导航卫星地面站

导航卫星地面站（精选十篇）

导航卫星地面站 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.

导航卫星地面站 篇2

2009年4月15日零点16分,春夜中的中华大地一片静谧.长征三号丙运载火箭托举着北斗星导航系统首颗地球静止轨道卫星从大凉山深处腾空而起,在我国东南地区上空划出了一道美丽的轨迹.

作 者：陈全育  作者单位： 刊 名：太空探索 英文刊名：SPACE EXPLORATION 年，卷(期)：2009 “”(5) 分类号： 关键词： 

★ 我国环境-1 A、1B卫星成功发射

★ 导航卫星有效载荷的仿真技术研究

★ 基于图像位移的低轨卫星自主导航技术

★ 绕月探测工程的发射场系统-西昌卫星发射中心

中国遥感卫星地面站 篇3

地面站为一站两址式单位，总部位于北京市海淀区北三环西路45号，负责遥感数据的存档、处理及用户服务业务；数据接收站位于密云县金笸箩村，负责遥感数据的接收与记录。

密云接收站现有6米、10米、11米口径的三部天线和多套数据接收记录系统，能够完成全半球跟踪接收、记录遥感卫星数据，实现美国LANDSAT-5/7、法国SPOT-1/2/4/5、欧空局ERS-1/2和ENVISAT、加拿大RADARSAT-1、印度RESOURCESAT-1、以及我国CBERS-01/02卫星数据的接收和记录。目前天线均工作正常，系统运行可靠、效率高，平均每天接收13.4条轨道，每条轨道的平均接收时间大约为10～14分钟，接收时间从早晨6：00点至晚上23：00点。

目前，地面站所有存档数据均通过互联网提供24小时的不间断在线检索与查询服务，并实现了网络化数据产品服务和近实时的数据接收、处理，保证了用户可以在第一时间获取到所需的卫星数据，为及时监测提供了强有力的设施保障。自建立以来，地面站为全国用户累计提供遥感数据服务十余万次，LANDSAT数据服务量在国际上仅次于美国和欧空局，SPOT数据服务量居世界第4位。目前地面站保存的对地观测卫星数据资料达140余万景，是我国最大的多种对地观测卫星数据档案库，为国家积累和保存了唯一的、极其珍贵的空间数据历史资料。

为满足日益增长的用户对高级数据产品的需求，地面站持续大量投入，进行系列增值产品的开发研究。卫星遥感数据几何精校正和高程校正研究，通过建立地面控制点基础数据库研究和优化流程，实现了高级数据产品的系列化生产体系。而数据融合产品、按地形图自动分幅产品、高分辨率数据深加工产品等新型增值产品的开发成功，丰富了地面站增值产品的种类。

导航卫星地面站 篇4

1 地面监控系统生成卫星导航电文

对于卫星导航定位而言,GNSS卫星是一种动态己知点,后者是依据卫星发送的星历算得的。所谓“GNSS星历”,是一列描述GNSS卫星运动及其轨道的参数。它分为“广播星历”和“后处理星历”两大类。“广播星历”是由GNSS卫星通过导航电文直接向用户播发的用于实时数据处理的预报(外推)星历。例如,GPS由C/A码传送的民用星历,叫做C/A码星历;由P码传送的军用星历,叫做P码星历。“后处理星历”是一种用于测后数据处理的GNSS精密星历,它不是GNSS卫星直接播发的星历,而是由第三者提供用户的GNSS星历。例如,精度为厘米级的IGS星历(见下文所述)。

每颗GNSS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供和定期更新的。例如,GPSⅡ/ⅡA工作卫星的设计寿命是七年半,当它们入轨运行以后,卫星的“健康”状况如何,即卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,这都需要由地面设备进行监测和控制。此外,地面监控系统还有一个重要作用:保持各颗卫星处于同一时间标准,即处于GPS时间系统。这就需要在地面上设站监测各颗卫星的时间,并计算出它们的有关改正数,进而由导航电文发送给用户,以确保处于GPS时系。GPS试验卫星的地面监控系统包括设在加利福尼亚州范登堡空军基地的一个主控站。一个注入站和一个监控站,以及位于其他地方的四个监控站。但是,GPS工作卫星则采用新的地面监控系统,它包括一个主控站、三个注入站和五个监控站(如图1所示)。主控站位于美国本上科罗拉多,斯平士(Colorado Springs)的联合空间执行中心(CSOC)和位于加利福尼亚州范登堡空军基地(Vandenberg AFB California)的备用主控站;三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地上,即大西洋的阿森松(Ascension)岛、印度洋的狄哥、伽西亚(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站以外,还在夏威夷设立了一个监测站;该五个监测站也叫做空军跟踪站(Air Force Tracking Station);此外,还有美国国家地理空间情报局(National Geospatial-Intelligence Agency)的10个NGA跟踪站;美国空军卫星控制网(Air Force Satellite Control Network)的8个AFSCN遥控跟踪站。这三者的站坐标如表1所示。地面监控系统的主控站,拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备。地面监控系统的主要功能如下(如图2所示):

(1)监测GPS信号。各个监测站对飞越其上空的所有GPS卫星,进行伪距等项测量,并将其测量值发向主控站;现行的GPS全球监测网一般有三个监测站同时观测一颗GPS卫星,这有利于提高广播星历的精度。

(2)收集数据。主控站收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值,气象要素、卫星时钟和工作状态的数据,监测站自身的状态数据,以及海军水面兵器中心发来的参考星历。

(3)编算导航电文。主控站除了控制和协调各个监测站和注入站的工作以外,主要是根据所收集的数据及时地计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正、状态数据、以及信号的大气传播改正,并按一定格式编制成导航电文,传送到注入站。

(4)注入电文。对于飞越注入站上空的GPS卫星,注入站用S波段的注入信号(10cm),依序将它们的导航电文分别注入到各自的GPS卫星。

(5)诊断状态。主控站还肩负监测整个地面监控系统是否正常工作,检验注入给卫星的导航电文是否正确,监测卫星有否将导航电文发送给了用户。

(6)调度卫星。当某一颗GPS卫星偏离分配给它的轨道位置太远时,主控站能够对它进行轨道改正,将它“拉回来”;而且还能进行卫星调度,让备用卫星去取代失效的工作卫星。

(7)管控GPS用户导航定位精度。控制是否给GPS信号施加人为降低精度的SA/AS技术(详见刘基余的《GPS卫星导航定位原理与方法》一书§3.5所述)。

2 预报星历与精密星历

主控站的星历编算分成两步:第一步是编算参考星历,根据上述五个监控站在一个星期左右所观测的数据,估算GPS卫星轨道参数的初始值,以形成参考星历,其误差约为±100m;第二步编算注入星历,根据每个监测站对每颗可见GPS卫星每6秒钟所作的伪距测量和积分多普勒观测值,用联机卡尔滤波器计算参考星历的线性摄动,并以后者改正参考星历,依此改正后的参考星历(称之为GPS广播基准星历,也称OCS星历),外推出26小时轨道弧段的全部数据,称为预报星历。主控站按照一定的格式,将预报星历编制成导航电文,并发送给注入站,由后者注入到卫星。GPS工作卫星预报星历的精度,据估算径向误差约为±1m,切向误差约为±7m,法向误差约为±3m左右;这主要得益于甚长基线射电干涉测量和卫星激光测距能够精化定轨观测站的站坐标,以及双频接收机对GPS卫星的精密定轨观测。

主控站按上述程序所编算的星历,由GPS卫星发送给广大用户,称为广播星历。它的实际精度一般为1～2PPM,有时又只有3～4PPM:后续讲座还将进一步讨论广播星历的精度问题。低精度的广播星历,主要用于解算实时位置。但是,在某些高精度应用场合,广播星历的精度远不能满足GPS数据处理的需要,而要求一种精度较高的用于测后数据处理的“精密星历”。目前,除了几种用于测后数据处理的商品精密星历以外,还有下列几种形式:

(1)官方精密星历。它是国家地理空间情报局(NGA,它的前身为美国国防制图局DMA,后更名为美国国家影像制图局NIMA,现更名为NGA)、国家大地测量局(NGS)和美国航空航天局(NASA)联合测量和计算的。为此,他们采用了来自下列GPS定轨观测站的数据:地面监控系统的五个监测站,位于澳大利亚、塞舌尔、英格兰和阿根延的DMA跟踪站,位于西班牙、澳大利亚和美国力加利福尼亚州的NASA跟踪站,位于美国德克萨斯州、马萨堵塞州和佛罗里达州的VLBI (甚长基线射电干涉测量)站上的NGS跟踪站。根据这些跟踪站对GPS卫星的观测数据,计算出各颗GPS卫星的精密星历。其计算过程大体上如下述:首先对各个跟踪站的伪距观测值进行电离层效应等项改正,进而每15分钟计算一个平滑值。这些平滑值被送到计算中心,而组成一个以时间序列排列的观测值文件。积分多普勒观测值每15分钟进行一次抽样,但不进行平滑。然后,对每颗GPS卫星的资料依次进行改正和编辑,并施加下列改正:对流层效应改正,相对论效应中周期性项的改正,天线相位中心和卫星质心不一致的改正,地球固体潮导致测站高程变化的改正等。对由GPS卫星参考轨道所计算的伪距和观测值之差进行多项式拟合,进而依据拟合后的残差去剔除不合格的观测值。在上述数据编辑过程中同时可以求得卫星时钟相对于标准时钟的钟差。最后,利用改正和编辑后的数据进行多站滤波和平滑,而求解出精密星历,以及卫星时钟的钟差和频偏,地球定向参数,拟合后的残差图示和相关系数矩阵。由于上述定轨跟踪站不仅分布广阔,而且具有厘米级精度的站坐标,因此,官方精密星历的精度在1PPM以内。美国国防制图局不仅负责计算精密星历,而且向国外特许用户提供精密星历用于事后数据处理;美国国家大地测量局负责向国内用户发布精密星历。

