卫星导航技术论文

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资源描述

论卫星导航定位技术的原理及应用导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术,是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术,也是武器精确制导的核心技术,这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义,在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。按照定位导航的方式可分成:卫星定位导航、自主式导航、组合导航以及无源导航。而此文着重介绍的是卫星定位导航这一技术。在人类早期物质生产活动中,人类的活动范围内总存在森林、草原,人们总是随着自然环境的兴衰而漂泊不定,根本不需要什么明确的定位。但是,随设社会的发展,到了农业时代,在人们开发农田,兴修水利等相应活动中就逐渐产生了测绘定位的需求,可以说在这时,导航定位就在慢慢酝酿之中。等到了工业时代,人类的活动遍及全球,而一些工程比如航海、航空、洲际交通工程,通信工程,矿产资源勘探工程,地球生态及环境变迁的研究,就需要精确地定位。这些需求促使导航定位技术的发展,并把这项技术带到一个前所未有的发展时期,它的手段也从光学机械过渡到光电子精密机械仪器的时代。社会是不断发展的,科技是不断进步的,20世纪末,出现了电子计算器技术、半导体技术、激光技术、航天科学技术,它们的出现,把人类带到了电子信息时代和航天探索时代。当1957年世界上第一颗人造地球卫星发射后,人类便发现卫星可以作为一个已知的空间信号源,为人类获取相关的信息资源,开展测距、定位、导航研究搭建了一个世界共享的技术平台。卫星导航看似涉及了多方面学科的知识,实际原理并不算复杂。卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统(测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用)。多普勒测速定位是指用户定位设备根据从导航卫星上接收到的信号频率与卫星上发送的信号频率之间的多普勒频移测得多普勒频移曲线,根据这个曲线和卫星轨道参数即可算出用户的位置。而时间测距导航定位的方法是用户接收设备精确测量由系统中不在同一平面的4颗卫星(为保证结果唯一,4颗卫星不能在同一平面)发来信号的传播时间,然后完成一组包括4个方程式的模型数学运算,就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。卫星导航系统的组成也不算复杂,只有导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分。导航卫星是卫星导航系统的空间部分,由多颗导航卫星构成空间导航网。地面台站则是用来跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理,通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分。跟踪站用于跟踪和测量卫星的位置坐标。遥测站接收卫星发来的遥测数据,以供地面监视和分析卫星上设备的工作情况。计算中心根据这些信息计算卫星的轨道,预报下一段时间内的轨道参数,确定需要传输给卫星的导航信息,并由注入站向卫星发送。剩下的用户定位设备通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数(距离、距离差和距离变化率等),再由计算机算出用户的位置坐标(二维坐标或三维坐标)和速度矢量分量。用户通过这个设备即可得到卫星导航的帮助。说到卫星导航,就不得不提到美国的全球定位系统(GPSGlobalPositioningSystem)。GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用。尽管TRANSIT在导航技术的发展中具有划时代的意义,但它存在观测时间长、定位速度慢(2个小时才有一次卫星通过,一个点的定位需要观测2天),不能满足连续实时三维导航的要求,尤其不能满足飞机、导弹等高速动态目标的精密导航要求。于是在六十年代中期,美国海军提出了“Timation”计划,美国空军提出了621B计划,并付之实施。但在发射了数颗实验卫星和进行了大量实验后发现各自都还存在一些大的缺陷。所以在此背景下,1973年美国国防部决定发展各军种都能使用的全球定位系统,并指定由空军牵头研制。在项目的实施中,参加的单位有美国空军、陆军、海军、海军陆战队、海岸警卫队、运输部、国防地图测绘局、国防预研计划局,以及一些北大西洋公约组织和澳大利亚。历时20多年,耗资数百亿美元,于1994年3月10日,24颗工作卫星全部进入预定轨道,GPS系统全面投入正常运行,技术性能达到了预期目的,其中粗码(C/A码)的定位精度高达20m,远远超过设计指标。GPS是现代科学的结晶,它的推广应用有力地促进了人类社会进步。即使是在日常生活中,我们也常常能看见它为人们导航的身影。其实论起卫星导航的鼻祖,还应该算是苏联的格洛纳斯(GLONASS)系统。格洛纳斯的正式组网比GPS还早,1982年10月12日苏联就已发射了第一颗GLONASS卫星,1996年1月18日完成24颗卫星在轨。不过苏联的解体让格洛纳斯受到很大影响,正常运行卫星数量大减,甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航服务,更不要说和GPS竞争。