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欧盟将为整个计划投入42亿多美元,总共发射30颗卫星。
据介绍,一旦30颗卫星全部在轨运行,精确度将比GPS系统更高。
“伽利略”计划将严格遵守“仅限于民用”的原则。
系统的首颗卫星是用俄罗斯的“联盟”号运载火箭推上了太空。
作为“伽利略”计划的首个非欧盟合作伙伴,我国承诺向该计划投资2亿欧元。
作为我国国家安全和经济社会的核心基础设施,卫星定位系统决不能依赖于他国系统。
我国于1994年开始自行研制国产卫星定位系统——北斗。
我国卫星定位系统建设分为三步走。
第一步,北斗一号系统,已于2003年建成并投入运营;
第二步,北斗二号区域系统,于2004年启动,预计2012年建成;
第三步,覆盖全球、高精度的北斗二号全球系统,预计2020年建成。
我国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和八颗北斗导航卫星,将在系统组网和试验基础上,逐步扩展为全球卫星导航系统。
第八颗北斗导航卫星于2011年4月10日4时47分发射成功。
这次发射标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建成。
GPS系统及其应用
前面大概介绍了四种卫星定位系统,从目前来看,GPS的应用及普及一路遥遥领先,尤其在我国,由于近几年GPS的应用非常广泛,并且逐步在改变我们的生活,因此接下来我们将具体介绍GPS及北斗系统。
GPS定位系统由三部分构成:
第一是地面控制部分,由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下,向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成;
第二是空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个道平面上;
第三是用户装置部分,主要由GPS接收机和卫星天线组成。
在离地面1万2千公里的高空上有24颗GPS卫星,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
GPS的工作原理,简单地说来,是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。
首先我们假定卫星的位置为已知,而我们又能准确测定我们所在地点A到卫星之间的距离,那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。
进一步,我们又测得点A到另一卫星的距离,则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。
我们还可测得与第三个卫星的距离,就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。
根据一些地理知识,可以很容易排除其中一个不合理的位置。
当然也可以再测量A点到另一个卫星的距离,也能精确进行定位。
以上所述,要实现精确定位,要解决两个问题:
第一是要确认卫星的准确位置;
第二是要准确测定卫星到地球上我们所在地点的距离。
下面我们看看怎样来做到这点。
首先,怎样才能准确的知道卫星的准确位置呢?
我们要有非常完美的轨道设计,并且在地面设立监测站,不断的检测卫星的运行状态,并且适时发送指令来保证卫星运行在预定的轨道上面。
最后将正确的轨道转换为星图轨道的精确信息,注入卫星,再转发至我们的定位设备中。
这个问题解决了,接下来就要解决准确测定地球上某用户到卫星的距离。
卫星是远在地球上层空间,又是处在运动之中,我们不可能象在地上量东西那样用尺子来量,那么又是如何来做的呢?
解决卫星与我们之间的距离需要一个非常简单的公式,距离=速度×
时间。
在这里,速度不是卫星的速度,也不是我们的速度,而是使用了一个绝对速度,光速。
将所有的问题归结到了对时间信号的校准和测量上。
因此,在每一个GPS卫星上都装载了十分准确的原子钟。
(原子钟:
利用原子的自震动频率来测量时间,是目前最为精确的测量方法。
)并且在地面还有3个数据注入站,将卫星时钟与地面测控站的时间精确校对。
最后,将所有的信息传递到我们的定位终端中,测算出相对距离来运算我们的位置,在理论上只需要搜寻到4颗卫星就可以准确定位。
在实际使用中会由于误差等因素,而需要更多的卫星或者更长的运算时间,但在实际使用的时候至少可以保证6颗至9颗卫星的连接没有问题。
总结一下GPS的原理,可知GPS定位其实分为四步:
第一步:
确定时间基准,并记录准确时间(光从卫星到被测点的时间);
第二步:
算出卫星到被测点间的距离;
第三步:
利用“三点”定位;
第四步:
数据修正。