(2) CIGNET国际定轨网。1986年9月,美国联邦地质局(USGS)和德克萨斯大学合作,用美国本土的三个跟踪站(Austin,Westford,Mojave)定轨数据计算精密星历。1987年,加拿大的Yellowkife;站、德国的Wettzell站、瑞典的Onsala站和挪威的Tromso站加入了他们的定轨观测,从而构成了一个国际性的定轨观测网,并命名为CIGNET (CooperativeInternational GPS Network)。它是专门用来测得GPS卫星的精密星历,目前已有分布在欧、亚、非、美、大洋五大州的20个跟踪站参加了CIGNET国际定轨网。

(3)全球GPS多用网。随着GPS工作卫星星座的全面建成,在全球各大洲和若干海岛上布设GPS跟踪站,就具有更大的实用价值。用它们长期和周期性的国际大会战数据,不仅可以计算特高精度的GPS卫星星历,而且可以广泛地研究全球性的地球动力学和地球物理学的问题。1991年1月22日至2月13日所观测的GIG网,就是一种具有所述作用的全球GPS多用网。实际上,它是美国喷气推进实验室(JPL)组织的一次盛况空前的全球性的地球动态参数测量大会战,叫做“地球自转和地球动力学国际首次GPS试验”(GIG 91),它的英文全称为“the First GPS IERS (International Earth Rotation Service) and Geodynamics Experiment,1991”称为GIG’91。根据初步统计,全球有124个GPS测站用下述类型的GPS信号接收机参加了这次大会战:2台rogue,23台TI-4100,22台Trimble 4000SST,8台Trimble 4000STD,11台Trimble 4000SLD,9台Min Mac 2816AT,13台Ashetech LD-ⅩⅡ,4台Ashetech MD-ⅩⅡ,5台WM-102和5台GPS Monitor Station。同年8月6日至8日,在德国波恩召开了GIG91学术讨论会,其主要议题是GPS全球大地测量学。它的主要任务是,用全球性GPS卫星定位网,测定包括海平面在内的地球动态参数;综合利用GPS、VLBI和SLR的观测数据,反演和探测地球内部结构,研究地球内部的物理特性,以及地表和岩石圈的密度,为地球物理探矿和地热调查等项工作提供依据。

在GIG’91试验成功的促进下,国际大地测量协会(IGS)决定在全球范围内建立一个IGS(International GPS Service)观测网,并成立了一个国际性的组织协调机构——国际GPS服务局,负责组织全球性的GPS跟踪观测和GPS数据处理、分析与成果生成。它的中心局设在美国喷气推进实验室(JPL),该局为用户提供包括GPS卫星精密星历在内的所有IGS信息。IGS网的近200个GPS跟踪站分布在世界各地(如图3所示),包括我国上海、武汉、拉萨和西安等四个GPS跟踪站。自1992年6月21日至9月22日进行了IGS网的第一期观测以来,一直在连续工作着。IGS网的建设目的在于研究地球自转和定向,地球构造运动和地壳形变监测,全球海平面变化,冰后期回弹,全球精密地球坐标系,并测得厘米级精度的GPS卫星星历,供各个参加观测单位和有关行业使用。IGS中心局在全球GPS跟踪站观测两个星期后,方可提供出该观测期的GPS卫星精密星历,称之为后处理IGS星历,其精度为5cm。为了获得如此高精度的GPS卫星星历,IGS实施下列措施:

ΘIGS所属的全球GPS跟踪站,对GPS卫星进行全天候24小时观测,并将所观测的GPS数据,用电话线或卫星通信或因特网发送到IGS区域数据处理中心(Regional Data Center),进而汇集到全球数据处理中心(Global Data Center)。

ΘIGS的7个数据分析中心(Analysis Center),每天从全球数据处理中心取出它的GPS数据,独立地进行GPS数据处理和分析,并将各自的分析成果,如卫星星历、卫星时钟改正参数、电离层/对流层效应信息、GPS跟踪站的站坐标及其速度以及地球自转参数等,发送到IGS综合分析中心(Analysis Center Coordinator)。其所历时间是一个多星期;即从全球数据处理中心取出它的GPS数据后的一个多星期,方能生成上述分析成果。

Θ设在加拿大的IGS综合分析中心,将7个数据分析中心的分析成果,进行综合和加权平均,进而生成IGS的最终成果。例如,具有厘米级精度的最终的GPS卫星星历,其所历时间3天左右。IGS最终成果,被发送到美国喷气推进实验室的IGS中心局。后者通过http://igscb.jpl.nasa.gov/向全球用户提供包括GPS卫星精密星历在内的所有IGS最终成果。

近年来,IGS不仅发布GPS/GLONASS卫星的在轨作业基本数据,而且发布130余个IGS跟踪观测站的大地坐标和速率精度、地球自转参数以及大气时延改正数。对于GPS用户而言,IGS最终星历,是一种易于获取而应用广泛的高精度后处理星历;此外,IGS还提供快递GPS卫星星历和预报GPS卫星星历。它们的生成时间和精度,如表2所示。此外,我国国家测绘地理信息局也发布局域性的GPS精密星历,可供中国用户使用。

3 地面监控系统更新卫星导航电文

对于大多数用户而言,一般均从GPS卫星播发的导航电文中译出轨道参数。GPS卫星的导航电文是由地面监控系统的注入站注射给GPS卫星的。当某颗GPS卫星飞越注入站上空时,它先取该颗卫星的导航电文,用10cm (S)波段的微波作载波,将导航电文注射给该颗卫星(见图4所示)。每天注射1次,每次注射14天的星历(因Block II型卫星的存储器只能存储14天的导航电文;只有Block IIA型卫星的存储器才能丰收储180天的导航电文),而存入卫星上的存储器。因此,即使地面监控系统停止注射,卫星仍能继续发送导航电文14天。但是,随着时间的流逝,预报星历的精度越来越差,例如,可使定位精度从10m降低到200m,而需要不断更新所注入的导航电文。此外,注入站还能够自动地向主控站发射信号,每分钟报告一次它的工作状态。

监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供观测数据。每个监控站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测,采集气象要素等数据。监控站是一种无人值守的数据采集中心,它在主控站的遥控下自动地采集定轨数据,并对它们进行各项改正(如电离层、对流层、天线相位中心、相对论效应等项改正),每15分钟平滑一次观测数据,依此而推算每2分钟间隔的观测值,而将它们发送给主控站。GPS试验卫星的四个监测站分别设在:加利福尼亚的范登堡空军基地;阿拉斯加的埃利门多夫空军基地、关岛的安得森空军基地、夏威夷的瓦希阿瓦。这四个监控站都设在美国本土,限制了定轨精度的提高。为了克服这种不足,GPS工作卫星采用了包括1个主控站,1个备用主控站,12个指挥和控制天线和分布在全球的16个监测站点构成的地面监控系统(详见图1所示),由位于科罗拉多州施里弗Schriever空军基地的美国空军空间司令部第二空间作战中队(2SOPS),负责GPS星座军用和民用的运行管理和卫星导航电文的更新控制,图3表示现行的GPS地面监控系统,以致GPS工作卫星的星历预报精度比GPS试验卫星的星历预报精度要提高一个数量级。近年所做的GPS卫星星历精度监测实验表明,31颗GPS卫星800天的星历最大误差平均值,其中仅PRN29号卫星为5.5m,而最小者是2m左右,如图5所示。此外,据《GPS world》期刊于2013年5月30日报道,下一代的GPS地面监控系统,不仅履行对GPS卫星的全面监控,而且还要对GLONASS卫星和Galileo卫星进行合作监控。

对于Galileo系统而言,它的监测网络是由分布在全球范围内的近30地面监测站(GSS)构成的,如图6所示。各个地面监测站用Galileo导航信号接收机监测所有在视卫星导航信号及其导航电文的质量,以及气象和其他所要求的环境信息;并将这些所监测的信息将通过一个全球性的中继通信网传输至两个Galileo控制中心(GCC),进而实施对Galileo卫星导航电文的更新。

值得注意的是,GLONASS正在改进卫星导航电文的地面控制更新。自1995年12月由24颗卫星构成的GLONASS星座运行以来,GLONASS地面监控系统的监测站仅设置在前苏联境内,而依靠对GLONASS卫星的卫星激光测距成果精化GLONASS卫星的星历。这对实时导航定位测量是不利的,难以获得较高的实时导航定位测量精度,无法与GPS抗衡。为克服这种缺点,近年来,俄罗斯已在澳大利亚、委内瑞拉、古巴和巴西等国设立了GLONASS卫星监测站。这样就可以显著提高GLONASS卫星的实时导航定位测量精度。据2014年5月的新闻报道,俄罗斯计划在全球36个国家布建50个GLONASS卫星跟踪站,全面提升GLONASS地面监控系统卫星导航电文的实时导航定位测量精度。

4 结束语

现行的GNSS卫星导航定位,是基于被动式定位原理,GNSS用户只需要接收来自GNSS卫星发送的导航定位信号,测量用户至GNSS卫星的距离,用卫星导航电文提供的动态已知点,就能够自主精确地解算出自己的7维状态参数和3维姿态参数。因此,卫星导航电文是GNSS导航的灵魂。为了确保动态已知点的所需精度,需要不断地更新发送给用户的卫星导航电文。本文以GPS地面监控系统为例,论述了对卫星导航电文的更新方法及其相关问题。卫星导航电文的更新实践表明,为了确保卫星导航电文的所需精度,需要有四、五十个地面监测站分布在全球的广阔地区,这是值得我国建设北斗地面监控网借鉴的。

参考文献

[1]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.北京:北京科学出版社,2014年1月.

