卫星导航应用人才（精选9篇）
卫星导航应用人才 第1篇
北斗二代卫星概述
“北斗”二代卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统, 2012年10月25日, 西昌卫星发射中心成功将第16颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨道, 成功覆盖中国及其周边地区, 使中国成为世界上第三个拥有卫星导航定位系统的国家。
北斗二代卫星可实现全球的定位与导航。“北斗第二代导航卫星网”将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成, 提供开放服务和授权服务两种服务方式。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务;授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
北斗二代卫星作用及应用前景
“北斗”二代卫星导航系统的成功发射及运营, 不仅解决了我国没有自主导航系统的问题, 同时与其他卫星导航系统相比, 它更具有独特的优势和广阔的应用前景。
⊙它同时具有定位和通信功能, 不需要其他通信系
统的支持。
⊙覆盖范围大, 没有通信盲区。“北斗”系统覆盖了
中国及周边地区, 不仅可以为中国, 也可以为周边地区提供服务。
⊙适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户
数据传输应用。
⊙融合“北斗”导航定位系统和卫星增强系统两大资
源, 因此也可利用GPS使之应用更加丰富。⊙自主系统, 安全、可靠、稳定, 保密性强。
1.北斗二代卫星民用前景
(1) “北斗”二代卫星导航系统与手机网络结合。随着中国“3G”手机的兴起, 用手机代替传统的卫星导航系统接收器, 将更能普及“北斗”二代卫星导航的使用, 也使人们的生活更方便。
(2) 自主知识产权的大飞机可以和“北斗”二代卫星导航系统进行技术联合, 推进我国两大新兴科技项目的优势互补, 打破民航依赖GPS的历史, 促进中国空中交通管理系统的发展。
(3) 促进我国数字地球的建立。数字地球技术主要包括地理信息系统 (GIS) 、遥感 (RS) 和全球定位系统等技术。在当前我国的地理信息系统技术和遥感技术相对成熟的情形下, “北斗”二代卫星导航系统的成功将成为我国建立数字地球的关键所在。
2.北斗二代卫星军用前景
军用通信卫星按用途可分为战略通信卫星和战术通信卫星, 前者提供全球性的战略指挥、控制、通信和情报传输, 其中包括传输各种侦察卫星所获得的信息;后者则提供地区性军事信息的传输, 如军用飞机、舰船、车辆, 乃至小分队或单兵背负终端的移动通信。不过, 战略、战术通信卫星现正向合二为一的方向发展。
北斗系统与军用通信卫星的结合, 可从战役和战术两方面为空海天地一体化、立体化、信息化作战提供强有力的支撑。
3.北斗二代卫星的不足
北斗二代卫星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, 北斗二代卫星要发展壮大, 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整体布局, 也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。北斗二代卫星应用研发与服务的企业只有寥寥几家, 用户少得可怜。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。北斗二代卫星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。没有国家统筹部署民用市场的开拓, 北斗系统的应用就难以形成气候。
推动北斗二代卫星大力发展的观点
卫星导航定位系统是国家信息基础设施之一, 是实现社会信息化的重要工具, 也是国家科技水平和经济实力的象征。北斗卫星导航定位系统的建成并投入使用, 打破了美国等发达国家垄断卫星导航定位技术的局面, 提高了我国经济社会的信息化水平。北斗二代卫星的应用涉及到国家各个领域。我们期望政府高度重视北斗二代卫星的生存发展, 采取有力措施推进系统应用, 社会各界携起手来共同努力, 打破目前北斗二代卫星在应用上的困局, 建设具有中国特色的北斗卫星导航定位产业, 使北斗二代卫星更好地为我国的国民经济建设服务。具体建议如下:
(1) 政府及时制定和完善北斗二代卫星定位导航和授时政策, 在保证其军方使用的前提下, 大力鼓励和资助民用、商用和科学应用。引导我国北斗二代卫星产业化发展的方向, 规范和繁荣北斗应用市场。
(2) 明确北斗二代卫星的对外关系处理原则。制定中国卫星定位导航产业化政策, 建设有中国特色的卫星导航定位产业化工业链。
(3) 建立一个跨部门、跨行业、有广泛基础的、有一定权威的卫星导航定位应用推广组织, 致力于进行卫星导航定位应用知识的科学普及, 推动各行业卫星导航应用交流, 推动实现卫星导航定位为国民经济建设、国防建设和社会发展服务。
(4) 实施北斗二代卫星应用典型示范工程, 推动北斗导航系统的广泛应用, 特别是国家大型企业的应用, 产生良好的经济和社会效益, 又可为北斗二代系统应用奠定良好的基础。
卫星导航应用人才 第2篇
圆轨道同步卫星在区域导航系统中应用研究
阐述了我国建立第二代卫星导航系统的.必要性和区域性卫星导航系统的特点,进一步研究了倾斜圆轨道同步卫星在区域导航系统中的应用.最后设计了一种静止卫星和倾斜圆轨道同步卫星相结合的星座,并且初步研究了它的性能.通过仿真计算表明,实现区域卫星导航系统是可行的.