和其他三种卫星定位系统相比,GPS的普及更加广泛,据统计,目前应用已经超过500种,预计今后数年市场仍将以超过25%的年平均增长率发展。
GPS的主要用途分为三个方面:
第一是陆地应用,主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等;
第二是海洋应用,包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等;
第三是航空航天应用,包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
北斗导航系统介绍
下面,我们重点介绍我国的北斗系统。
随着我国综合国力的提升和外部环境的变化,再加上科索沃战争和第二次海湾战争中美国GPS制导高精度打击武器的启示,构建一个类似GPS的全球卫星定位系统开始提上日程。
北斗卫星定位系统是我国自行研制开发的区域性的有源三维卫星定位与通信系统(CNSS),包括北斗卫星定位试验系统(“北斗一号”)和北斗卫星定位系统(“北斗二号”)。
开发北斗卫星定位系统的目的是向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,北斗卫星定位系统的建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则。
“北斗一号”方案于1983年提出,2011年4月10日4时47分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭,成功将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道,这次发射标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建成。
目前,我国北斗卫星导航系统已构成“3+3”(3颗GEO卫星加上3颗IGSO卫星)基本系统,即将具备向我国大部分地区提供初始服务的条件,使我国成为继美、俄之后,世界上第三个具备自主无源卫星导航定位能力的国家。
按照我国北斗卫星导航系统发展规划,北斗卫星导航系统到2012年覆盖亚太地区,到2020年将覆盖全球,并将以“北斗加GPS”技术在全国逐步替代单一的GPS导航。
目前,北斗卫星导航系统建设已进入关键时期,将于明年建成由10多颗卫星组成的北斗区域卫星导航系统,为亚太地区提供高性能服务,2020年,我国将建成由30多颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统,向全球用户提供服务。
北斗卫星定位系统需要发射35颗卫星,足足要比GPS多出11颗。
按照规划,北斗卫星定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,采用“东方红”-3号卫星平台。
30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成,27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上,轨道高度21500公里。
北斗卫星定位系统将提供开放服务和授权服务。
开放服务在服务区免费提供定位,测速和授时服务,定位精度为10米,授时精度为50纳秒,测速精度为0.2米/秒。
授权服务主要应用于军事,将向授权用户提供更安全与更高精度的定位,测速,授时服务,外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。
北斗卫星定位系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。
空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。
地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。
北斗的用户端除支持北斗用户端之外,还支持美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)、欧洲“伽利略”(GALILEO)等其他卫星定位系统的终端。
北斗卫星定位系统的工作过程是:
首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播。
用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制系统。
中心控制系统接收并解调用户发来的信号,然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。
对定位申请,中心控制系统测出两个时间延迟:
