监视全球的卫星导航

监视全球的卫星导航（精选六篇）

监视全球的卫星导航 篇1

北斗卫星导航系统可以在全球的范围内全天时以及全天候为各项类型的用户提供导航、授时服务和高精度的定位和短报文通信能力。该系统由三部分组成:用户端、地面端以及空间端。在此之前, 中国已经发射成功了13颗北斗导航卫星和4颗北斗导航试验卫星。此系统在2011年12月27日之后逐渐的扩展成了全球的卫星导航系统, 不受到气候、时间的制约, 现在其授时精度优于100ns且其定位精度优于20m, 在军事上获得了广泛的应用。

1) 国内外现状:

我国在1994年批准北斗卫星导航系统 (Bei Dousatellitenavigationsystem) 立项, 这标志着我国开始了研究卫星导航系统的第一代。根据发展战略的“三步走”来说:第一步, 北斗一号于2003年正式开始系统运行;第二步, 批准实施了导航系统第二代的建设发展并且成功建筑区域卫星导航系统于2012年, 形成能够覆盖亚太地区的服务能力, 在我国的一些重点地区提供授时、定位、导航等基本服务;第三步, 拥有全球的覆盖能力在220年左右实现。已建成的北斗一号系统又称为“双星定位系统”具有卫星短消息通信的独特功能。用户终端要通过发射申请定位的信号, 再由地面中心结算出位置最后通过卫星传送到用户的手上来进行定位。北斗二号系统采用的体制是无源定位, 原理完全与GPS原理一样, 其在导航战能力以及精度等各方面有明显的提高。目前, 国内战术级地面监视系统中, 已经初步应用了北斗卫星导航系统, 实现了基本的单独的短消息通信功能和系统位置的获取。然而在界面操作和数据关联方面才是地面监视系统的核心功能所在, 所以北斗一号的应用存在着监视控制能力较弱、不能统一展现数据、输入工作量大等问题。而北斗二号的投入虽然对硬件环境和部队要求提升, 但同时也对地面监视系统中应用北斗系统, 监视和指挥方面的能力进行了提高, 使两个系统加强了一体技术研究, 使资料共享、操作简捷、覆盖面广。

在国外以卫星导航系统为基础的军事应用系统起步同样不晚。地面监视系统中, 较为著名的有美国的“蓝军跟踪系统”。其有四个子系统, 通过GPS来确定方位, 每个单元数据进行独立的显示, 实现了利用卫星分发来传递数据的版本。近年来, 在战争中广泛的应用了该系统。

2) 北斗卫星导航系统的功能和优势:

北斗卫星导航系统竭力向各用户保证高质量水平的授时、导航和定位服务, 有授权服务和开放服务两种类型。授权服务是为了对高安全性、高精度卫星导航有需要的用户提供系统完好性信息和各项服务。开放服务是向所有用户免费的进行服务, 测速精度为0.2m/s, 授时精度10ns, 定位为精度10m。

安全性可靠, 有完全的自主知识产权适用于各关键部门, 不需要其他的通讯系统进行支持, 独立进行定位通讯, 传输快捷, 实时性强。覆盖的方位较大, 没有通讯的盲区, 即将成为具有全球导航能力的系统, 中断性能不断提高, 内容形式将日渐丰富, 应用的领域也会逐渐扩大。

1 一号系统和二号系统应用

2003年一号系统建设成功且开始使用, 由用户设备、地面系统和空间卫星等部分组成。地面系统部分由地面中心站、气压测高站、校准站、测轨站组成, 其中地面中心站包括技术中心和主控站两个部分配备了数字化地形图。目前, 该系统广泛应用于抗震救灾、气象预报、海洋监测等方面。尤其是在永胜地震中, 该系统被抗争救灾工作在灾害预警、远程监测、导航以及公共应急信息服务等方面发挥了举足轻重的作用。

北斗二号卫星系统不仅是对一号系统的延伸, 且其更类似于伽利略系统和GPS全球定位系统, 其标志着中国自行研制的系统进入实际应用新的发展建设领域。其具有全球覆盖、使用无源定位导航体制、系统差分定位精度能够精确为lm、延用了一号系统的短信报文通信功能, 且对通信容量进行扩充。

2 北斗系统地面监视中典型应用

监视系统的应用需求可以概括为信息共享、对战场态势的快速获取、综合展现、远程控制等。系统中的软件主要采用的结构式c/s, 由数据库和操作系统来进行工作。该系统依靠设备管理服务、地理信息环境和信息处理服务等作为支撑来进行监视和指挥的应用。监视系统最主要的功能就是通过申请定位、读取设备串口数据、进行转换数据协议、作战单元进行匹配、定位信息数据存储以及作战单元位置信息显示灯过程, 来迅速确定所在的坐标、时间、方向、高程和速度一系列的位置。

为了能够对北斗获取的定位信息进行直观的显示, 由开发接口 (系统应用地理信息系统geographicinformationsystem, GIS提供) 自动的把实施的各项信息动态在电子地图上进行显示并且用不同的符号对各类部队车辆等进行区分。除了自身定位信息监视外, 通过北斗的传输手段还能形成战场态势图。在进行监视时, 部队间行动的协调和各级部队的指挥控制是实现的核心功能之一也是作战过程中的最基本任务。根据北斗系统的特点, 对指挥短语进行分类, 预设模板减少数据传输长度, 防止数据丢失和工作量过大等问题。监视系统利用北斗短报文通信功能是全球卫星导航系统独有亮点功能, 有效的使其他通信手段面对复杂战场环境和远距离部署下进行数据共享及信息传递, 北斗系统的各项应用如图1。

3 结束语

北斗系统在地面监视系统中有着不可替代的重要作用, 在地面监视系统中利用监视和指挥一体集成、图上位置聚合解聚、作战单元队形偏航告警等技术充分利用北斗系统技术特色进行强而有力的地面监测。随着北斗二代系统的研究建设, 结合部队作战训练的要求, 研究出适应于我国军事实际特点且功能强大的指挥应用系统。

参考文献

[1]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考, 2008.