作 者：王永澄 付锋 陈晓凤 作者单位：南京航空航天大学信息科学与技术学院,南京,210016刊 名：南京航空航天大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS & ASTRONAUTICS年，卷(期)：34(4)分类号：V474.2关键词：区域导航系统 同步卫星 定位几何因子(PDOP)
卫星导航应用人才 第3篇
(上海海事大学商船学院，上海 201306)
0 引言
目前，3种主流的海上船舶监控形式［1］有沿海CDMA网络监控，海事卫星监控以及结合AIS的VTS监控.沿海CDMA网络监控只能在沿海有CDMA信号的地区使用，比较适合近岸运输船舶.海事卫星监控虽然不受船舶所在海区的限制，可以较好地实现全天候监控，但海事卫星通信费用昂贵，不适合持续监控.虽然AIS覆盖的船舶范围非常广泛，目前全球任何500总吨以上的船舶都强制安装AIS系统，但AIS系统发射的信号传输距离有限，存在监控盲区.当船舶在远洋中航行时，其AIS信息往往不能被岸基AIS基站接收，从而使其失去监控.
几年前，美国、挪威等国家开始利用低轨卫星接收其覆盖范围的船舶AIS信息，从而实现远离陆地区域的船舶动态监控，但由于卫星数量较少，不能连续采集同一地区的船舶AIS信息，因此获得的船舶动态信息实时性较差.船舶远程识别与跟踪系统(LRIT)利用卫星定位和卫星通信技术获取本船的位置与时间信息，并发送给船旗国所指定的数据中心进行储存和处理.［2］目前，并不是所有船舶都已配备LRIT，尤其是内贸船舶.对于没有配备LRIT的船舶，进入陆地AIS基站监控盲区时就无法被监控.此外，LRIT通信费用昂贵，不适合连续监控，实时性较差.
利用北斗卫星导航系统(简称北斗)转发本船AIS信息［3］的做法对装有北斗设备的船舶是有效的，但目前还有很多船舶没有配备北斗设备，因此这些船舶不能得到有效监控.本文结合AIS和北斗的优势，用北斗转发本船和周围船舶的AIS信息，使没有配备北斗设备的船舶也能得到有效监控，且通过北斗卫星通信要比通过其他卫星通信成本低，从而既可以使监控区域覆盖陆地AIS基站的盲区，又可以不用付出与其他卫星通信一样的昂贵代价.另外，还在AIS数据中添加优先权(priority)字段，用于实现对指定船舶的搜索.
1 处理流程简介
一个时段内本船接收到的AIS信息数据量往往较大，而北斗的短报文通信能力有限.为了有效利用北斗的短报文通信功能，有必要对接收到的AIS信息采取一系列处理措施，减少数据冗余.AIS数据冗余主要有以下几种形式:重复数据冗余、无用数据冗余、数据表示冗余、编码冗余等.首先通过数据预处理和数据压缩减少AIS数据冗余，然后利用北斗转发处理过的数据.数据处理总流程见图1.
2 数据预处理
数据预处理的主要目的是去除重复数据冗余，无用数据冗余以及数据表示冗余，主要包含如下几个部分，见图2.
(1)数据获取.主要通过时间过滤和字段筛选减少数据量，达到减少无用数据冗余的目的.(2)数据过滤.主要进行重复数据过滤.(3)去除数据表示冗余.通过差值法减少表示相同信息量所需要的数据量.(4)数据重组.去除数据表示冗余后，数据在转发后要想恢复原样就必须在数据中加上某些数据(数据头)，将数据中相应项和数据头中相应项相加才能得到原来的数据.