即从中心控制系统发出询问信号,经某一颗卫星转发到达用户,用户发出定位响应信号,经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟;
和从中心控制发出询问信号,经上述同一卫星到达用户,用户发出响应信号,经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。
由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的,因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离,以及用户到两颗卫星距离之和,从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面,和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。
另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值,又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。
从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标,这个坐标经加密由出站信号发送给用户。
北斗卫星定位系统的特点主要有以下几点:
第一是短报文通信:
和GPS相比,北斗卫星定位系统可以实现双向的传输,一次可传送多达120个汉字的信息。
第二是精密授时:
精度达10纳秒。
第三、定位精度:
水平精度100米(1σ),设立标校站之后为20米(类似差分状态)。
北斗导航定位和GPS定位系统,首先都是导航定位系统,采用的定位技术不同,定位的范围也不相同。
另外,通讯功能是GPS所没有的,而北斗系统就有。
因此北斗系统早已应用于我国海上渔业。
虽然海上没有手机信号,但是渔民在装载了北斗系统的渔船上依然可以给家人发短信,报平安。
北斗的定位功能也与GPS有所区别,用北斗不但能够知道自己在哪里,还能让别人知道你在哪里。
北斗卫星定位系统与GPS系统的主要区别是:
(1)覆盖范围:
目前,北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。
覆盖范围东经约70°
~140°
,北纬5°
~55°
。
GPS是覆盖全球的全天候导航系统。
(2)卫星数量和轨道特性:
北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°
GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星,轨道赤道倾角55°
,轨道面赤道角距60°
(3)定位原理:
北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。
地面中心控制系统解算,供用户三维定位数据。
GPS是被动式伪码单向测距三维导航。
由用户设备独立解算自己三维定位数据。
(4)定位精度:
北斗导航系统三维定位精度约几十米,授时精度约100ns。
GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m,C/A码目前己由25-100m提高到12m,授时精度日前约20ns。
(5)用户容量:
北斗导航系统由于是主动双向测距的询问--应答系统,系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率,北斗导航系统的用户设备容量是有限的。
GPS是单向测距系统,用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位,GPS的用户设备容量是无限的。
(6)北斗卫星定位系统也有一些自身的特点,其具备的短信通讯功能是GPS所不具备的。
北斗导航系统的应用
如果说卫星定位系统的功能仅仅是用于导航,那么就太小看它。
其实卫星定位系统与我们的日常生活息息相关。
从通讯到电力,卫星定位系统的最主要用途是其精准的授时,通过精准度的授时能够同步系统时间的准确性,保证我们日常生活中的一些设施能够正常运行。
和我们的生活紧密地关联在一起,可以说卫星定位系统的用途很多,而我们普通用户只接触到了其中的一部分,当然导航功能是应用最为广泛,使用人数最多的一种应用方式,但是绝对不代表导航的实际价值是在这一类应用中最高的。
只要在我们的生活中需要确定位置的应用中,不难发现我们都可以找到卫星定位的踪影,而且不少应用逐渐开始涉及到我们的日常生活必备设施当中。
以下是卫星定位系统的主要用途:
(1)陆地应用,主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等;
(2)海洋应用,包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等;