[2]温静, 汪大明, 孟月玥, 方洪宾.北斗卫星导航系统在地质调查领域应用综述, 2012.

全球卫星导航，谁家更出彩 篇2

只受人类想象力限制的应用

卫星导航系统是解决时间和位置的问题，即在哪里、什么时候。卫星导航是目前人类导航发展史上，实现空间和时间信息有机统一的最佳、最有效、最廉价的手段。卫星导航系统不仅是国家重大空间基础设施，还是国家安全的重要支撑，尤其是国家网络信息安全的重要支撑，是军队一体化联合作战的关键保障，更是战争中武器效能的倍增器，是国家战略威慑的重要组成部分。

随着卫星导航系统民用开发和推广，几乎所有的行业都会用到卫星导航，因此越来越成为经济社会发展的重要支撑。对于卫星导航的应用，业内是这么说的：卫星导航应用只受人类想象力的限制。

如今，卫星导航已成为继互联网和移动通信之后第三大经济增长点，据相关权威单位预测，其应用生产的增长率大概超过25%，预计到2020年，全球的产值要超过4千亿美元。

国际战略博弈的重点

鉴于卫星导航的重要性，它现已成为国际战略博弈的重点。世界主要国家相继斥巨资建设和发展卫星导航系统，同时出台相应的战略和政策，争夺核心利益，主要包括资源、市场、人才、资金等。

卫星导航系统简称为GNSS系统，目前全球卫星导航系统主要包括：美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗、欧盟Galileo。卫星导航系统作为一种天基无线电系统，频率资源是系统建设和运行的必备基础。由于频率资源的稀缺性，在GNSS俱乐部中，各大国均将其视为战略性资源予以激烈争夺。为此，国际上明确规定，所有频率资源都要向国际电联提出申请，由国际电联根据无线电规则进行划分并组织各国协调。由于美国GPS和俄罗斯GLONASS两系统建设在先，全球最佳、以及大部分的频率资源均已被美国和俄罗斯抢先占据，留给中国北斗和欧盟Galileo两系统可用的频率资源屈指可数，因此，中国北斗系统建设面临更大的挑战。

世界上第一个全球卫星导航系统是美国的GPS，于1973年起步，1993年底建成，在轨工作卫星31颗，系统定位精度：民用10米，军用3米。早在1991年，美国GPS开放民用，定位精度是100米，但事实上那时候已经可以达到20至50米，但当时美国并不希望全世界其他国家使用其高精度卫星导航服务，所以人为地加了干扰码。后来，美国为了尽早抢占市场，于克林顿任总统期内取消干扰码，这在当时一度引起轰动。目前美国GPS全球市场占有率在90%以上。

俄罗斯GLONASS，是世界上第二个全球卫星导航系统。起步很早，但是由于技术以及当时前苏联解体带来的经济上的困难，再加上其组织管理理念还受计划经济时期的影响，民用方面并未充分开发。普京担任总统以后，恢复重建GLONASS，并将此作为一个重大战略举措，但是目前这个系统的定位精度，从测试的应用角度来看，不如中国北斗系统。

欧盟Galileo，由欧盟15个成员国共同构建。当时欧盟打着“为欧洲市场和民用市场提供自己的卫星导航系统”的旗号，实质上是为了更好的服务于欧盟国家的国防和战略安全需要，因此刚开始欧盟提出来时，美国极力反对，并且通过各种途径做欧盟的工作，阻止欧盟建设自己的卫星导航系统。后来在Galileo启动建设之初，中欧双方曾开展过中欧Galileo合作，随着中国自主建设的北斗系统发展，欧洲对中国经济的依赖变弱；尤其是北斗系统自身建设的能力提升给Galileo带来压力，中欧Galileo合作日渐萎缩。根据Galileo建设计划，2016至2017年，欧盟预计发射18颗卫星，具备初始运行能力，这对于计划2020年具备全球服务能力的北斗系统形成了一定压力。

日本QZSS主要是区域系统，于2000年启动建设，2010年发射首颗卫星，计划2020年建成由7颗卫星组成的区域卫星导航系统，目前在轨工作卫星1颗，覆盖亚洲和大洋洲地区，可提供5米左右的定位精度，由于日美战略同盟，因此日本QZSS，同时也是美国GPS系统的区域增强与补充。

北斗导航的优越性

前段时间，网上流传一则非常火爆的信息：“80后中科院美女学霸冷漠回应：‘想破解中国北斗导航，建议更简单些的方式：那就是造时空穿越机穿越到北斗军码设计时在旁边偷听好了。”霸气回复，无疑让人加大对北斗导航技术的探窥之意。

这则新闻的背后是之前网传清华女生破解北斗的新闻，这位美女科学家解释说，事实上2012年，我国已经公布了北斗的ICD文件，告诉了大家北斗的民码格式。实际上清华女生只是破译了北斗的民码信号的伪码序列。北斗建设过程当中，民码的设计和GPS、伽利略都一样，并没有特殊设计。因此，她想破解这个没有经过加密的民码信号，是没有技术难度的，从科学研究的角度来讲就是一个信号检测与估计的问题。北斗除民码之外，还有军码，这是经过了加密等特殊设计，非常稳定可靠。