2.1 数据获取
本船接收到的周围船舶AIS信息并非都有用.比如想知道某船舶目前的位置，如果数据库中有该船当前时刻或最近很短时间内的AIS信息，那么该船几个小时前的数据就会是无用数据或是之前被发送过的数据.因此，有必要对AIS数据进行时间过滤.另外，AIS信息中包括很多字段，对于特定的应用只需要某些特定字段，例如对于船舶动态监控而言，只需要海上移动识别码(mmsi)、经度(lon)、纬度(lat)以及更新时间(updatetime，以下简称ut)等字段.因此，还可以通过字段筛选减少数据量.这里主要研究定位字段.
定义tg为时间间隔，tp为过去某时刻，tn为现在时刻，则只需获取时间区间TR=［tp，tn］内的数据，而在tp时刻以前的数据可以近似认为是无用数据.其中
式中的tg须根据具体情况决定.例如，根据北斗转发AIS数据的速度，使得北斗正好在某个tg时间内转发完所有应发的AIS数据，这样就能保证所有有用的AIS数据都有机会被转发.
为了实现对指定船舶的定位，船载AIS接收端在接收到的AIS数据后加上优先级(priority)字段，使指定船舶的AIS信息能优先被转发.
2.2 数据过滤
通过减少重复数据的转发，达到减轻北斗负担、提高北斗有效利用率的目的.
如果某船舶(称为A船)的AIS数据没有更新且已通过北斗转发或更新过，但是其经度和纬度与该船之前的AIS信息的相应字段的差值——经度差(londiff)和纬度差(latdiff)分别小于经度差阈值(londiffT)和纬度差阈值(latdiffT)，则称该AIS数据为重复数据.已经通过北斗转发的AIS数据显然是重复数据，没有必要再转发一次.而之所以把经度差和纬度差都小于相应阈值的更新过的AIS信息定义为重复数据，是因为在这种情况下A船基本没移动，其位置可近似认为没变化.
记A船在t时刻的AIS数据为AIS_t，且设t2=t1+Δt，其中t1为上次从数据库中取数据的时刻，t2为当前从数据库中取数据的时刻，若
或
其中
则在t2时刻取到的A船的AIS数据为重复数据，故丢弃该数据.
设usefullais为用于存储已发送AIS信息的数据库表，则数据过滤的流程见图3.
图3 数据过滤
2.3 去除数据表示冗余
筛选出的AIS信息各字段的类型见表1.
表1 AIS信息各字段类型
从表1可以看出，前4个字段所占的空间都比较大，而本船与周围船舶之间的距离都不远，在纬度上相差1'近似于距离上相距1 n mile，经度上略有出入，但也可以作为近似估计.所以，周围船舶与本船的经度差和纬度差应该很小.于是，采用差值法，用经度差和纬度差代替经度和纬度进行传输，然后在救助指挥中心用相反的过程恢复其经度和纬度.
另外，updatetime 的格式为 yyyy－MM－dd hh－mmss.s.注意到周围船舶AIS的更新时间与本船AIS数据在年、月、日上更新时间绝大多数情况下相同，甚至小时也相同.如果用本船AIS数据更新时间减去周围船舶AIS数据更新时间，其差就只包含时、分、秒、小秒，甚至连时也没有，这样就可大大缩短ut的长度，从而达到压缩的效果.程序如下:
2.4 数据重组
通常，北斗转发信息时一条北斗报文包含很多条AIS数据信息，各AIS信息之间优先级可能不一样，因此通过北斗转发周围船舶AIS信息时，需要按照某种标准判断某AIS信息的重要性.例如，要让基站了解本船周围的船舶情况，离本船较近船舶的AIS信息就显得重要些;再如，若基站指定要查找某条船(比如A船)，则A船的AIS信息就显得格外重要.因此，数据重组的过程还应该包括优先级的计算，各AIS信息的排序，以及一条北斗信息所包含的AIS信息数目的设定等.
一般情况下，以距离和等待时间作为优先级的判别因素，要想得到优先级，就得先求出距离d.本船与A船的距离［4］见如下程序:
则优先级取值规则程序如下:
若某数据A不满足
则令
其中:
pTime为开始数据重组的时刻.
一般情况下，d值越小的船舶在某种程度上对本船影响越大，故其AIS数据的优先级应该越大;但是，如果只考虑距离因素可能导致饥俄现象，即d比较大的数据永远都得不到转发，于是又增加等待时间因子，等待的时间越长，其优先级越大.总之，一般情况下优先级与距离成反比，与等待时间成正比.