(3)航空航天应用,包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
1、用于导航
●船舶远洋导航和进港引水
●飞机航路引导和进场降落
●汽车自主导航
●紧急救生
●个人旅游及野外探险
●个人通讯终端(与手机,PDA,电子地图等集成一体)
2、用于跟踪
●地面车辆跟踪和城市智能交通管理
●物流、资产、保险
●车辆防盗
●人员跟踪、监护
3、用于授时
●电力,邮电,通讯等网络的时间同步
●准确时间的授入
●准确频率的授入
4、用于精确测量
●各种等级的大地测量,控制测量
●道路和各种线路放样
●水下地形测量
●地壳形变测量,大坝和大型建筑物变形监测
●GIS应用
●工程机械(轮胎吊,推土机等)控制
●精细农业
北斗导航系统主要用于国家经济建设,为中国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。
不但能够提供高精度、高可靠的导航、定位和授时服务,还拥有独特的短报文通信功能,它巧妙地把导航定位和信息传递功能结合起来,使应用者既能知道“我在哪里”,也能知道“你在哪里”。
目前,北斗系统已在测绘、水利、车辆导航监控、应急救援、气象监测、海洋渔业等诸多领域得到应用。
在授时方面,卫星定位系统授时的连续性与精准性,要比我们能够接触到的广播授时、电波授时更加准确。
因为可以同步时间,那么在我们的电力系统、通讯系统、金融系统中,只要是需要多个个体需要时间进行精准匹配的话,那么卫星定位系统的授时对于这些个体来说都是必要的。
比如说电力系统中需要的故障测距、雷电监测、继电保护等都可以通过准确的时间差进行判断,通过人力排查效率会变得非常低下。
北斗以中国时间保障了电力畅通。
电网是一个巨大的系统工程,必须确保设备内部时钟的一致性。
基于北斗的电力全网时间同步管理系统,解决了电力系统时间同步应用中可靠的时钟源、全网时间同步管理和远程集中实时监测维护三大难题,有效保障了电力安全。
通讯系统则需要准确的授时,这样才能分辨不同的通讯系统接收与发送信息时不会出现混乱,减轻系统的压力,金融系统也是一样,全球的金融机构如果没有统一的时间,那么金融交易可靠性就会大打折扣。
海洋渔业生产是高风险、高危事故高发的行业。
目前的海洋渔业生产,因为海上缺乏有效的通信手段和救援手段,使得船只在出现险情时无法得到及时救助,再加上渔船质量和管理水平相对落后而导致一系列渔业生产安全问题。
为有效地保护渔业资源,保障渔民生命财产安全和渔民的利益,近年来,农业部积极开展渔业安全生产保障工作,对我国海洋渔业渔船管理方面提出了利用无覆盖盲区的多种卫星通信技术和导航技术,建立我国50海里以外远海的海洋渔业渔船船位监测系统。
由于北斗系统集定位、双向短报文通信和授时服务这三种功能为一身,并具有覆盖中国及周边国家和地区,24小时全天候服务,无通讯盲区,高强度加密设计,安全、可靠、稳定,适合关键部门应用等特点。
因此,北斗卫星定位系统成功地应用在需要定位导航与移动数据通信相互结合的远海海洋渔业安全生产保障服务领域。
目前在远海海洋渔业安全生产保障方面,主要运用北斗卫星定位系统实现渔船船位监控指挥管理系统。
运用北斗技术,为海上渔业生产作业者提供自主导航、遇险求救等安全生产服务,还为海上渔业生产作业者提供航海通告、海况、渔讯等增值信息服务。
解决了船与船之间、船与岸上家属之间、船与管理部门之间的双向短消息互通。
运用北斗技术,能够预防和减少碰撞事故的发生,并在船舶遇险时进行快速、有效的救助。
实现应急指挥数据综合查询,搜救行动辅助决策,搜救力量联动指挥,改善和提升渔业部门应急的组织、指挥、协调能力,提高海上搜救的效率和成功率。
地球上的坐标点是唯一的,所以我们一旦知道了自己所在的坐标,那么对于许多事情都非常有帮助,这也就与救援相互对应起来,一个精准的位置能够使救援更加高效、快速、准确,这往往通过口述等形式所无法达到的效果。
只要需要定位的时候,不用说,卫星定位肯定是最优的选择。
比如说地震在何处发生、海啸何时到达、远洋船只在那里遇险等等,通过卫星定位之后,这些数据都能够更加准确的呈现在我们面前,而一些模拟灾情的系统在演算的过程中也需要这样的数据,卫星定位在这一方面是非常好的工具。
地震是对人类危害最严重的自然灾害之一,因其发生的突然性和巨大的破坏性,以及地震发生的难预测性,往往可能导致建筑物、道路等生命线工程设施的严重破坏,同时造成大量的人员伤亡,给人类社会造成了重大影响和巨大损失。
在地震发生后如何在短时间内快速获取地震灾情的空间分布、快速进行目标救援和有效开展灾后恢复,是开展地震救援工作的关键。
而我国自主研发的北斗卫星定位导航系统为地震救灾提供了重要的定位和导航技术,使灾后救援和恢复行动得以准确和高效的完成,从而减少了地震及其次生灾害带来的人员伤亡和财产损失。