日前，中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其在北京出席一会议时介绍，目前卫星导航系统有两种体制，一种是无源体制，即“收音机模式”，收到信号就可以定位；一种是有源体制，类似“手机模式”，需要和卫星之间进行沟通。北斗既有有源体制，也有无源体制，即可以实现位置报告，同时可以进行短信通信，这也是北斗系统的最大特点，属于中国独创技术。

在此举例假设下，如果鲁宾逊现在带着卫星导航设备漂流到某孤岛，他若用GPS，只能知道自己在什么位置，却无法通知别人前来救援，但若用北斗导航，既可以知道自己在哪，还可以把位置发送到方圆几十公里、几百公里甚至千里之外寻求救援。

至于北斗导航好不好用，若问中国出海渔民，肯定赞誉不断。以往，他们远航一走几个月，音讯全无，令家人担心不已。如今，带上北斗导航，可以一边打鱼，一边与家人聊天，随时保持联络。在使用中，北斗系统不仅提供了位置、导航和授时等功能，而且还提供通信功能，以至于有时候渔民们聊开心了，一不小心在公海遭他国海警或军舰拦截，对方上来第一时间就是找北斗导航，以免他们的行为随时可能被传到中国大后方而成为一种不利于他们的证据。北斗导航已成为渔民出海的保护神器，不仅导航、通讯，还提供了有力的安全保障和维权的必要证据，因此，有渔民甚至把北斗跟妈祖一样捧上神坛供着。

现在，北斗系统作为《国家中长期科学和科技发展规划纲要（2006至2020）》确定重大专项之一，正在按计划稳步推进。已先期于2012年年底面向亚太地区正式提供区域服务，计划2018年进一步扩展向“一带一路”沿线国家提供服务，2020年建成由30余颗卫星构成全球卫星导航系统，面向全球提供服务。

监视全球的卫星导航 篇3

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)定位技术的迅猛发展和广泛应用,其在测量中的应用也越来越广泛,国防建设、城市建设和各项工程建设中利用GNSS定位技术建立各种用途控制网已经相当普及[1,2]。众所周知,不同的测量成果均对应于各自的坐标系。目前我国有1954北京坐标系,新1954北京坐标系,1980国家大地坐标系,2000中国大地坐标系,GPS系统采用的WGS-84坐标系,还有一些地区由于工程建设的急需(如矿山开发、新城市建设等)而建立的局部独立坐标系,多种坐标系共存[3]。GNSS定位结果属于协议地球地心坐标系,对于GPS来说,即为WGS-84坐标系,通常以空间直角坐标(X,Y,Z),或以椭球大地坐标(B,L,H)的形式给出。而实用的常规地面测量成果或属于国家的参心大地坐标系,或属于地方独立坐标系。因此必须实现GNSS成果的坐标系转换。GNSS技术测量得到的数据不经过坐标转换就不能体现其测量意义[4]。为了与传统测量成果一致,常将GNSS成果投影到平面,形成GNSS二维坐标系成果,因此还应考虑二维坐标转换。

1 坐标系及坐标系转换

地球坐标系按照其坐标原点的位置可分为参心坐标系和地心坐标系,参心坐标系的坐标原点偏离于地心而重合于某个国家、地区所采用的参考椭球中心,地心坐标系的坐标原点与地球质心相重合。常用的坐标系统有:大地坐标系、空间直角坐标系、平面直角坐标系[5,6]。

任何坐标系都是由原点、参考面和基准方向定义[7]。根据坐标系定义的三个元素,以某一元素作为基础条件,伴随其他元素改变,产生多种模式的坐标转换。不同坐标系统之间的转换包括不同参心大地坐标系统之间的转换、参心大地坐标系与地心大地坐标系之间的转换、大地坐标与空间直角坐标之间的转换以及大地坐标系与高斯平面坐标系之间的转换等[6]。在同一个椭球里的变换都是严密的,而在不同的椭球之间的转换是不严密的。例如在WGS-84坐标和北京1954坐标之间不存在一套转换参数是可以全国通用的,在每个地方都会不一样[8]。在实际工作中,坐标转换主要采用空间转换模型和平面转换模型。

2 坐标转换模型

2.1 布尔萨模型

布尔萨模型又称为七参数转换(7-Parameter Transformation),设有两个三维空间直角坐标系OC-xCyCzC和OS-xSySzS(见图1)。

由图1知,任意点在两坐标系中的坐标之间有如下关系:

式中,[xiyizi]CT为点i在坐标系OC-xCyCzC中的坐标;[xiyizi]ST为点i在坐标系OS-xSySzS中的坐标。

上式含有7个转换参数:Δx0,Δy0,Δz0,εx,εy,εz,m,称为布尔萨(Bursa)7参数转换模型。

2.2 转换参数的确定

由转换模型(1)式知,若参心坐标系至地心坐标间的转换参数精确已知,则可将参心坐标系的坐标转换为地心坐标系的坐标;反之,亦可由地心坐标求得参心坐标。因此,上述转换模型在坐标相互转换中具有至关重要的作用。

在实际工作中,通常面对的问题是需要将GNSS观测、初算成果转换到当地的国家或地方独立坐标中。若本地区没有相关的坐标转换参数,就涉及坐标转换参数的确定问题。设地面网参心坐标系为OC-xCyCzC,地面网单独平差的点i的坐标向量为Xi C=[xiyizi]CT;GNSS卫星测量的地面网的地心坐标系为OS-xSySzS,GNSS网单独平差的点i的坐标向量为Xi S=[xiyizi]ST,其中(i=1,2,3…)。将Xi C=[xiyizi]CT和Xi S=[xiyizi]ST代入转换模型反求两个坐标系间的转换参数,然后利用所求得的转换参数再回代到模型中对GNSS测量的其他点进行坐标转换。