[2]GPS Control Segment,http://www.gps.gov/systems/gps/control/,9 October2013.

北斗卫星导航系统及应用综述 篇5

0引言

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。北斗卫星导航系统基本信息介绍

中国在2003年完成了具有区域导航功能的北斗卫星导航试验系统，之后开始构建服务全球的北斗卫星导航系统，于2012年起向亚太大部分地区正式提供服务，并计划至2020年完成全球系统的构建。北斗卫星导航系统和美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统及欧盟伽利略定位系统一起，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

1.1 北斗卫星导航系统的定位原理

“北斗一号”卫星导航系统的定位原理与GPS系统不同,GPS采用的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的三维定位数据,而“北斗一号”卫星导航定位系统则采用主动式双向测距二维导航, 由地面中心控制系统解算供用户使用的三维定位数据。“北斗”卫星是中国“北斗”导航系统空间段组成部分,由两种基本形式的卫星组成,分别适应于GEO和MEO轨道。“北斗”导航卫星由卫星平台和有效载荷两部分组成。卫星平台由测控、数据管理、姿态与轨道控制、推进、热控、结构和供电等分系统组成。有效载荷包括导航分系统、天线分系统。GEO卫星还含有RDSS有效载荷。因此,“北斗”卫星为提供导航、通信、授时一体化业务创造了条件。“北斗”导航卫星分别在1559MH z～1610MH z、1200MH z～1300MH z两个频段各设计有两个粗码、两个精密测距码导航信号, 具有公开服务和授权服务两种服务模式[1]。

“北斗二号”导航卫星系统体制第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是: 第二代用户机可免发上行信号,不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息,而是通过直接接收卫星单程测距信号来自己定位, 系统的用户容量不受限制,并可提高用户位置隐蔽性。

图1.1北斗卫星导航定位系统定位原理图

1.2 北斗卫星导航系统的系统组成

北斗双星导航系统主要由空间部分、地面中心控制系统和用户终端3个部分组成。空间部分由轨道高度为36000km 的2颗工作卫星和1颗备用卫星组成(一个轨道平面), 其坐标分别为(80°E, 0°, 36000km)、(140°E, 0,°36000km)、(110.5°E, 0°, 36000km)。卫星不发射导航电文, 也不配备高精度的原子钟, 只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。卫星电波能覆盖地球表面42%的面积, 其覆盖的经度为100°, 纬度为N81°～ S81°。其轨道如图1.2所示。

图1.2北斗双星导航系统卫星轨道

地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢,包括1个配有电子高程图的地面中心站、地面网管中心、测轨站、测高站和数十个分布在全国各地的地面参考标校站, 主要用于对卫星定位、测轨,调整卫星运行轨道、姿态,控制卫星的丁作, 测量和收集校正导航定位参量,以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。用户终端为带有定向天线的收发器,用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求,不含定位解算处理功能。根据应用环境和功能的不同, 北斗用户机分为普通型、通信型、授时型、指挥型和多模型用户机5种,其中,指挥型用户机又可分为一级、二级、三级3个等级。时间系统和坐标系统:时间系统采用UTC(世界协调时),坐标系统采用1954年北京坐标系和1985年中国国家高程系统。未来的北斗卫星导航系统(COMPASS)将由分布在3个轨道面上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)和均匀分布在一个轨道面的5颗地球同步卫星构成。非静止轨道上,每个轨道面10颗卫星,其中1颗为备用,轨道倾角为56︒。卫星轨道半长轴约为2.7万km。1.3 北斗卫星导航系统的工作过程

地面控制中心向卫星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[2]。中心控制系统接收并解调用户发来的信号, 然后根据用户申请的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;和从中心控制系统发出询问信号,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,可以由上述两个延迟量计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,又知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。因此,中心控制系统利用数值地图可计算出用户所在点的三维坐标, 并与相关信息或通信内容发送到卫星,经卫星转发器传送给用户或收件人。

北斗卫星导航定位系统的工作步骤如下:(1)地面控制中心向2颗卫星发送询问信号;(2)卫星接收到询问信号,经卫星转发器向服务区用户播送询问信号;(3)用户响应其中1颗卫星的询问信号,并同时向2颗卫星发送回应信号;(4)卫星收到用户响应信号,经卫星转发器发送回地面控制中心;(5)地面控制中心收到用户的响应信号,解读出用户申请的服务内容;(6)地面控制中心利用数值地图计算出用户的三维坐标位置,再将相关信息或通信内容发送到卫星;(7)卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后,经卫星转发器传送给用户或收件人。北斗卫星导航系统的功能优势

北斗卫星导航系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。2.1 北斗卫星导航系统具有的三大功能

（1）快速定位：系统可为服务区内用户提供全天候、高精度、快速实时定位（可在1秒之内完成）、服务，定位精度为20～100m；

（2）短报文通信：系统用户终端具有双向数字报文通信功能，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息；

（3）精密授时：系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与CNSS之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。2.2 北斗卫星导航系统具备的优势

（1）同时具备定位与通信双重功能，无需其它通信系统支持，而GPS、GLONASS只能定位；

（2）覆盖范围较大，没有通信盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务；

（3）特别适合集团用户大范围监控与管理；

（4）独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计。它不仅能使用户知道自己的所处的位置，还可以告诉别人自己的位置所处的地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等；（5）自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用；（6）接收终端不需铺设地面基站，用户终端相对便宜。

（北斗卫星导航定位系统的潜力主要体现在定位通信综合领域上。目前仅需要定位的用户，对北斗的需要不迫切；对于既需要定位又需要把位置信息传递出去的用户，北斗卫星导航定位系统是非常有用的。）北斗卫星导航系统的应用

3.1 北斗卫星导航系统的应用范围

“北斗”卫星导航试验系统自2003年正式提供服务以来，在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象测报、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾和国家安全等诸多领域得到广泛应用，产生显著的社会效益和经济效益。特别是在南方冰冻灾害、四川汶川和青海玉树抗震救灾、北京奥运会以及上海世博会中发挥了重要作用。

1）在交通运输方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的“新疆公众交通导航监控系统”、“公路基础设施安全监控系统”以及“港口高精度实时定位调度监控系统”等应用推广工作，取得了良好的示范效果。

2）在海洋渔业方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的海洋渔业综合信息服务平台，为渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。

3）在水文监测方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的水文监测系统，实现多山地域水文测报信息的实时传输，提高灾情预报的准确性，为制订防洪抗旱调度方案提供重要的保障。

4）在气象测报方面，成功研制一系列气象测报型“北斗”终端设备，形成实用可行的系统应用解决方案，解决中国气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输问题。

5）在森林防火方面，“北斗”卫星导航试验系统成功应用于森林防火系统，其定位与短报文通信具有较好实际应用效果。

6）在通信时统方面，成功开展“北斗”双向授时应用示范，突破光纤拉远等关键技术，研制出一体化卫星授时系统。

7）在电力调度方面，成功开展基于“北斗”卫星导航试验系统的电力时间同步应用示范，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。

8）在救灾减灾方面，基于“北斗”卫星导航试验系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。

“北斗”卫星导航系统建成后将为民航、航运、铁路、金融、邮政等行业提供更高性能的定位、导航、授时和短报文通信服务。3.2 北斗卫星导航系统的应用特点

北斗卫星导航定位系统由空间卫星、地面主控站(控制中心)与标校站和用户终端设备三大部分组成, 它具有快速二维定位、双向简短报文通信和精密授时三大基本功能。该系统基于“二球交会”原理进行定位, 即以2颗卫星的已知位置坐标为圆心,各以测定的本星至用户机的距离为半径,形成2个球面,用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。地面控制中心存储的电子高程地图库提供1个以地心为球心,以球心至用户机的距离为半径的球面。求解圆弧线与该球面的交点, 并根据用户在赤道平面北侧的实际情况,即可获得用户的二维位置坐标[3]。北斗卫星导航定位系统主要应用特点如下[4-5] : 1)系统覆盖我国全部国土及周边区域

北斗系统是覆盖我国本土及其周边地区的区域性卫星导航定位系统,覆盖范围为东经70°～145°,北纬5°～55°,可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域, 在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性。2)系统定位、授时精度能满足导航定位需要

北斗系统的二维水平定位精度(1δ)为20m(不设标校站区域100m),双向授时精度20ns(单向授时精度100ns),与GPS系统的民用精度基本相当,能满足用户导航定位和授时要求。北斗系统的注册用户分为3个服务等级,对应的定位响应时延分别为:一类用户5s,二类用户2s,三类用户1s北斗系统具有单向和双向2种授时功能,根据不同的精度要求,定时传送最新授时信息给用户端,供用户完成与北斗卫星导航定位系统之间时间差的修正。3)系统双向报文通信功能应用优势明显

北斗系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信能力。系统一般用户1次可传输36个汉字,经核准的用户利用连续传送方式1次最多可传送120个汉字这种简短双向报文通信服务,可有效地满足通信信息量较小、但即时性要求却很高的各类型用户应用系统的要求。这很适合集团用户大范围监控管理和通信不发达地区数据采集传输使用。对于既需要定位信息又需要把定位信息传递出去的用户,北斗卫星导航定位系统将是非常有用的。需特别指出的是,北斗系统具备的这种双向简短通信功能,目前已广泛应用的国外卫星导航定位系统(如GPS、GLONASS系统)并不具备。