例如在汶川大地震的时候,一些通讯手段失灵,当时就启用了北斗卫星提供信息服务和位置基准。
以前我们也曾经说过,在野外郊游的时候尽量配备上一台卫星定位设备,这样对于自身的安全是一种保障,在遇到紧急情况的时候,卫星定位的坐标就成为了一种非常高效的求救数据。
比如在森林防火扑救指挥中,不仅需要有精确的定位设备对火源、火场进行精确定位,还要为参加林火扑救的队伍进行精确的定位导航,以保证在林火发生时能使得扑救队伍能够选择最佳路径在最短时间内抵达火场并实施扑救;
此外,还要为扑救队员与森林防火指挥中心之间提供有效的通信手段,已保证指挥中心下达的各种指挥调度信息能够及时准确的传达到各级扑救指战员,同时也要使得扑救一线的火场火势以及其他信息能够及时有效地上报到指挥中心,为指挥人员进行科学合理的决策提供准确的信息。
此外,在森林防火的日常巡护巡查过程中,也需要行之有效的定位工具和通信手段,保持流动巡护人员及时准确到位,并与指挥中心保持流畅的通信联络以及时传递巡查过程中发现的各种有效信息。
简而言之,无论是林火发生时的扑救指挥还是日常管理中的巡查,都需要有精确的定位工具和有效的通信手段,保证森林防火中心与森林防护人员保持密切的联系,并随时掌握一线人员的动态位置。
众所周知,GPS手持设备可以为森林防火队员和巡护人员提供高精度的定位导航信息,卫星电话、甚高频对讲机或超短波电台可以为防火人员提供移动通信手段,但由于甚高频以及超短波通信的通信距离及受地形限制的因素,极大的制约了其使用范围,无法保证防火人员能够与指挥中心之间保持畅通无阻的通信,而卫星电话设备造价高,通信费用高昂,也极大的限制了其在森林防火中的广泛应用。
由于通信手段的限制,尽管一线防火人员配备了高精度的定位导航设备,也无法使得指挥部门实时动态地掌握前方人员的位置,进而不能有效的实施指挥调度控制,不能实现科学高效的林火扑救。
在森林防火中运用北斗技术,不仅可以解决甚高频或超短波通信中的通信有效距离受限制的问题,还可以为防火队员提供高精度的位置信息,实现定位导航;
在使用北斗系统卫星终端进行定位的过程中,终端在获得本地位置信息的同时,防火指挥中心通过北斗指挥型终端也可以接收到该终端的位置信息,因此,北斗系统已经在森林防火部门进行了广泛地应用。
在水资源监控方面,运用北斗系统,可监测和实时传递河流湖海的水文或潮汐信息。
目前北斗已经成功应用于水文测报、黄河三角洲防洪减灾、水土保持生态建设、淤地坝建设及黄河调水调沙、下游地区的洪水预报与灾情评估中。
同时,北斗定位技术在水土保持工程建设、水土流失监测和生态建设中的应用发展很快。
全国水土流失监测中,尤其对地面监测,都充分利用北斗技术,实现数据的快速采集、对象属性的实时分析。
“数字黄河”,就是借助全数字摄影测量、遥测、遥感、地理信息系统、北斗系统等现代手段及传统手段采集基础数据,对黄河流域及其相关地区的自然、经济、社会等要素构建成一体化的数字集成平台和虚拟环境,对黄河治理开发和管理的各种方案进行模拟、分析和研究,并在可视化的条件下提供决策支持,增强决策的科学性和预见性。
卫星定位对于测绘自动化来说是非常必要的,如果说我们可以用尺来量取多边形的边长,算出它的面积,那么一个不规则的图形,比如说一个一个山头的面积,我们利用卫星采集数据后交由计算机计算,要远比我们人为进行估算测量要准确的多。
在机械自动化方面,卫星定位系统的覆盖面广、定位连续性的特点则对无人操作的一些农产机械、车辆等定位导航非常有帮助,而且构成成本也会低很多,相信没有人为了几百亩的农田自己建造一个小型的区域定位装置,所以覆盖面非常广的卫星定位系统成为了首选。
我们最常接触到的卫星定位,其实是连续性的,我们使用最多的是导航仪等产品,其实就是在不断的重复着定位,不停的刷新当前位置,这样连续起来就构成了导航仪所展现的功能,导航仪因为是基于地图软件固定的线路完成导航的全部过程的,所以在导航的过程中可以提前预知我们要去的方向。
当一个指令是需要匹配到特定的位置时,卫星定位理所当然的成为了中间的一个环节。
下面,我们介绍卫星定位系统最广泛的应用——导航及定位追踪。
出行去一个陌生的城市,有个导航仪还是非常方便的,那么导航仪是什么,都有哪些分类?
下面将为您逐一介绍。
导航仪简单讲就是给您指路用的设备,根据设备上卫星接收器,接收来自卫星的数据,从而确定您当前的位置,然后标定在导航仪的电子地图上,再通过计算给您引路。
导航仪的任务就是通过不断地以视觉或语音方式给使用者推荐出行路线。
导航仪分为两大类,第一类为便携式,也就是可以拿在手上的导航仪,包括便携式导航仪和手机导航;
第二类为车载导航仪,也就是安装在车上的导航仪。
导航仪有三大功能,也就是地图查询、路线规划及自动导航。
地图查询是指可以在操作终端上搜索你要去的目的地位置,也可以搜索你附近或某个位置附近的如加油站,宾馆、餐馆等位置点。
路
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