可以将式(1)的布尔萨转换模型写成如下形式:

式中,xi S,yi S,zi S为点i在坐标系OS-xSySzS中的坐标。

式(2)也可表示为:

式中,

;USC=[Δx0Δy0Δz0mεxεyεz]T为OS-xSySzS至OC-xCyCzC的坐标转换7参数向量。

要确定7个参数,至少需要同时知道3个公共点在两坐标系的坐标值,利用最小二乘法对参数USC进行求解。由于这两个坐标系分别属于卫星网的地心坐标系(S)和地面网的参心坐标系(C),所以将这个求解过程称为卫星网与地面网的联合平差。

联合平差后,地面网和卫星网的点坐标改正向量分别为。则两网联合平差的误差方程可写为:

现利用(3)式的布尔萨模型,则坐标改正向量间的条件式为:

将式(5)代入式(4),得:

将式(6)写成一般形式为:

由此组成法方程式:

可求得其解为:

式中,为地面网坐标的权阵;为卫星网坐标的权阵;δC2为地面网平差的单位权方差;为地面网平差的方差与协方差阵;δS2为卫星网平差的单位权方差;为卫星网坐标的权阵。

将由式(9)求出的转换参数代入式(3)的布尔萨转换模型中去,就可实现OS-xSySzS至OC-xCyCzC的空间直角坐标系间的坐标转换。以上讨论了将GNSS的观测成果转换至当地国家坐标系或地方独立坐标系的转换参数确定问题。如要根据当地国家坐标系或地方独立坐标系的测量成果,建立GNSS地心坐标系,则可按照类似的方法进行卫星网与地面网的联合平差,确定相应的坐标转换参数,具体方法可参见文献[9,10]的相关内容。

3 不同坐标系之间的坐标转换思路及具体步骤

有了上述坐标转换模型与转换参数计算的理论知识后,对于具体问题,怎样利用上述模型实现成果转换是初学者及众多测绘人员或其他专业技术人员所关心的核心问题。

假设:(1)用户所需的坐标为北京1954平面坐标[x y]Tbj54(北京1954椭球大地坐标按高斯3度带投影所得)及高程H正常高;(2)GPS测量及初算成果的坐标为WGS-84椭球大地坐标[B L H大地高]TWGS-84。

问题:将GPS测量及初算成果,即WGS-84椭球大地坐标全部转换为用户所需的坐标系的坐标。

关于这个问题的解决有两种方案,即先转换后投影,先投影后转换。

3.1 先转换后投影

先转换后投影方案的意思是:先进行坐标系之间的转换,然后进行高斯-克吕格平面投影,得到平面坐标系及正常高系的坐标值,图3给出了这种方案的坐标转换的流程图。

另外,图2的坐标转换流程可分两种情况,即已知七参数和未知七参数。

3.2 先投影后转换

先投影后转换方案的意思是:先进行高斯-克吕格平面投影,得到WGS-84椭球框架下的平面坐标系及正常高系的坐标值,最后进行坐标系之间的转换,图4给出了这种方案的坐标转换的流程图。

北京54、西安80以及各个城市、工矿企业所布设的独立坐标系统,都是基于经典大地测量方法所获得的坐标系统。在利用现有坐标系统的时候,为了保证数据的一致性,进行坐标转换就显得极其重要,了解坐标转换的原理及方法对测量工作有着极其重要的意义。现在GNSS测量仪器自带处理软件基本都能满足坐标转换需要。只要理解了坐标系之间的转换原理,就能得心应手的使用GNSS测量。

类似图2的坐标转换,图3的坐标转换也可分为两种情况。

以上通过GPS WGS-84坐标系与北京1954坐标系的坐标转换实例,分析了坐标转换的基本思路,给出了具体转换步骤,对于其他坐标系之间的转换问题,其解决思路和具体步骤都是大致相同。

4 结语

GNSS不仅能达到较高的定位精度,还大大提高了测量的工作效率,随着软硬件的不断升级,GNSS将逐渐取代传统测量仪器。目前,国内所用的坐标系统,如

摘要：GNSS定位结果属于协议地球地心坐标系,现实测绘中,通常需要国家平面坐标。如何有效地转换坐标成果,一直是个难题。文章在简单分析了坐标系及坐标系转换基本原理的基础上,结合坐标转换基本模型提出了不同坐标系之间坐标转换的两种思路,并给出转换流程及具体步骤,得出一些有益的结论,有助于初学者及众多测绘人员或其他专业技术人员更好的使用GNSS。

关键词：坐标系统,坐标转换,转换原理,转换方法

参考文献

[1]刘大杰,施一民,过静珺.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.

[2]李征航.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2010.

[3]鲍建宽,李永利,李秀海.大地坐标转换模型及其应用[J].测绘工程,2013(3):56-60.

[4]韩军生,顾和和.基于2维转换原理的实时坐标转换设计[J].测绘与空间地理信息,2012(1):164-166.

[5]刘亚平,郑若奇,曹立强.GPS定位中两种七参数坐标转换方法的误差分析[J].中国港湾建设,2002(5):24-26.

[6]马家琼,杨晓英,崔文刚,等.WGS-84与西安80坐标转换研究[J].测绘与空间地理信息,2013(4):158-160.

[7]黄声亨.GPS在测量工程中的应用[M].北京:测绘出版社,2007.