4）系统有源定位体制使用户定位的隐蔽性、实时性较差,用户容量受限

北斗系统是主动式有源双向测距二维导航系统, 在地面控制中心进行用户位置坐标解算。北斗系统的有源定位工作方式使用户定位的同时失去了无线电隐蔽性,这在军事上是不利的。另外,北斗系统对地面控制中心的依赖性大,一旦其地面中心控制系统受损,系统就不能继续工作了;用户设备必须包含发射机,因此其在体积、重量、功耗和价格方面远比GPS接收机来得大、重、耗电与贵。北斗系统从用户发出定位申请, 到收到定位结果,整个定位响应时间最快为1s，即用户终端机最快可在1s后完成定位。这1s的定位时延对飞机、导弹等高速运动的用户来说时间嫌长。北斗系统适合为车辆、船舶等慢速运动的用户提供服务。北斗系统导航定位实时性较差,对于高动态载体(如飞机、导弹等),该缺陷是显而易见的。北斗系统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。因此,北斗系统的用户设备工作容量是有限的。北斗系统可为以下用户机每小时提供54万次的服务:一类用户机(适合于单人携带使用)10000～20000个,5～10min服务一次;二类用户机(适合于车辆、舰船使用)5500个,10～60s服务一次。

“北斗”系统的上述应用特点,决定了该系统适合在中国全境范围内,在测绘、电信、水利、交通运输、勘探等使用要求相对较低的民用领域进行导航定位、报文通信和授时服务等应用。目前该系统在军事领域的应用,受到了一定的制约。3.3 北斗卫星导航系统的应用现状

北斗卫星导航定位系统运营以来,在军民用领域上发挥了重要作用,迄今为止,已为用户提供定位服务超过亿次,通信服务超过千万条,在森林防火、水利防汛、交通运输等民用、军用领域产生了显著的社会效益。所研制的黑龙江大兴安岭森林防火信息系统、澜沧江上湄公河船舶调度管理系统和郑州铁路局铁路机车到站报点系统等北斗系统应用示范工程,已取得了明显的经济效益[6-7]。

但是,北斗系统作为我国自行研制的、具有鲜明应用特点的卫星导航定位系统, 总的来说,目前的实际应用并不理想。主要表现在: 1)系统应用不充分,与世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位不相称

北斗系统工作容量可达百万户,而目前注册在线的终端用户却不足千分之一, 卫星资源闲置严重。该系统的快速定位、双向报文通信和精密授时0功能,特别是双向报文通信功能未得到充分应用,该导航定位系统在许多民用领域中的用途还未被认知。中国工程院戚发韧院士经过对北斗系统进行详实的调研后提出:中国研制成功的第一个拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统,目前在民用领域资源利用并不充分,几近闲置。他在调研报告中明确写到:北斗系统本应拥有上百万用户的能力,目前却只有几千个用户,国家投入几十亿元,但利用很不充分,造成了资源的严重浪费。北斗卫星导航定位系统目前在民用领域应用不充分、未形成产业化的现状,与该系统作为世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位很不相称。

2)用户终端设备价格偏高,在市场上无法与GPS系统形成竞争

北斗系统目前的有源定位技术体制决定了其用户终端设备需能收能发,在技术应用上有通信功能,应用优势明显,这是无可怀疑的。但这种体制也使用户终端制造成本增加,加上终端设备用户少,所以目前市场价格偏高,多数用户难以接受。用户终端设备价格昂贵的北斗系统在市场上是无法与GPS系统进行竞争的。3)用户终端设备研制开发滞后,跟不上应用需求

北斗系统用户终端设备研制开发严重滞后于系统建设。究其原因,一是用户终端设备研制起步较晚,没有做到与系统建设同步研发;二是用户终端研制难度大,没有集中力量对其重点进行攻关,各研制单位各自为战,技术上不交流,形不成合力;三是国内器件、部件生产基础差,而进口芯片价格昂贵。在2002年北斗系统开始试运行时,系统民用终端设备尚不成熟。至今国内仍有十几家单位在投入资金研制北斗用户终端,但提高性能价格比的成效并不大,有的单位甚至不得不退出研发。目前能生产北斗系统民用终端的厂商有五、六家,产品价格较高,各有优缺点。北斗系统民用终端设备生产厂商各自为战的研制生产方式,在当前用户量不大、生产批量上不去的情况下,成本下不来;而成本下不来,市场用户就上不去,形成一个恶性循环。用户终端设备生产方式存在的高成本是影响北斗系统推广应用的问题之一。

4)北斗民用市场的自由化和无序竞争,影响了北斗系统应用市场的健康发展

由于国家没有北斗系统民用开发规划和应用市场准入机制,市场完全是无序的自由竞争,一些企业单位对北斗系统市场认识和估计过于乐观,为早日抢到市场,自发投入不少资金开发北斗民用终端。到目前为止,真正获得成功、设备产品质量较好的厂家只有几个。有一些企业单位在产品技术质量还不成熟的情况下, 就急于推销自己的产品收回投资,采用低价竞争方式抢占市场,结果是实际运行故障频发用户服务又跟不上,动摇了用户选用或继续使用北斗系统的信心,增加了对北斗系统应用的怀疑情绪,影响了北斗系统健康发展和推广应用。3.4 北斗卫星导航系统应用的主要制约因素

目前, 影响、制约北斗系统在民用领域获得广泛应用的因素主要是[8] : 1)系统用户终端设备价格昂贵

前面已分析到,造成北斗系统用户终端设备价格昂贵的主要原因,一是目前系统本身所采用的有源定位技术体制,二是终端设备生产量少、关键元器件依赖进口使生产成本居高不下。关于北斗系统的技术体制改进和完善问题,已在中国第二代卫星导航系统的研制计划中基本得到了考虑。在后续分析的推动北斗系统民用产业化发展的对策与建议中,提出国家应投入资金,组织有关部门联合攻关, 解决北斗系统用户终端设备关键元器件国产化问题。2)系统应用缺乏国家政策的有力支持

北斗系统是国家花费巨资建设起来的的军、民两用区域性卫星导航定位系统。作为一个新兴产业,北斗系统要发展壮大,与国家政策的支持是分不开的。但是,我国至今缺少一个对国家安全有着重要意义的有关卫星导航定位产业的国家级政策,当然更缺少相应的管理办法和运营措施。这影响了企业和科研部门对北斗导航系统应用的投入,直接导致了用户终端产品品种少、水平低、价格贵。卫星导航应用产业已成为全球信息化产业中发展最快的产业之一,而中国的这项产业目前大多数在经营国外的产品,大量用户成为了外国产品的消费者。北斗系统应用研发与服务的企业只有寥寥几家,用户少得可怜。3)政策缺位直接导致系统应用推动乏力

北斗卫星已经升空5年,可它作为一种新技术新业务,很少有人大力去普及推广,广大用户特别是信息化人员,对其知之甚少,在各种媒体和市场上,也难以找到相关的宣传资料。很多企业和用户,甚至不知道谁是民用卫星导航产业的主管部门。北斗系统在应用系统的开发试验上,需要大量的资金投入,开发运营企业难以在资金上长久维持,用户就更做不到花费巨资,为自己建设应用小平台。没有国家资金的介入,公司的资金杯水车薪。北斗卫星导航系统与GPS功能特点的比较

1．覆盖范围：北斗卫星导航系统主要覆盖我国本土的区域性、全天候导航系统。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，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：北斗卫星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：北斗卫星导航系统为三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码已由16m提高到6m，C/A码已由25～100m提高到12m，授时精度约20ns；

5、用户容量：北斗卫星导航系统由于是主动双向测距的询问—应答系统。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，因此，北斗卫星导航系统的用户容量是有限的。GPS是单向测距系统。用户只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此，GPS的用户容量是无限的。北斗卫星导航定位系统存在的问题与不足

1．定位服务区是区域性的。不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位；

2．同时容纳的用户数量有限。北斗卫星导航系统同一时间要接收地面用户群发来的信息，用户群的个体数量是受限制的；而GPS只发信号，多少用户接收都没关系，数量可以无限；

3．无法为快速移动物体提供准确的定位服务。北斗卫星导航系统用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球同步卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此，对于高速运动体，加大了定位的误差，军事方面应用受到限制；

4．主控站位置容易暴露受攻击、干扰。北斗卫星导航系统是基于中心控制系统和卫星而进行的工作，且定位解算由中心控制系统完成，对中心控制系统依赖性强。一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作。而GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行；

5．管理复杂、层次多，容易出错。地面控制中心要同时分析处理几万到几十万的用户资料，判断密码、定位、以及返回的情报，而且这些用户单位所属各不一样，应急的级别也不一样，处理起来决不是容易的事； 6．地面用户的设备体积大、造价高。提高北斗卫星导航系统的建议

提高北斗卫星导航系统的性能，可以从以下几点着手。第一，扩大北斗卫星定轨观测网，提高广播星历精度；第二，优化北斗卫星导航电文内容，便于用户接收使用；第三，播发北斗与其他系统之间的时差信息，扩大北斗的应用市场；第四，研发北斗卫星自主导航技术，提高抗毁能力；第五，研发MEMS化北斗卫星，建设全新北斗星座。结语

导航卫星地面站 篇6

从20世纪90年代末至今, 卫星导航相关专利申请数量迅速增加。我国的卫星导航产业在近5年间才开始进行专利布局, 而国外卫星导航技术起步较早, 在专利申请量以及核心技术和应用领域的布局上具有较大优势, 这无疑会对我国卫星导航产业的发展构成威胁。

面对国内外各大导航厂商不断拓展的专利布局现状, 只有全面的、准确的摸清国内外专利技术发展的具体方向, 深入了解拥有重要专利技术的主要国家和企业, 洞悉不同地区和企业技术研发的重点, 才可能做到及时把握技术发展动向, 知己知彼, 在新的产业竞争道路上探索出一条符合国情的发展之路。