有了priority就可以进行排序，而采用的数据排序算法是最大堆优先级排序法［5］.堆数据结构是一种数组对象，它可以被视为一棵完全二叉树，树中每个节点与数组中存放该节点值的那个元素对应.而最大堆是这样一种堆结构:除了根节点以外的每个节点 i，有
即某个节点的值至多与其父节点的值一样大.
假定每次都依次选取前NUM条处理好的AIS数据进行数据重组，则重组后的数据格式见表2，数据重组的流程见图4.
表2 重组后的数据格式
图4 数据重组流程
3 数据压缩
数据预处理部分是从过滤和差值的角度减少数据量，得到的数据必须是精简的数据.为了更进一步减少数据量，从压缩算法的角度着手.目前数据压缩的算法分为有损压缩和无损压缩［6－7］:无损压缩主要有霍夫曼编码、算术编码、香农－范若编码、行程编码(RLE编码)、LZW编码以及无损预测编码等;有损压缩主要有DPCM(Differential Pulse Code Modulation)编码、DM(Delta Modulation)编码、DCT变换编码、小波变换编码等.由于文本压缩只能使用无损压缩，而无损压缩中LZW编码的效果相对最好，但因为LZW编码对小数据压缩的效果有时不稳定，所以文本直接用java中的GZIPOutputStream和Byte－ArrayOutputStream［8］进行压缩.实验结果表明其字符串压缩率平均值在29%左右.
4 北斗卫星转发
北斗卫星每次转发的字节数有限，每次发射的电文长度不超过120个汉字［9］，而经过上述步骤后的数据较大，因此在转发数据时要先拆分数据.为了在接收端能将数据重新组合，必须在每条拆分的数据前用序号标志，称之为数据报头.格式如下:
其中:第1，2个字节表示原数据被拆分成的条数;第3，4个字节表示该数据在原数据中的序列号;最后两个字节表示该原数据在所有数据中的序列号.
这样，在接收端根据数据报头判断该数据是否已经接收完整，若接收完整就抛弃数据报头，组装数据，然后进行CRC校验;若校验结果正确，则解压组装后的数据，若校验结果不正确，则丢弃该数据.具体流程见图5.
图5 北斗发送与接收
5 实验结果分析
图6显示字符串压缩率和总压缩率.由图可知字符串压缩率在20% ～40%之间，其平均值约为29%;其总压缩率的平均值约为2.9%，总压缩率的取值落在1%～6%之间，与字符串压缩率相比，其压缩效果更明显.总压缩率由数据预处理和字符串压缩两部分组成.数据预处理过滤掉很多无用数据、重复数据以及表示冗余数据，大大减少数据量.随着间隔tg取值的不同，重复数据量也会有所不同，因此数据预处理效果的好坏与tg的选择有关.如果tg过小，则重复数据过多，这样虽然总压缩率提高，但是系统做了很多无用功;如果tg过大，则某些数据有可能永远都得不到发送.因此，在实践中要根据实际情况调整tg的值.
图6 压缩率
6 应用实例
6.1 对遇险船舶的救助
若A船在某处遇险，其通过卫星发出遇险信号，岸上指挥中心根据A船位置以及其周围船舶的情况指挥救助.若A船恰巧在陆上AIS基站的监控盲区，则岸上指挥中心就不能掌握A船的实时信息，不利于救助.此时，若A船上配备有本文研究系统，则可以通过北斗卫星导航系统优先转发本船的AIS信息，同时也转发周围船舶的AIS信息以便岸上指挥中心了解A船位置及其周围船舶的分布情况，使岸上指挥中心能更好地指挥救助;若A船没有配备本文研究系统，但其周围有船舶能接受到A船的 AIS信息，并配备有本文研究系统，则岸上指挥中心同样能了解A船的位置和其周围船舶分布情况.结果见图7.
图7 对遇险船舶的救助
6.2 指定船舶监控
当基站需要知道A船的位置时，可以通过北斗发送一条命令，系统接到命令后，在船载AIS终端接收到A船AIS数据时，直接在该AIS数据后添加priority字段并令其值为MaxPriority，则系统会优先转发该数据，从而达到指定船舶监控的功能.
7 结束语
针对陆上AIS基站存在监控盲区这一缺陷，通过集成北斗卫星导航系统和AIS系统，在合理利用北斗卫星导航系统的短报文通信前提下，有效增大AIS数据采集范围，使船舶动态监控范围覆盖陆地AIS基站的监控盲区.与传统船舶动态监控技术相比具有如下特点:
(1)船舶动态监控范围扩展到陆地AIS基站的监控盲区;(2)实现指定船舶监控功能;(3)可以用作海上移动AIS中转站，实现对处于陆地AIS基站盲区且未配备北斗系统船舶的监控;(4)有效压缩AIS数据，降低北斗卫星导航系统传达相同信息所需转发的数据量.