[8]张兢,王文瑞,陈溪.使用Arc GIS实现WGS84经纬度坐标到北京54高斯投影坐标的转换[EB/OL].(2012-11-22)[2016-10-15]http://www.Digitalgx.com/article/zh/zh145.html.

[9]张守信.GPS卫星测量定位理论与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,1996.

集思广益共谋全球卫星导航美好未来 篇4

第二届中国卫星导航学术年会于201 1年5月18日在上海世博中心召开。国家有关部门，地方政府领导，卫星导航领域专家学者，研究机构和企业代表，美、俄、欧、日等国家和地区卫星导航系统官员和专家等约1 500余人参加了本届年会。

本届年会以推动更大范围交流与互动，更高层次创新与合作为宗旨，以设计北斗的未来为主题，特别邀请国外卫星导航系统主管部门和卫星导航领域知名专家学者参会，通过学术交流、高端论坛、展览展示和科学普及等一系列活动，全方位展示卫星导航领域最新成果。

中国卫星导航学术年会(C hi naSatellite Navigation Confe rence，CSNC)是一个开放的学术交流平台，旨在加强学术创新，促进卫星导航系统的合作与交流；加强技术创新，促进卫星导航系统的工程建设；加强理论创新，促进卫星导航理论进步；加强应用创新，促进卫星导航产业的科学发展。通过学术交流、高端论坛和展览展示等一系列活动，全方位展示卫星导航领域最新成果。

建好北斗用好北斗

5月18日，第二届中国卫星导航学术年会在上海世博中心正式拉开序幕。总装备部科技委副主任韩延林、北斗卫星导航系统工程总设计师孙家栋院士、上海市副市长沈晓明、国防科工局副局长胡亚枫、交通运输部总规划师戴东昌、中国科学院副院长阴和俊、中国航天科技集团公司副总经理袁洁出席开幕式并致辞。

本届年会科学委员会由27名院士、知名专家组成。国家最高科技奖获得者、两弹一星功勋科学家、北斗卫星导航系统工程总设计师孙家栋院士担任主席。孙家栋院士在开幕式的致辞中指出，世界卫星导航系统已成为经济社会发展不可或缺的空间信息基础设施，面对现代社会生产生活对时间位置服务如此广泛并充满变革的需求，面对全球导航卫星系统(GNSS)日新月异的进步和各卫星导航系统共同发展的愿景，参与卫星导航学术活动的科学家承载着突破新科技、创造新服务、迎接新未来的责任。

孙家栋院士强调，不仅要建好北斗系统，更要用好北斗系统；不仅要在中国。而且要在全球，与全球各GNSS共同推动卫星导航发展，惠及人类生活福祉和经济发展。并希望与会的专家、学者、企业家及各界人士，利用中国卫星导航学术年会这个平台，集思广益，畅所欲言，共同设计全球卫星导航系统和应用的美好未来。

精彩的GNSS主管部门代表特邀报告

开幕式上各GNSS主管部门代表：中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其、美国国务院空间和高级技术办公室副主任特纳、俄罗斯中央机械制造研究所PNT信息与分析中心卡娅女士、欧洲伽利略运行和发展处处长海因、日本空间政策战略总部秘书处主任青木干雄分别作特邀报告。

冉承其题为“北斗卫星导航系统发展计划的实施”的报告分为北斗卫星导航系统发展计划、北斗卫星导航系统最新进展、北斗卫星导航系统政策措施三部分。冉承其表示，北斗卫星导航系统正按计划稳步推进，即将进入初始运行服务阶段，中国卫星导航系统管理办公室作为国家卫星导航领域管理部门，将全面落实各项政策，与所有关心、参与、支持北斗建设和应用的朋友共同努力，确保北斗卫星导航系统发展目标的实现。

特纳先生在题为“GPS政策及系统最新进展”的报告中介绍了美国全球定位系统的基本情况，内容包括系统结构、发展阶段等。他表明G PS现阶段的发展重点在于加强同其他卫星导航系统的兼容、互操作性以及去除系统间干扰。在国际合作方面，他表示美国愿在全球市场中开展多边对话，通过APEC会议、ICG会议等途径同中、俄、欧、印等国家和地区进行交流与合作。

卡娅女士在报告中介绍了俄罗斯GLONASS系统的基本情况，包括GLONASS的星座状况、近期组网卫星发射计划、相关政策、发展规划等。她表明俄罗斯政府一直非常重视卫星导航系统的建设和发展，愿与全球各国就卫星导航领域开展广泛的合作与交流。

海因先生在会上作了名为“伽利略欧洲全球导航系统项目最新进展”的报告，介绍了欧洲伽利略和欧洲全球导航系统的建设进展、伽利略系统相关国际合作活动以及兼容与互操作等方面的内容。他在报告中提到，欧盟委员会充分认识到卫星导航应用的重要性，于2010年明确了应用计划，重点放在手机、精准农业等6个应用领域。另外，在国际合作方面，中国国家遥感中心和欧洲伽利略项目组共签署了1 2个项目的合作协议。这些项目包括系统建设项目、关于系统的模拟验证项目以及系统应用项目。

青木先生作了题为“MSAS与QZSS系统最新进展及震后影响”的报告，介绍了QZSS系统和MSAS系统的最新进展、QZSS系统对G PS的补充和加强以及可能的应用领域等。青木干雄主要负责卫星导航合作等国际事务，他表示日本将进一步加强国际特别是亚太区域的相关合作。