针对上述需求, 笔者所在研究团队以专利信息为切入点:检索各重点分支技术;解析主要国外申请人专利布局;筛选国外主要竞争对手的重要专利;提出相关领域专利技术布局策略。由此形成了包含接收机天线、射频前端处理模块、重点企业专利布局、导航领域专利诉讼、混合室内外定位技术、导航电子地图以及信号格式等子专题在内的卫星导航领域专利分析报告。本文作为卫星导航专利分析报告之四, 主要聚焦卫星导航混合定位领域, 通过专利信息的统计分析, 对其产业现状和技术发展路线进行梳理。

2 卫星导航混合定位技术简介

全球卫星导航系统在车载导航等民用方面的应用已日益广泛。但是, 卫星信号会受到建筑物、树木、墙和地形的遮挡, 从而在大城市的楼群间、室内、隧道或者较深的矿区等地区, 卫星信号较为微弱, 这在很大程度上影响了民用导航的准确度。

为进行高精度的定位, 将卫星导航技术与其他的定位技术 (如室内定位技术、地面网络技术等) 相结合成为大势所趋, 具有全球导航卫星系统 (GNSS) 和地面网络集成的混合定位系统正在演进为技术发展的重要策略, 并且正在成为国家实力的重要代表。

综上所述, 有必要对混合定位技术进行研究和专利分析, 从中寻找研究热点和发展趋势。

目前的混合定位技术主要有高通的GPSOne技术, 以及GPS+Wi-Fi、GPS+短距离无线通信、GPS+GPSO ne、蜂窝网络+短距离无线通信等多种组合的混合定位技术等。

3 卫星导航混合定位技术专利申请态势分析

3.1 技术发展历程

纵观混合定位技术的专利申请, 自1990年开始出现相关专利申请, 到2013年9月31日为止, 全球专利申请为2, 541项, 其中中国专利申请为971项。

全球卫星导航混合定位技术发展历程大致经历以下三个阶段:

(1) 技术萌芽期 (1990~2000年)

随着20世纪80年代GPS定位技术的发展, 仅利用单独的GPS系统执行定位, 会导致定位精度不足和应用范围过小。各大公司在1990至2000年间开始组合多种定位技术进行定位。由于处于研发起步阶段, 因此申请量较少。美国联邦通信委员会 (FCC) 1996年10月颁布的E911法令, 要求所有的蜂窝无线通信网运营商在手机用户发出紧急呼叫时, 向公共安全应答点提供该手机的号码和位置。这项法令的颁布大大促进了无线通信定位技术发展, 该技术下的专利申请量开始增长。

(2) 技术发展期 (2001~2005年)

在该时期, 许多公司在E911法令实施前抢滩圈地。不仅许多小公司纷纷提交专利, 在2001年, 高通公司所提交的GPS和移动网络混合定位技术专利申请也高达16项, 充分说明了E911法令对于推定定位技术发展的巨大作用。在此期间涉及的定位技术, 不仅有GPS与移动网络混合定位技术, 还有各种室内定位技术。

(3) 技术成熟期 (2006至今)

自2006年起, 由于前期中国联通、中国移动纷纷开始提供手机LBS业务, 中国的定位技术申请量自2006年起有了较大增长, 全球申请量也有了较大回升, 从此申请量连年快速增长, 但申请人的数量增速相对较缓, 显示出了室内外定位技术已经进入相对成熟期。

3.2 专利布局

3.2.1 全球专利布局分析

涉及混合定位技术的专利申请在全球的专利布局情况, 如图1所示。美国的专利申请量达到869项, 居卫星导航混合定位技术全球申请量之首, 占全球总量的34%, 显示出美国是该领域的最大专利布局地区;排名第二位的是中国, 专利申请量达到591项 (另有实用新型380项) , 占全球总量的23%;排名第三、四位的是韩国和日本, 专利申请量分别为196和183项, 各占全球总量的8%和7%;欧盟的专利申请量为59项, 约占全球总量的3%。可以看出, 在卫星导航混合定位技术方面, 欧美在该领域具有传统的技术优势。日韩由于定位技术的应用起步较早, 发展成熟, 申请量也不容小觑, 我国在该领域也具有一定的专利布局。

3.2.2 中国专利布局分析

在中国申请的国外申请人的主要来源国是美国、日本、韩国、芬兰和瑞典。如表1所示, 美国、日本、芬兰和瑞典在中国申请的授权率和有效率在40%以上, 而日本的授权率则高达50%左右。可见这些国家一是对中国市场比较重视;二是技术确有先进之处、撰写质量高;三是专利策略清晰, 授权范围稳定, 并注重专利池的布置和专利的保有。

在中国申请的国内主要省市的发明专利申请量、授权量和有效量的对比情况。如表2所示, 北京、上海、江苏和广东的授权率在22%左右, 深圳的授权率相对较高在33%。有效率方面, 广东最高, 为73%, 其次是深圳, 为67%, 其他三个省市有效量在47%左右。这显示出在集中了大批科研院校和生产企业的上述五个省市, 专利申请的质量比之国外公司仍有提升的空间, 但授权专利的保有方面与国外公司相差不大, 显示出了这些省市对已授权专利的重视。

3.3 主要技术构成

3.3.1 技术分支的划分及其涵义

按照主要室内外定位技术, 将卫星导航混合定位划分为10个技术分支, 各技术分支的划分及其涵义。如表3所示。

3.3.2 各技术分支全球申请年代分布

图2是上述各技术分支的全球申请量年度分布情况。可以看出, 各技术分支处于不同的发展阶段。如技术分支“GPS+蜂窝网络+其他”的申请量最多, 其从1996年开始申请量就开始明显增长, 在2008~2010年度达到最大值, 2011年申请量趋于稳定, 显示这项技术处于成熟期。而“短距无线通信”技术分支从2002年起申请量有了快速增长, 显示该技术自此时起进入了研发高峰, 显示该项技术处于快速发展期。再看“电视定位”技术分支, 其申请高峰出现在19 9 9~2 0 0 4年, 自此之后申请量迅速减少, 显示该项技术处于停滞期。

此外, 从各项技术的申请绝对数量来看, “短距无线通信”和“GPS+蜂窝网络+其他”、“无线传感器”是近期研究的技术热点, 尤其是“短距无线通信”技术, 申请增量率超过“GPS+蜂窝网络+其他”, 居于首位, 表明业界各家公司在此技术上申请和布局最多。

3.3.3 各技术分支中国申请年代分布

图3是各技术分支申请量中国年代分布图, 可以看出, 与全球不同, 中国自1996年才开始有涉及卫星导航混合定位的专利申请, 其余分布规律与全球申请量分布大体相同。除了“短距无线通信”、“无线传感器”是近期研究的技术热点外, “伪卫星”技术和“蜂窝网络+其他”的专利申请也持续增加且数量, 显示出我国研发机构对这两项技术仍保有研发热情。

(未完待续)

摘要：集成全球导航卫星系统 (GNSS) 和地面网络的卫星导航混合定位技术是定位技术发展的重要分支。本文以大量精确的数据统计为基础, 全面呈现了全球及国内卫星导航混合定位专利申请的态势、申请人特点及技术分支分布, 并以专利信息为切入点, 对其产业现状和技术发展路线进行梳理。

卫星地面站雷电防护探索 篇7

1卫星地面站雷电防护需求

卫星地面站是卫星系统的重要组成部分, 包括天线分系统、发射分系统、接收分系统、伺服跟踪分系统、监控分系统、电源分系统等, 承担着卫星测控, 卫星数据接收与处理等任务, 设备昂贵, 结构复杂, 对设备安全性、可靠性以及星、地传输的数据质量要求高。为了满足天线接收仰角的技术指标要求, 天线场通常建设在地势较高, 视野开阔的地方, 天线口径从几米到几百米不等, 如德国的波恩天线直径100米, 竖起近40层楼高, 美国设在波多黎各的对天观测球面天线直径达到305米, 我国的卫星地面站天线直径多数在几米到几十米之间, 这些高达建筑极易受到雷击损害, 从近年来的地面站工作实践来看, 地面站建筑、设备因雷击造成损害的事件时有发生, 因此, 在地面站选址、天线场建设、设备安装中, 必须进行建筑防雷、电源防雷、设备防雷需求论证, 采取可靠的雷电防护措施, 提高地面站建筑防雷、电源防雷以及设备防雷的能力, 确保卫星地面接收测控系统稳定工作。

2雷电造成卫星地面站损害的原因

2.1雷电的概念

雷电学名闪电, 是大气中发生的超长、超强的火花放电现象, 按发生的部位可分为云内放电、云际放电和云地放电, 云地放电也称地闪, 对地面站建筑、设备影响最大。雷电传播服从电磁波传播规律, 雷电在导线中以波的形式传播, 在空气中以电磁波的形式传播, 雷电危害主要表现在热效应、冲击波效应、电磁效应、电动力效应、过电压侵入等几个方面, 遭到雷击的建筑物、电子设备可能会发生热熔、结构破坏、燃烧、电力设备绝缘损坏等严重后果。

2.2雷电电磁脉冲及其危害

雷电电磁脉冲是地闪回击过程中产生的瞬时电磁场和强大的雷电流, 雷电流能在流经路径周围产生暂态强磁场, 从而导致磁场中的导体产生感应过电压, 地面站建筑物内敷设有各类电源线、信号线、金属管道, 当建筑物遭受雷击时, 雷电流会在这些电缆、管道构成的回路感应出过电压和过电流, 导致设备接口损坏, 同时, 雷电电磁脉冲通过直接辐射或通过电源线、信号线、地线传导方式进入电子设备产生干扰。

2.3静电感应及其危害

当地面站上空有雷云出现时, 雷云下面的地面及建筑物会因静电感应而带上相反的电荷, 从雷云出现到发生雷击所需时间相对于主放电过程的时间要长得多, 建筑物充分积累电荷, 当雷击发生后, 局部感应电荷不能在同样短的时间内消失, 形成局部高电压, 这种感应电压对接地不良的电子设备危害极大。