到了21世纪初随着俄罗斯经济的好转,格洛纳斯也开始恢复元气,推出了格洛纳斯-M和更现代化的格洛纳斯-K卫星更新星座。现在GLONASS卫星定位系统拥有工作卫星21颗,分布在3个轨道平面上,同时有3颗备份星。每颗卫星都在1.91万公里高的轨道上运行,周期为11小时15分。因GLONASS卫星星座一直处于降效运行状态,现只有8颗卫星能够正常工作。GLONASS的精度要比GPS系统的精度低。为此,俄罗斯正在着手对GLONASS进行现代化改造,使其具有更好的讯号特性。海湾战争和科索沃战争期间,美国限制GPS的使用给欧洲人敲响了警钟,增强了欧盟建立自己的、不受美国控制的卫星导航定位系统的决心。同时,随着GPS逐步向民间开放,它已逐渐成为一个年产值达千亿美元的大产业。所以欧洲发展卫星导航系统,涉及到重大的政治与经济利益,一方面是不“受制于人”,另一方面可为欧盟各国带来巨大的商机,大大提高欧盟的经济竞争力。所以,从20世纪90年代起,欧盟就开始酝酿建立自己的全球卫星导航系统,1998年欧盟15国决定制定一个卫星导航系统的建设计划,1999年初名为伽利略(Galileo)的卫星导航系统计划出台。该系统的星座由均匀分布在3个轨道中的30颗卫星组成,每个轨道上9颗工作卫星和1颗备用卫星,轨道离地高约24000公里,计划总投资35亿欧元,所需资金中近三分之二是来自私营公司及投资者。伽利略系统是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统,多用于民用,但也用于防务,它可提供3种服务信号:对普通用户的免费基本服务,加密且需注册付费的服务,供友好国家的防务等需要的高精度加密服务,其精度依次提高,用户可根据需要进行选择。GPS是美国军方控制的军民共用系统,目前对世界开放,我们中国也可以免费接收GPS信号,但美国人并不承诺保证你的使用,他可以随时收费和对你关闭系统,尤其是在战时。因此,“中国也必须要有自己的卫星定位系统”。而北斗卫星导航系统﹝BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem﹞就是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。2003年5月25日,我国在西昌将第三颗“北斗一号”送入太空,与2000年发射的前两颗一起构成了这北斗卫星导航系统。而具有军事用途的“北斗二号”也随着北斗卫星对地球的慢慢覆盖接近完成。2012年3月底,我国正式推出被业界誉为北斗系统进入寻常百姓家“第一只春燕”的全球首款“北斗+GPS”双系统车载导航产品,这标志着北斗在产业化道路上又前进了一步。北斗卫星导航系统的建立标志着我国成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS后,世界上第三个拥有了完备的卫星导航系统的国家。该系统的建立将对我国国防和国民经济建设都将发挥重要作用,相信在不远的将来,北斗系统会成为中国乃至世界上最好用的卫星定位系统!卫星导航因为拥有导航范围广、导航精度,自动化程度高、且不受恶劣天气影响等优点,所以在国民经济建设、国防建设和社会发展等多个领域受到广泛的应用。1:在工程变形监测中的应用:我国正处在全面基础建设中,尤其是西部大开发,大型、特大型工程不断涌现,为了这些工程的正常、安全地运行,必须对它进行变形监测和安全预报,工程变形监测通常要达到毫米或亚毫米级的精度,而试验结果证明卫星导航定位技术用于各种工程变形监测是可行的。隔河岩水电站大坝外观变形GPS自动化监测系统,整个系统全自动,应用广播星历1~2小时GPS观测资料解算的监测点位,水平精度优于1.5mm,垂直精度优于1.5mm,6小时的GPS观测资料解算,水平精度、垂直精度均优于1mm。由此可以看出卫星导航精度高的优点让他的应用范围与效果大大增加。2:航海、航空方面卫星导航接收机广泛地用于海上行驶的各类船只和飞机,精度极高。在卫星导航接收机与无线通信手段集成后,该系统便成为一个位置报告系统和紧急救援系统。另外,许多渔船将GPS与雷达和鱼探器结合在一起,产生明显的经济效益。3:在大地测量、工程测量中的应用:由于卫星导航系统具有精度高、速度快、费用省、操作简便,现今建立大地及工程控制网基本上是采取卫星导航定位技术,取代了常规手段。据报道在三峡二期工程施工中采用卫星导航定位技术建立施工控制网,取得很好的效果,可以满足其相应的精度要求;在青藏铁路的建设中,从勘测到施工亦采用了卫星导航定位技术,都取得了很好的效果。4:在资源勘察方面的应用:矿产资源勘查、矿区范围的划定、矿体规模的测定等都需要进行定点测量。以往的地质测量工作主利用传统手段如经纬仪、全站仪等测量仪器进行人工测量,然后在室内整理计算得到最终结果。这样做不但工作量大,浪费大量的人力、物力,且测量结果精度还较低。时间周期也长,不能及时反映矿产资源的实际现状。而使用卫星导航定位系统,则能大大减少矿区范围界限定位误差,提高对地矿资源的有效管理,效果比传统方法要好上许多倍。6:其他方面卫星导航接收机还可以与无线电通信机结合,成为生活中常用的卫星导航定位器。徒步旅行者、猎人、越野滑雪者,野外工作人员和户外活动者现在常应用袋式GPS定位器,配上电子地图,可以在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目的地。还有在车辆监控管理、汽车导航与信息服务等也有广泛的应用。

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