四大导航系统专家云集

中国北斗卫星导航系统建设的稳步快速推进，引起国内外高度关注。会议期间，中、美、俄日等国家卫星导航系统主管部门官员，北斗卫星导航系统工程副总设计师谭述森研究员、欧空局伽利略运行和发展处海因教授、武汉大学刘经南院士、美国斯坦福大学帕金森教授、德国波茨坦地学中心葛茂荣研究员、国际测量师联合会希金斯教授等国际知名专家学者就卫星导航新进展及发展趋势作了学术报告。报告结束后，出席专家就卫星导航系统的建设和利用与参会人员展开互动交流，探讨了一系列技术、政策等方面的热点问题。同日寸与会专家和代表就卫星导航系统的计划、发展、应用和政策等进行了交流和研讨。当前世界四大卫星导航系统进入竞相发展、交流合作与交相辉映的新时代，如此规模的世界卫星导航领域政府官员和顶尖专家云集中国，尚属首次。

10个分会场异彩纷呈

5月19～20日。第二届中国卫星导航学术年会进行了分会场研讨。年会设“卫星导航政策法规、标准体系、安全与工程管理”、“北斗／GNSS应用”、“卫星导航信号体制及兼容与互操作”、“精密定轨与时间同步技术”、“原子钟技术与时间系统”、“卫星导航增强与完好性监测”、“北斗／GNSS测试评估技术”、“北斗／GNSS用户终端技术”、“卫星导航基础技术及科学应用”和“导航新理论、新技术与新系统及其它”等10个分会场，研讨历时两天。来自科研院所、大学、厂商等近250位国内外专家和与会者分享了他们在各自领域的最新研究成果。报告结束后还与参会人员进行了现场互动交流，针对研讨题目进行深入探讨。

引领方向的应用产业化论坛

5月20日，第二届中国卫星导航学术年会应用产业化论坛在上海世博中心隆重召开。

在本次论坛上，来自中国卫星导航系统管理办公室的杨强文高工作了题为《北斗应用与产业化总体思路》的报告，国家遥感中心副主任景贵飞作了题为《十二五导航与位置服务科技规划》的报告，上海市科委副主任陈鸣波作了题为《发展北斗卫星导航应用，推进智慧城市建设》的报告。中国空间技术研究院副院长、中国航天科技集团公司卫星应用研究院院长李忠宝在书面报告中提出了创新应用模式、深耕行业市场、大力推动北斗产业发展的创新思路和观点。来自广东省、四川省的与会代表分别就卫星导航在本地区的发展现状和规划作了汇报和展望。来自国家测绘、交通、农业等行业的代表分别探讨了卫星导航的行业应用前景。论坛还从卫星导航定位行业市场未来走势分析、资本运营角度作了深入分析。来自合众思壮、中国移动、深圳赛格、上海汽车、盛大天地、和芯星通等企业的代表分别从构建北斗全产业链格局、整合优势资源等角度对卫星导航产业进行了深入剖析和展望。

年会还同步进行了北斗卫星导航系统建设成就和应用成果展览展示，颁发了第二届中国卫星导航学术年会青年优秀论文奖和第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛奖，公布了《北斗卫星导航系统发展报告》，全面、客观地介绍中国自主卫星导航系统建设计划、进展与成就。

监视全球的卫星导航 篇5

1993年,Martin-Neira提出了被称为“passive reflectometry and interferometry system”的利用散射GPS信号测量海面高度的设想[2];1995年,Anderson提出可以利用GPS直射信号与反射信号形成的干涉波形探测沿海地区的潮位[3];1996年,Katzberg等人提出利用地轨卫星接收的海面散射GPS信号探测电离层延时的设想[4],并进行了一系列验证实验,在实验中采用了专门设计的接收GPS反射信号的延迟映射接收机(delay mapping receiver,DMR),并于2008年进行实验测试了新设计的接收机GIS-MOS[5,6]。2008年,Giulio等人开展了岸基观测实验,研究了GNSS-R遥感反演有效波高、海面高度的方法[7]。

以镜面反射点为基准,形成了散射信号的漫反射区域,可以进行海面散射模型的数值分析。本文将二分算法应用到散射信号的时间延迟计算与数值分析中,并与S.C.Wu算法进行分析比较,验证二分算法在散射信号数值分析研究中的正确性。

1 散射信号模型

镜面反射点是GPS卫星经反射点到接收机的路径最小的点[8],其数学表达式为

式(1)中,LS和BS分别表示经纬度,当ρR(LS,BS)取最小值时,得到的(Xs,Ys,Zs)为镜面反射点。

以镜面反射点为基准,GNSS散射信号呈现一定的规律分布。波动的海面对入射阳光造成反射现象并形成的许多闪烁点组成的区域称为闪耀区;等延迟线是指到达接收机时间相同的点组成的线;等多普勒线是指具有相同多普勒频率的海面散射点组成的线。其模型如图1所示。

在进行海面风场测量的过程中,Valery U.Zavortny和Akexander G.Voronovich利用克希霍夫近似的几何光学方法建立了GPS海面散射信号的时延-多普勒二维相关功率模型[9],表示为

式(2)中,Rt(r)和Rr(r)分别表示GPS卫星和接收机到散射点r的距离,G(r)为对应散射点r处的天线增益,Λ表示GPS的C/A码自相关函数,δτ和δf分别表示反射面上各点的反射信号分量的时延和多普勒值与τ和f的差值,其表达式分别为