2.4电动力效应及其危害

当地面站受到雷击时, 雷电回击电流产生的强大磁场能使附近的通电导体受到力的作用, 被称作电动力效应, 当该作用力超过导体的机械强度时, 可将其拉断, 因此, 在安装避雷针引下线、屏蔽套管等可能流过大电流的导体时, 应特别注意布线方式, 避免出现直角或锐角转弯。

3卫星地面站雷电防护措施

3.1建筑物雷电防护措施

卫星地面站根据其规模大小和任务需求, 通常建有一副或多副天线构成的天线场, 由于天线主体结构高, 因此最容易受到雷击损害, 现在常用的做法是在天线周围适当位置, 安装两座高于天线的避雷铁塔, 铁塔顶部安装有接闪杆, 避雷塔通过引下线与地网相连, 这种避雷方式能起到较好的避雷效果, 对于静止轨道卫星的地面接收测控天线尤其适用, 对于低轨道卫星来说, 由于天线跟踪卫星过程中旋转范围较大, 当天线转向避雷塔时, 避雷塔存在遮挡天线问题, 在指标允许范围内仍然可以使用, 最好的方法是把接闪器设计安装在天线体上, 可解决遮挡问题。地面站机房和其他建筑物防雷, 可采用在建筑物顶部安装避雷带或避雷网方式, 并且在建筑物两侧对称安装数根引下线与地网连接, 建筑物顶部的金属突出物如旗杆、射灯、金属爬梯等要与避雷网连成电气通路。地网是整个建筑物的接地体, 用作把雷电流泄放入大地, 地网由一些垂直接地体和水平接地体组成, 接地电阻要符合设计指标要求, 通常在10欧姆以内。为防止因电位分布不均, 导致金属部件和各系统之间存在电位差, 在发生雷击时, 设备因为地电位反击造成损坏, 必须把防雷地、保护地、工作地进行联合接地处理, 等电位连接。

3.2电源防雷和接地措施

地面站供电系统由高压配电柜、变压器、低压配电柜、UPS配电柜、各机房配电柜组成, 由于地面站防雷指标要求高, 应采用三级避雷方式, 第一级避雷器安装在10KV变压器输入端, 第二级避雷器安装在低压配电柜输入端, 第三级避雷器安装在机房配电柜输入端, 为防止避雷器故障影响供电, 电源避雷器应采用并联安装方式。接地是指把地面站设备与地球进行电气连接, 使设备对地保持较低的电位差, 分为工作接地、保护接地、防雷接地、静电接地, 防雷接地可以起到防止雷电流, 静电感应高电压造成损害的作用, 为达到防雷减灾效果, 地面站技术人员要定期对接地电阻进行测试, 当阻值不符合要求时, 要及时检修接地设备。

3.3电磁脉冲防护措施

地面站电子设备精度高、灵敏度高、可靠性要求高, 但耐压性能低, 供电电压波动会导致设备损坏, 计算机设备电压浮动值要求在±5V以内, 当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.07G时, 就会引起计算机误动作, 当磁场强度超过2.4G时, 就会造成计算机永久性损坏, 针对雷电电磁脉冲辐射干扰和传导干扰的特点, 最有效的方法就是采取电磁屏蔽措施, 机房建筑屏蔽可利用建筑物的钢筋和金属结构连接成一体化的法拉第笼, 并与地网可靠连接, 信号线、电力电缆应选用带金属屏蔽层的产品, 室外线路应穿金属管埋地敷设。天线接收的射频信号通常经过波导或同轴电缆传输至机房信道设备, 在雷暴天气, 信号传输质量会受到雷电电磁脉冲的干扰, 提高接收数据的误码率, 为提高传输线路防范雷电电磁干扰的能力, 建议在室内、外增加光收、发设备, 采取光缆传输方式将天线接收的射频信号传输至机房设备。

本文从地面站防雷需求入手, 分析了雷电对地面站建筑和设备造成危害的原因, 提出并解决了地面站雷电防护的技术问题。地面站雷电防护是一项长期而复杂的任务, 必须按照国家规定的雷击分级要求和建筑物防雷工程施工与质量验收规范要求, 采用综合防雷技术措施, 并且定期进行防雷装置检测, 根据国家雷电监测预报信息, 及时开展雷电防护工作。

摘要：本文提出了卫星地面站雷电防护需求, 分析了雷电造成危害的原因, 探索了雷电防护措施。

关键词：地面站,雷电,防护措施

参考文献

[1]高学浩, 金良, 等.雷电防护技术及其应用[M].北京:气象出版社, 2015.

[2]周志敏, 纪爱华.现代防雷实用技术[M].北京:电子工业出版社, 2015.

[3]刘裕城, 韩志强.通信防雷技术手册[J].人民邮电出版社, 2015.

导航卫星地面站 篇8

1 北斗卫星导航系统服务

北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务, 包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务, 定位精度10 m, 测速精度0.2 m/s, 授时精度10 ns。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户, 提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。2011年12月27日起, 开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。中国以后生产定位服务设备的产商, 都将会提供对GPS和北斗系统的支持, 会提高定位的精确度。根据系统建设总体规划, 2012年左右, 系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力;2020年左右, 建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

2 北斗卫星导航系统特色

北斗导航终端与GPS、“伽利略”和“格洛纳斯”相比, 优势在于短信服务和导航结合, 增加了通讯功能;北斗系统用户终端具有双向报文通信功能, 可以达到一次传送多达120个汉字的信息。向全世界提供的服务都是免费的, 在提供无源定位导航和授时等服务时, 用户数量没有限制, 且与GPS兼容;北斗的用户终端实际是具有收发功能, 而GPS只具有接收功能, 它通过接收才知道位置, 而北斗是具有收发功能, 它的定位需要发射然后再得到位置, 同时它的位置可能传给你也可以传给关心你的人, 实际上北斗是具有一个定位和通信双重功能的设备。特别适合集团用户大范围监控与管理, 以及无依托地区数据采集用户数据传输应用。

3 其它三种导航系统简介

3.1 GPS

GPS是英文Global Positioning System (全球定位系统) 的简称。该系统包括太空中的24颗GPS卫星;地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机[3]。

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点, 是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进, 硬、软件的不断完善, 应用领域正在不断地开拓, 目前已遍及国民经济各种部门, 并开始逐步深入人们的日常生活。

3.2 伽利略

伽利略定位系统 (Galileo Positioning System) , 是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统。伽利略系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统, 投入运行后, 全球的用户将使用多制式的接收机, 获得更多的导航定位卫星的信号。

伽利略系统可以发送实时的高精度定位信息, 这是现有的卫星导航系统所没有的, 同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服务, 如果失败也能在几秒钟内通知客户。伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统, 因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。

3.3 格洛纳斯

格洛纳斯GL O N AS是“GL O B AL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。最早开发于苏联时期, 后由俄罗斯继续该计划。格洛纳斯的正式组网比GPS还早, 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。该系统在轨卫星群已有28颗卫星, 达到了设计水平[1]。随着地面设施的发展, 格洛纳斯系统预计将在2015年完全建成。届时, 其定位和导航误差范围将从目前的5~6 m缩小为1 m左右, 就精度而言该系统将处于全球领先地位。

4 未来发展

4.1 GPS独占鳌头

捷足先登是成功的第一步, GPS在这方面遥遥领先。GPS具有性能好、精度高、应用广的特点, 是迄今最好的导航定位系统。GPS能覆盖全球, 用户数量不受限制。其所发射的信号编码有精码与粗码。精码保密, 主要提供给本国和盟国的军事用户使用;粗码提供给本国民用和全世界使用。GPS系统能够连续、适时、隐蔽地定位, 用户不发射任何电磁信号, 只要接受卫星导航信号即可定位, 所以可全天候昼夜作业, 隐蔽性好。目前看, 还没有哪个系统能挑战GPS的霸主地位。

4.2 GLONASS不甘落后

随着俄罗斯经济的好转, 政府在政策和资金方面给予了GLONASS充分的支持。同时, 俄罗斯还要与各国开展广泛的军事政治合作和军事技术合作, 与欧盟、印度等国签署格洛纳斯卫星导航系统的使用协定, 把俄罗斯的卫星信号传播到世界各地, 争取与美国的GPS信号“平分秋色”。这是当前俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统的一个主要发展方向。

4.3 伽利略一波三折

伽利略卫星导航定位系统的建立原计划于2007年底之前完成, 2008年投入使用, 后因资金等问题推迟。2010年1月7日, 欧盟委员会称, 欧盟的伽利略定位系统将从2014年起投入运营。但是从目前来看, 伽利略卫星导航定位系统的发展仍然非常缓慢。

北斗二号横空出世, 不仅使欧洲伽利略系统准备与美国GPS一争高下的愿望大打折扣, 也冲淡了伽利略未来的市场前景。按照国际电信联盟通用的程序, 中国已经向该组织通报了准备使用的卫星发射频率, 这一频率正好是欧洲“伽利略”系统准备用于“公共管理服务”的频率。按照“谁先使用谁先得”的国际法原则, 中国和欧盟成了此频率的竞争者。然而, 中国在2009年发射三颗“北斗”二代卫星, 正式启用该频率, 而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐, 从而失去对频率的所有权。

4.4 北斗迎头赶上

我国卫星导航定位系统相对美、俄起步晚, 研究力量相对薄弱, 需要下大力气缩短这方面差距, 支撑北斗系统可持续发展。目前北斗卫星设计已经达到国外导航卫星水平, 在未来发展中要不断自主创新, 争取在国际导航卫星研制领域处于领先地位。兼容互操作是全球卫星导航定位系统主要供应商达成的共识, 我们也要致力于推进全球卫星导航定位系统兼容互操作进程。

面向未来, 卫星导航系统需要持续的发展建设, 以满足用户更高的使用要求, 需要国家持续的经费投入、人才培养、产业推广, 以确保我国北斗卫星导航系统在未来发展与国际竞争中处于不败之地。

摘要：本文主要介绍了北斗、GPS、伽利略、格洛纳斯四种卫星导航系统的各自特点及主要应用。

关键词：GNSS,GPS,北斗,伽利略,格洛纳斯

参考文献

[1]柴霖.GLONASS的最新进展及可用性分析[J].电讯技术, 2007 (4) .

