(wèi)星，再同時測得未知點與3顆衛(wèi)星的距離，就能求解出未知點的位置，這就是常用的“距離后方交會”法。當我們需要解算出自己的方位信息時，相當于需要知道3個位置量和一個時間量，就需要同時接收到4顆以上的衛(wèi)星信號才有可能進行定位，這也就是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)都需要組建一個覆蓋全球衛(wèi)星星座的原因?，F(xiàn)有的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)普遍選用了中高軌道來部署導航星座，不僅實現(xiàn)成本較為低廉，也可以僅憑20到30顆衛(wèi)星就實現(xiàn)全球的廣播信號覆蓋。

在一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)內(nèi)，所有衛(wèi)星的位置通過準確的測算就可形成衛(wèi)星軌道星歷，衛(wèi)星在廣播的時候就會廣播這個位置信息，地面接收機就可據(jù)此計算出衛(wèi)星在特定時刻的準確位置。至于時間這個變量，由于所有的信號都是以光速傳播的電磁波，每顆衛(wèi)星隨身攜帶的時鐘都異常精準，普遍要達到1000年只差一秒的水平，并由國家授時中心提供時間基準實現(xiàn)統(tǒng)一計時。

目前除北斗外的三種全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)普遍使用了上述單向、終端自定位技術方案，導航衛(wèi)星發(fā)送報文，終端只負責接收，然后自行解碼出自己所處的位置。這種方案可在絕大多數(shù)地點實現(xiàn)定位，但不具備將自身位置信息共享的能力。我國研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位方式有一定不同，并不是由終端直接接收衛(wèi)星廣播信號去定位，而是通過終端發(fā)送定位請求到地面的服務基站，再由基站通過衛(wèi)星計算出坐標后發(fā)送給終端。通過這種方案，地面基站會保存每個終端的位置，并能提供120字簡短報文雙向通信，可在終端發(fā)生緊急情況時通知基站從而得到救援。同時，北斗系統(tǒng)短距離與基站的通信方式還能為在橋底、隧道等地實現(xiàn)高精度定位提供可能。

深刻影響人類生活

當然，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，在實際運行過程中還存在很多影響因素。例如，衛(wèi)星在廣播過程中所發(fā)射的信號要穿過大氣層中的電離層和對流層，會不可避免地造成電磁波時延。一旦信號在傳播路徑上被高樓、高山等障礙物遮擋，極有可能產(chǎn)生多路徑誤差等。因此，利用差分技術來校正測量誤差等實現(xiàn)較好定位精度的導航增強技術應用而生，將進一步提升全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實用化水平。

自美國的GPS系統(tǒng)誕生以來，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)深刻改變了我們的生活，人們對衛(wèi)星定位的依賴也越來越嚴重。無論是普通民眾還是企業(yè)應用，或是更高級的軍事與科研需求，都離不開衛(wèi)星導航的精準定位。但與此同時，美國通過開發(fā)GPS系統(tǒng)，在全球依托其巨大的國際市場建立起新的國際產(chǎn)業(yè)。在軍事應用方面，GPS系統(tǒng)面向世界開放的只是民碼，精度比美國軍方使用的軍碼存在較大差距，一旦發(fā)生軍事沖突，美軍極有可能將GPS系統(tǒng)服務停止或是發(fā)送欺騙碼，將會對使用國的國防和軍事安全產(chǎn)生巨大威脅。

因此，除美國外，俄羅斯、歐洲、我國甚至印度、日本等都在研發(fā)自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，著眼的就是本國的導航定位信息安全。北斗系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施，目前主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成。早在2000年年底，我國就已經(jīng)建成北斗一號系統(tǒng)，開始向我國境內(nèi)提供相關導航定位服務，到2012年年底，我國正式建成可向亞太地區(qū)提供服務的北斗二號系統(tǒng)。目前我國已經(jīng)全面啟動北斗系統(tǒng)第三步即北斗三號系統(tǒng)建設，預計將于2020年前后建成覆蓋全球范圍的北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

未來的北斗三號系統(tǒng)在北斗二號系統(tǒng)基礎上，增加了性能更優(yōu)、兼容互操作程度更高、用戶體驗更優(yōu)的服務信號，高精度時空信息服務能力將得到大幅提升，為加快構建我國綜合定位導航授時體系提供了強有力的技術支撐。同時，北斗系統(tǒng)將在災難救援、國防安全、經(jīng)濟發(fā)展等領域發(fā)揮重要作用。北斗導航系統(tǒng)的建設將帶動涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、服務業(yè)等眾多軍民用領域快速發(fā)展，產(chǎn)生的安全效益、社會效益和經(jīng)濟效益將愈發(fā)顯著。

（來源：學習時報 編輯：陳飚）