在整个观测区域中,对积分有贡献的区域是闪耀区、等延迟区、等多普勒区和天线覆盖区交叉的区域,分别由σ0、Λ(δτ)、S(δf)和方向系数D的表达式决定。

GNSS-R中对于反射信号的研究主要通过数值分析进行仿真分析计算,其中时延多普勒相关函数是重要的观测要素。

GNSS散射信号的时延多普勒二维相关功率函数为

式(6)中,Ti为积分时间,fL为接收信号的中心频率,为镜面反射点处的多普勒估计值。τ0和f0分别表示镜面反射点的码延迟和多普勒频移。此公式反映了反射区内各等延迟线和各等多普勒线交叉区域处反射信号的相关值,是反射信号最为全面的描述形式。

2 两种镜面反射点计算方法

2.1 S.C.Wu算法

如图2所示,在WGS-84坐标系下,O代表球心,R为接收机位置,T为发射机位置,S表示镜面反射点位置,作R关于直线OM的镜像点R',点M关于RR'的镜像点M',可得四边形RCR'M为平行四边形[10]。

由此可得:

整理得:

由此得:

从而计算出M、S的位置以及γr、γt。之后根据ΔOSR、ΔOST求得αr、αt。此时求得的αr、αt一般是不等的,所以要按照式(10)进行计算得到新的αr、αt。

之后,在ΔOSR、ΔOST中分别重新求γr、γt,记为γ'r、γ't,同时,γt的平均值记为(γt+γr+γt'+γr')/2。然后,根据新的γt值计算的值。最后,反复迭代上述过程,直到αr=αt。

2.2 二分算法

在WGS-84坐标系下,在S.C.Wu算法模型的基础上提出了二分算法。对线段RT进行二分,在RT上寻找使αr=αt的点M,使其星下点满足菲涅尔条件。

首先,如图3所示,用a、b分别表示图1中的接收机R、发射机T,取线段ab的中点M,计算对应的星下点坐标S的值,从而得出αr、αt。

之后,判断αr、αt大小,若αr=αt,则停止迭代,此时得到的坐标S的值即为镜面反射点位置坐标;否则若αr>αt,则令b=M,进入下一次迭代;否则若αr<αt,则令a=M,进入下一次迭代。

最后,重复上述过程,直到αr=αt。

3 仿真分析

3.1 散射点路径延迟仿真分析

取UK-DMC卫星在2004年11月16日测到的海洋数据的其中一组数据:GPS卫星坐标T=[-11 130 828.076 797,-13 167 090.702 929,20 363 562.269 411],接收机坐标R=[-4 159 137.970 895 597 0,-3 616 513.256 482 027,4 419 275.402 025 064]。通过Matlab仿真,分别得到两种方法下的镜面反射点位置坐标:其中采用S.C.Wu算法得到的坐标为[-137.812 3,41.215 8]。采用二分算法得到的坐标为[-138.146 4,40.196 1]。

分别以两种算法下得到的镜面反射点为坐标原点,仿真分析了散射点路径延迟分布图,如图4所示。

从图中可以得到,采用二分算法仿真得到的镜面反射点完全符合要求,具有实际应用价值。并且,根据不同的路径延迟得到了不同的散射区域图。图中不同的颜色代表了不同的延迟。

3.2 时延-多普勒相关功率分析

设定海面风速为8 m/s,风向为0°,卫星高度角为90°,接收机高度为5 km,信号积分时间为10 ms,分别用两种方法仿真得到了如图5所示的时延与多普勒频率关系图[11]。

由图5可见,采用二分法得到的时延-多普勒二维相关功率图与S.C.Wu算法得到的功率图类似。随多普勒频移的变化,图像整体呈典型的马蹄状。散射信号的时延-多普勒相关功率集中在镜面反射点处,并随时延的增加而变小。

4 结论

根据镜面反射点处的几何关系模型,将S.C.Wu算法与二分算法进行了较为全面的比较分析。通过仿真比较,得出了二分算法的优势。采用二分算法计算得到的镜面反射点也能正确估计散射区域的变化信息,得到正确的散射点路径延时图,能得到准确的时延-多普勒相关功率关系,并且它的模型较为简单易理解,具有较强的实际应用价值。

参考文献

[1]杨东凯,张其善.GNSS反射信号处理基础与实践.北京:电子工业出版社,2012Yang D K,Zhang Q S.GNSS reflected signal processing:fundamentals and applications.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2012

[2] Martin-Neira M.A passive reflectometry and interferometry system(PARIS):application to ocean altimetry.ESA J,1993;(17):331 —355

[3] Anderson K D.A GPS tide gauge.GPS World Showcase,1995;(6):44

[4] Stephen J.K,Jr J L G.Utilizing GPS to determine ionospheric delay over the ocean.Nasa Tm,1997;4750

[5] Garrison J L,Walker M,Haase J,et al.Development and testing of the GISMOS instrument.Geoscience and Remote Sensing Symposium,2007.IGARSS 2007.IEEE International,2007:5105—5108

[6] Gleason S T,Hodgart S,Sun Y,et al.Detection and processing of bistatically reflected GPS signals from low earth orbit for the purpose of ocean remote sensing.IEEE Trans Geosci Rem Sens.IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,2005;43(6):1229—1241

[7] Giulio R,Stephen D,Soulat F.First china ocean reflection experiment using coastal GNSS-R.Chinese Science Bulletin,2008;53(07):1117—1120

[8] 张益强.基于GNSS反射信号的海洋微波遥感技术.北京:北京航空航天大学,2008Zhang Y Q.The marine microwave remote sensing technology based on GNSS reflected signal.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2008

[9] Zavorotny V U,Voronovich A G.Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application.Geoscience&Remote Sensing IEEE Transactions on,2000;38(2):951—964

[10] Wu S C,Meehan T,Young L.The potential use of GPS signals as ocean altimetry observable.Proceedings of the National Technical Meeting of the Institute of Navigation,1997