[2]刘基余.GNSS全球导航卫星系统的新发展[J].遥测遥控, 2010 (2) .

卫星地面站设备的安装、调试与维护 篇9

关键词：卫星地面站,设备安装,调试与维护

1 站址的选择

在建立卫星地面站时, 站址的选择十分重要, 这直接关系到以后卫星地面站的正常运行及后期的维护工作, 所以在建立卫星地面站之前要做好前期的选址工作, 下面就在选址过程中应注意的一些问题进行相关的说明。

(1) 站址宜选市郊的平坦地面, 避免城市的各种工业和电磁干扰。

(2) 站址要避开微波线路、高压线、飞机场、雷达站等干扰源。

(3) 接收前方视野开阔, 无任何阻挡。

(4) 选址要考虑当地的地质、气象、交通、供电、供水等情况。

2 天线、避雷针及接地的安装要求

(1) 天线的安装:对于大多数卫星电视接收站来说天线口径比较小, 天线对卫星的指向精度要求不是特别高, 一般不用进行天线的自动跟踪, 所以对天线底座的要求不高, 一般不用做天线底座的基础工程。但是对于卫星电视上行站来说, 天线对卫星的指向精度要求比较高, 由于卫星自身存在漂移, 所以要求天线要时时的进行跟踪, 以保证指向精度, 对于这种进行自动跟踪的天线, 对天线的基础要求就比较高, 需要比较牢固的天线底座, 以保证天线安装之后能够牢固稳定的进行自动跟踪, 所以必须做好天线底座的基础工程。

(2) 避雷针的安装:卫星电视接收设备中的微波器件, 易受电磁场的干扰, 特别是场效应晶体管元件更易受电磁场干扰, 特别怕雷击, 因此安装避雷针十分必要, 尤其是南方地区更不能忽视, 必须将卫星接收站置于避雷针的保护范围内, 有滚雷出现的地方, 地面站周围还要架铁丝网, 并把铁丝网与避雷针连在一起。为防止雷由可能通过电网进入设备, 在进入室内的电网上, 同样要安装避雷装置, 避雷针和避雷装置由用户配备。

(3) 接地线的安装:接地线的作用: (1) 将所有室内外设备置于同一地电位上, 避免各设备之间出现电位差, 防止高频干扰、交流电源干扰; (2) 仪器接地良好, 能很好防止雷击。接地线必须在天线座后1m左右地区内, 铜板深埋于地下2m~3m, 铜板的尺寸应大于500mm (长) ×300mm×5mm (厚) , 同时在埋泥土时, 铜板周围洒上浓食盐水, 铜板引出地面的线分别接天线座底部和室内墙壁边沿。引线仍用铜皮, 铜皮的尺寸不小于30mm (宽) ×3 (厚) mm, 其长度是天线到工作间的距离。

3 接收设备的安装

(1) 低噪声放大器的安装:安装低噪声放大器时, 将低噪声放大器波导口与馈源的圆矩过渡对接, 长边对长边、短边对短边, 用螺钉紧固, 波导接口对接的好坏, 直接影响接收的效果。

(2) 低噪声放大器与下变频器的安装:对于接收要求不是很高的接收站来说, 一般只要安装一个高频头即LNB即可, 但对于信号质量要求比较高的接收站来说, 需要低噪声放大器即LNA和下变频器配合工作, 以保证接收信号的质量。在安装设备时要连接牢靠稳定, 否则会影响信号的质量。

(3) 接收机的安装:在安装接收机前, 先在输入电缆芯线与外皮之间测量电阻值, 电阻超过1MΩ以上均为正常, 否则应视为电缆有局部或全部短路现象, 应重装电缆。电缆连接正常后, 将电缆接入接收机中频输入插座, 并将视频声音分别接入监视器、中频调制器 (或录像机) 。如果接收机电源是220V, 可直接插入220电源板。当接收机只允许110V时, 用户需备有220/110交流稳压器或其他形式的电源变换器。

注意:除室外设备的电缆插头座外, 调试完毕后需要加灌保护胶, 以防腐、防雨、防松动。

4 设备的调试

调试的主要步骤如下。

(1) 认真复查卫星地面接收站全部设备的安装情况。

(2) 根据地面站天线仰角和方位角的计算结果调天线方向。

(1) 在调整天线方位时, 要用真北作参考点。磁偏角可在当地测绘部门查得。

(2) 仰角和方位角的调整。平面α与天线口径平行, 从量角器中心O点用细线悬挂一金属重物, 细线与量角器直线边之间的夹角EL即为接收天线的仰角。

再根据找到的真北确定天线的方位角AZ, AZ<0时, 将天线从正南向东转, AZ>0时, 将天线从正南向西转。

(3) 卫星接收天线焦距的调试。

按公式F=R2进行计算, F为焦距, 是抛物面天线中心顶点与平行电磁波反射汇聚的焦点之间的距离, R为抛物面天线口面的半径, H为抛物面天线的深度。调整二次反射体 (后馈) 或前馈馈源上的3根支撑杆来确定焦距。

(4) 馈源极化方向的调整。

在馈源喇叭之后接有90°销钉移相器和圆矩波导变换器。移相销钉所在的平面为移相面, 与移相面平行的电场分量E1通过移相器后被滞后90°, 与移相面垂直的电场分量E2通过移相器后没有被移相, 这样就把圆极化波变成线极化波。调整移相面与馈源矩形波导输出口的相对位置关系, 就可完成极化转换。

(5) 极化角的调整。

根据计算的俯仰角和方位角粗调接收天线的指向和馈源极化方向, 再根据极化角的计算值, 进行极化角的粗调。极化角调整方向的示意图, 根据理论计算有3种情况。

(1) αp>0, 此时接收天线的方位角为南偏东, 前馈移相面顺时针旋转αp, 后馈移相面逆时针旋转αp。

(2) αp=0, 此时接收站与卫星处于同一经度, 前馈和后馈的移相面不需要调整。

(3) αp<0, 此时接收天线的方位角为南偏西, 前馈移相面逆时针旋转αp, 后馈移相面顺时针旋转αp。

(6) 连通室外和室内设备, 利用卫星接收机和监视器接收卫星电视信号, 细调接收天线的俯仰角、方位角和极化角, 使接收信号强度最大, 卫星电视图像清晰、伴音悦耳。

(7) 利用自动跟踪系统和人工电动系统精确调整天线方向, 使接收信号最强, 广播节目质量最好。

(8) 锁定其调整机构, 并做好刻度标记。

5 指标的测试

(1) 测试仪器及链路。

(1) 数字视频信号发生器——产生符合MPEG-2标准的测试信号和活动图像。 (2) 音频信号发生器。 (3) 录像机。 (4) 卫星上行链路和下行链路。 (5) IRD综合接收解码器。 (6) 频谱分析仪、音频分析仪、视频分析仪、视频监视器、波形监视器等, 根据测试项目接入相关的仪器。

(2) 测试项目。

(1) 音频指标

音频指标包括频率响应、失真、S/N值、左右声道的电平差、相位差以及串扰, 这些指标均可在IRD的音频输出端利用音频分析仪进行测量。

(2) 视频指标。

利用数字视频信号发生器和视频分析仪进行测量, 注意终接75Ω电阻。测量视频输出幅度、行同步幅度和色同步幅度, 送1VP-P带白条的测试信号;测量幅频特性, 送多波群信号或sin X/X信号;测量K因子, 送2T脉冲信号;测量亮度非线性失真, 送阶梯波信号;测量DG、DP, 送彩色副载波阶梯信号;测量色度亮度增益差ΔK, 送20T脉冲信号;测量色度/亮度延时差, 送20T脉冲信号;测量S/N, 送50%平场信号;测量行同步前沿抖动, 送带同步的视频信号。

(3) Eb/N0的测量。

利用频谱分析仪测量C/N值, 根据公式计算:Eb/N0=C/N-10 lg Rb

式中:Rb为数字信号比特率 (净码率) 。

6 设备的维护

(1) 卫星地面接收站。

卫星接收站的设备并不复杂, 维护相对比较简单, 下面就几个普遍性问题及注意事项进行相应的说明。

(1) 卫星的轨道位置保持精度很高, 因此7m以下的卫星接收站都不需对卫星进行自动跟踪, 天线指向一次调准后, 即可锁定其调整机构, 并用漆做好刻度标记, 以便日后检查。

(2) 记录卫星接收机的频道开关及微调钮位置, 在接收站正在转播卫星电视节目时严禁扳动频道开关, 若接收图像质量不好, 允许调节一下频率微调钮 (内部装AFC电路的接收机, 频率已自动调整后, 不再需人工调节) 。

(3) 观察并记录接收电平指示电表的读数、每天早晨卫星电视节目彩色电视广播测试图 (或彩条时) , 查看彩条上是否出现JND脉冲杂波或有所增大, 它有助于判断C/N是否出现下降现象。前已指出, JND与接收机频率调谐是否正确有关, 必要时, 需把AFC开关置于“断”的位置, 人工调节频率微调钮, 查看JND脉冲杂波的变化 (JND动态门限) 。