监视全球的卫星导航 篇6

关键词：GPS北斗异同

1 北斗卫星定位系统与GPS全球定位系统的构成与技术原理

GPS全球定位系统是一个全球性、全天候、高精度的导航定位和时间传递系统。24颗卫星在其空间中运行。分为军用和民用两个系统运行, 服务分两个不同的等级提供。GPS定位采用空间被动式原理, 在测站上安置GPS用户接收系统, 以各种可能的方式接收卫星发送的信号, 卫星不间断地发送自己的星历参数和时间信息, 用户接收后, 由计算机求出接收机的三维位置, 三维方向及运动速度和时间信息, 简称“三球定位”原理。首先假定卫星的位置为已知, 准确测定※点距离卫星的长度, 结果※点就是位于以卫星为中心的圆球上, 圆球的半径等于所测得距离。下一步, 再测量※点距离另一卫星的长度, 结果※点必然位于这两个圆球相交形成的环上。再继续测量距离第三个卫星的长度, 最终※点必然在三个圆球相交形成的两个点上。再根据地理知识, 去掉那个不合理的点。其实继续再测量※点距离另一个卫星的长度, 也能直接定位※点。GPS的作用除了导航外, 还有很多, 像地震学家用它能监测地壳的微小移动最终帮助预测地震。

北斗卫星导航系统分为三段:空间、地面、用户。空间段计划由35颗卫星组成, 包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°, 中地球轨道卫星运行在3个轨道面上, 轨道面之间为相隔120°均匀分布。服务方式有两种:开放式、授权式。开放式服务:免费定位、测速、授时, 定位精度为10m。授权式服务, 向授权客户提供的定位、测速、授时和通信服务更安全, 信息更系统完整。可向客户二十四小时定位服务即时, 定位精度可达数十柰秒 (ns) 的同步精度, 其精度与GPS相当。

2 北斗卫星导航定位系统和GPS全球定位系统的异同

目前, 北斗卫星导航系统是由我国自主研发、独立运行的区域卫星导航系统, 缩写为BDS, 与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统, 并称全球四大卫星导航系统。在全球卫星定位系统方面, 现在使用范围最广的就是美国的GPS全球定位系统, 我国自行研制的“北斗一号”和美国的GPS虽然都是卫星定位、导航系统, 但是它们在各方面都有着较大的差异, 这种差异主要体现在以下几个方面:

(1) 首先都是导航定位系统, 采用的定位技术不同, 定位的范围也有区别。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围约东经70度到140度, 北纬5度到55度;GPS是覆盖全球的全天候定位系统。目前, 北斗还不是全球定位, 当然北斗开始的晚, 部署需要时间, GPS也用了20年时间才布置完毕全天候覆盖全球的。 (2) 其次, 二者的定位理论不同, 北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。由地面中心控制系统解算, 再向用户提供三维定位数据;而GPS已经部署完毕由用户设备独立解算自己三维定位数据。所以北斗卫星导航定位系统定位理论更新, 可以用于国家经济建设, 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, 应用前景十分广阔。 (3) 卫星数量和轨道特性:北斗卫星导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星且两颗卫星间的赤道角距约六十度。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星, 轨道赤道倾角五十五度, 轨道面赤道角距六十度, 为准同步轨道, 绕地球一周11h58m。 (4) 定位精度:我们的北斗系统可以对所有终端机进行监控管理, 就这一点GPS就根本不可能做到。可以通过确定用户地理位置, 为用户及主管部门提供导航。水平定位精度100米, 差分定位精度小于20米。定位响应时间:Ⅰ类用户5秒;Ⅱ类用户2秒;Ⅲ类用户1秒。定位更新时间小于1秒, 一次性定位率达百分之九十五。GPS三维定位精度P码目前己由16米提高到6米, C/A码目前己由25-100米提高到12米, 授时精度日前约20柰秒。 (5) 用户容量:北斗卫星导航系统具有用户之间、用户和地面控制中心之间双向数字报文通信能力, 通常每次能通信三十六个汉字, 核准过的用户使用连续通信方式最多能通信一百二十个汉字。北斗卫星导航系统有两种精密授时功能:单向和双向, 依据具体的精度需求, 利用定时用户终端, 完成与北斗卫星导航系统之间时间和频率同步, 提供100ns (单向授时) 和20M (双向授时) 的时间同步精度。GPS全球定位系统是单向测距系统, 用户只要单向使用设备接收GPS发出的导航电文即可进行测距定位, 所以GPS全球定位系统的用户设备容量没有上限。

3 鉴于以上浅析北斗卫星导航系统和GPS全球定位系统的异同

而且我国必须发展自主的全球卫星导航系统, 那就必须坚持原则, 这个原则就是既要开放、独立又要兼容、渐进。北斗卫星导航系统虽然和GPS全球定位系统相比有一定的差距, 但是随着北斗卫星导航系统的建设发展, 北斗卫星导航系统必将迎来“规模化、社会化、产业化、国际化”的重大历史机遇, 当然这机遇也对北斗卫星导航系统提出了更高的要求。北斗卫星导航系统是中国独立自主研发的卫星导航系统, 其成功有着非凡的战略意义, 标志着中国打破了美、俄在卫星导航定位系统的垄断地位, 填补了中国没有自主卫星导航系统的空白。根据军队和地方签订的协议, 中国需要在2015年前完成北斗卫星导航系统产品标准、民用服务资质等法规体系建设, 该体系要权威、标准统一。还要在首都建成一个国家级检测中心, 在地方上按区域建设七个区域级授权检测中心, 加快推动北斗卫星导航系统进入国家认证认可体系, 进入国家标准系列。