(4) 保护好天线各部件, 防止变形、生锈或腐蚀, 保护好天线的调整机构, 应按工厂要求, 在有关部位注入规定的机油并防止灰土进入。在天线寿命期间, 要保持调整机构的调整灵活及锁定牢固, 因为在日常运行中有时需微调天线指向。

(5) 馈源口和抛物面表面积水、积雪、结冰都会影响接收的信号功率, 使C/N下降, 图像杂波增加, 应及时清除。馈源口必须有密封罩, 防止雨水和泥沙进入波导内, 其他受雨淋的接口处如法兰盘连接处、电缆插头座也需注意防水。

(6) 所有的卫星接收站, 在春分前及秋分后数天, 均会有日凌现象出现, 日凌是自然现象, 是无法避免的, 并且日凌只对接收信号有影响, 所以在发生日凌时要记录日期和时间, 为判断下年发生的时间提供参考。

(7) 接收天线为前馈型的接收站, LNB不仅暴露在阳光下, 且位于抛物面天线焦点附近, 在炎热的夏天和春、秋分发生太阳干扰时刻, 太阳热能使LNB外壳温度升高, 若发现外壳温度超过规定的工作温度, 则必须采取措施, 如在LNB外部增加防护罩等, 同时也应经常检查馈源的密封情况。

(8) 天线接地要良好, 站址选在高山上的卫星接收站, 必须采用安全可靠的避雷措施, 包括避雷针、良好的地线系统、供电系统的避雷装置等, 并定期检查。

(9) 所有高频、中频、视频电缆的连接要注意阻抗匹配问题, 电缆终端要加终接电阻, 不允许开路。在使用功分器时要注意, 如果功分器的某个输出口没有使用, 则需相应的加终接电阻, 防止空载造成阻抗不匹配。

(2) 卫星地面上行站。

(1) 对引接电路 (微波、光缆) 设备要精心维护, 发端与收端的维护人员要密切配合, 定期测试引接电路各项技术指标, 确保传输质量。

(2) 保证中频调制器、均衡器的进出风通畅, 并测试中频输出电平、中频输出频率等技术指标。

(3) 巡机时检查上变频器的冷却风扇工作是否正常, 定期为上变频器进出风道除尘。

(4) 定期检查高功放内部清洁情况;各接头、接线、焊接情况;波导管有无裂缝、变形, 法兰盘的连接与密封情况是否正常;机柜风扇和速调管腔体冷却风扇、收集极风机运行是否正常;定期测试高功放额定输出功率、增益等技术指标。

7 结语

导航卫星地面站 篇10

多星座卫星导航系统的组合导航较单一的卫星导航系统性能优势明显, 可极大地增强卫星的可用性, 提高导航定位的连续性, 实现了卫星误差补偿优势等[2], 而且兼容互操作是全球卫星导航系统主要供应商达成的共识, 我国也致力推进北斗与其他GNSS兼容与互操作。为此, 本文针对单一卫星导航定位系统存在的不足, 结合Bei Dou、GPS、GLO-NASS和GALLIEO四大卫星导航定位系统的发展情况及未来规划, 对其组合导航问题进行了探讨, 将各系统的时空基准统一, 并通过最小二乘法来解算用户位置。

1 卫星导航定位系统的现状及发展规划简介

未来的10年将会是全球卫星导航系统GNSS发展的井喷时期, 限于各国建设现状及发展规划的不同, 下面简要介绍四大全球卫星导航系统:

1) 我国的Bei Dou系统方面:我国的Bei Dou卫星导航系统已完成系统建设“三步走”中的第二步 (2012年形成区域无源服务能力, 在轨卫星16颗) , 下一步, 将在2020年左右形成北斗卫星导航系统全球无源服务能力, 届时空间段由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星星座组成;地面段由主控站、上行注入站和监测站组成;用户段由北斗用户终端以及与其他GNSS兼容的终端组成;

2) GPS系统方面, 现阶段实际已有32颗运作卫星, 并在原有的架构下继续升级和改进, 计划在未来年内, 发射36颗BLOCKⅢ型卫星取代现有的二代卫星及过渡卫星, 当前美国积极开展的GPSⅢ项目, 据称启用后, 其定位精度与抗干扰能力较现有的GPS系统将分别提高3倍和8倍;

3) GLONASS系统方面, 俄罗斯正在继续完善卫星星座, 目前, 有24颗卫星正常工作、3颗维修中、3颗备用、1颗测试中, 并计划发展第三代GLONASS-K卫星;

4) GALLIEO系统方面:GALLIEO系统已进入级网阶段, 目前已发射4颗正式的卫星, 欧盟希望在2019年完成全部30颗卫星的发射。但由于受多个国家政策和利益的制约, 特别是受美国的影响极大, 政策具有摇摆性、“伽利略计划”本身的独立性值得怀疑, 未来如何发展现在还看不清楚。

2 组合导航系统的时空统一

Bei Dou、GPS、GLONASS和GALLIEO的时间都自成系统, 使用不同的时间基准, 但它们可通过一定的转换关系进行转换。各导航系统都有卫星时和协调世界时 (UTC) , 可通过先将卫星时转换为系统时, 然后再转换为协调时 (UTC) 的方法来实现统一[3]。

GPS时间系统 (GPST) 规定于1980年1月6日0时 (UTC) 一致。其后随着时间的积累, 两者将有秒的整倍数差别, 同时与国际原子时 (ATI) 有一常量偏差。

北斗时 (BDT) 溯源到协调世界时UTC, 与UTC的时间偏差小于100ns。BDT的起算历元时间是2006年1月1日零时零分零秒 (UTC) 。

由式 (1) 、式 (2) 可得BDT与GPST之间的转换关系为:

GLONASS时间系统 (GLONASST) 是以俄罗斯维持的协调世界时UTC (SU) 作为时间度量基准, 由于有闰秒改正, 所以, GLONASST与UTC之间不存在整秒差, 但存在3h的恒定差:

由式 (1) 、式 (4) 可得GLONASST与GPST之间的转换关系为:

GALLIEO时间系统 (GST) 由其地面段实时监控GST与GPST的时间差异, 并会在GALLIEO导航电文中播报给用户。与其同时, BDT与GPST和GST的互操作在Bei Dou设计时间系统时已经考虑, 它们之间的时差将会被监测和发播。

3 组合导航系统的坐标转换及统一

Bei Dou坐标系统 (CGCS2000) 、GPS坐标系统 (WGS-84) 、GLONASS坐标系统 (PZ-90) 和GALLIEO坐标系统 (GTRF) 的定义、基本参数及有关各坐标系统的相互转换, 很多的文献资料中已给出了详细的论述及推导过程, 这里不再赘述, 一般常用的是布尔莎七参数转换模型, 下面直接列出转换公式[4]。

式中:△X、△Y、△Z为三个平移参数;εx、εy、εz为三个旋转参数;m为尺度比变化参数。

值得注意的是, 对精度要求不高的用户而言, 可以认为CGCS2000坐标系、WGS-84坐标系和GTRF坐标系同属一个坐标系, 但对高精度的用户而言, 就必须考虑它们的差异。由于WGS-84坐标系和PZ-90坐标系差异较大, 实际使用中, 建议采用俄罗斯MCC (1997) 提出的转换公式:

该转换公式被认为是目前最精确的坐标转换公式, 并已广泛应用于GPS/GLONASS组合型接收机[5]。

4 组合导航用户位置计算

4个导航系统组合导航定位时, 先进行时空统一, 即将各导航系统全部统一到GPS系统的时空坐标系中, 故伪距观测方程如下:

式中, ρiGPS, ρjCOM, ρmGLO, ρnGAL分别表示GPS、Bei D-ou、GLONASS、GALLIEO参与解算的卫星与用户的伪距;

(xiGPS, yiGPS, ziGPS) , (xjCOM, yjCOM, zjCOM) , (xmGLO, ymGLO, zmGLO) , (xnGAL, ynGAL, znGAL) 为参与解算的卫星位置; (xu, yu, zu) 为用户位置;c△tGPS, c△tCOM, c△tGLO, c△tGAL为用户与各导航系统的钟差引起的距离偏差。

将上述观测方程统一成如下形式:

ρab为测量的伪距, a为导航系统类型, b为导航系统中的相应导航卫星, (xu, yu, zu) 为用户实际位置, (xab, yab, zab) 为相应卫星位置。

观测方程 (9) 解算时, 先线性化处理, 后用迭代法求解。在 (x0, y0, z0) 处进行泰勒级数展开, 并取一次近似表达式, 则有[7]:

用矩阵形式表示 (10) 式, 则有:

由 (11) 式可知, 其中包含了△x, △y, △z, c△tGPS, c△tCOM, c△tGLO, c△tGAL7个求知数。所以, 至少同时观测7颗以上导航卫星时, 且每个系统都需有可见星。用最小二乘法求解, 并逐次迭代, 直至达到用户精度要求。

如当观测到GPS卫星k颗, Bei Dou卫星l颗, GLONASS卫星s颗, GALLIEO卫星p颗时, 用最小二乘求解, 则有:

求解上式可得:

最后解算出的用户位置为:

5 结束语

Bei Dou、GPS、GLONASS、GALLIEO四大卫星导航系统的全部建成和投入运营后, 卫星覆盖率将极大增强 (可达100颗卫星以上) , 由于多星座在提高导航定位的连续性, 增强可用性, 易探测和诊断某类卫星信号的故障和随机干扰, 提高导航系统的抗干扰能力等方面有极大的优势, 使得多星座组合导航系统的研究更具有实用价值。简要介绍了全球卫星导航系统最新发展情况, 针对单一卫星导航定位系统存在的不足, 多星座卫星导航系统的组合导航已成必然趋势的实际, 着重就组合导航系统的时空基准统一、坐标系统转换和统一、以及用户导航位置计算进行了探讨。

参考文献

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