陆地AIS基站盲区的船舶AIS数据采集也可以通过其他卫星系统实现，但通过北斗卫星导航系统实现成本相对较低.北斗带宽有限，因此采用一系列措施降低船舶AIS数据的传输数据量.
程序中的时间间隔tg对性能影响较大，因此选择合适的tg很重要，目前在实践中主要通过人工选择来调节tg的值.在接下来的工作中，将进一步研究如何实现tg的智能调节.
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论我国卫星导航的应用现状与发展 第4篇
我国的北斗导航系统在国防建设和国家经济建设中占有越来越重要的地位,它直接关系到国家安全以及经济社会的长远发展。北斗导航系统具有独特的优势和广阔的应用前景,有巨大的经济和社会价值,能充分发挥天地一体化及卫星通信、导航、遥感等专业方向齐全的优势,结合应用需求,为各军兵种、行业用户提供一体化综合集成服务,为军兵种战术作战及国家减灾、环境、通信等重点行业提供保障。
1 北斗系统原理与特点
1.1 北斗系统原理
北斗卫星定位系统由空间卫星系统、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。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。工作原理示意图如图1所示。
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地面控制中心存储的电子高程地图查寻到用户高程值,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,完成对用户的定位。
1.2 北斗系统的特点
1.2.1 北斗系统的优势
北斗系统与其它卫星导航系统相比有着自己独特的优势,主要表现在以下几个方面:
1)同时具备定位与通信功能,无需其他通信系统支持。北斗系统与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。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;
2)全天候快速定位,覆盖中国及周边国家和地区,无通信盲区。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统,覆盖范围东经约70°-140°,北纬5°-55°,可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域,且无通讯盲区。相比之下,GPS结合地面无线通讯系统(GSM、集群),覆盖范围只能局限于地面基站系统所达到的地区,无法满足偏远山区、海上、跨区域大系统的应用要求;
3)融合“导航系统”和“增强系统”两大资源,服务内容更加丰富。北斗卫星导航系统中心站不仅可以保留全部北斗终端的位置及时间信息,而且可实时存储大量非常有价值的GPS数据,通过“卫星导航增强系统”为用户提供更加丰富的信息服务及精密导航定位服务;
4)自主控制,安全稳定,保密性好。北斗系统是中国自行研制、自主控制的卫星定位导航系统。在当前复杂多变的国际形势下,过分依赖国外卫星导航系统难免受制于人,对一些要害部门的用户而言,能否拥有自主控制的卫星导航系统至关重要。另外,北斗导航系统通信信号稳定,且设计有高强度加密措施,安全可靠,适合关键部门应用。
1.2.2 北斗系统的劣势
北斗系统存在的不足,主要表现在以下几个方面:
1)北斗系统隐蔽性差,系统容量有限。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,这种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,在军事上是不利的。北斗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;
2)定位终端比较复杂。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、耗电与昂贵;
3)北斗系统的实时性较差。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,1s的定位时延对飞机、导弹等高速运动的用户来说时间很长。所以对于高动态载体,该缺陷是显而易见的。
2 北斗系统建设原则与应用分析
2.1 北斗系统建设原则
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,其建设与发展遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则,具体内容为:
1)开放性:北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放,为全球用户提供高质量的免费服务,积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作,推动卫星导航技术与产业的发展;
2)自主性:中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统,北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务;
3)兼容性:在全球卫星导航系统国际委员会(ICG)和国际电联(ITU)框架下,使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作,使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果;
4)渐进性:中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展,不断完善服务质量,并实现各阶段的无缝衔接。
2.2 北斗系统应用状况与制约因素分析
2.2.1 北斗系统应用状况
我国的北斗系统在军事方面,可为舰艇、飞机等武器平台提供导航定位服务、协助武器系统实现精确打击、搜索营救及调度指挥等,在空降、集结、侦察、撤离、空中管制等军事行动中发挥前所未有的作用。在民用方面,当前已应用于船舶运输、公路交通、车辆导航监控、林渔业、土建工程、物理勘探、资源调查、陆地与海洋测绘、气象与海洋环境监测等众多行业及对定位、测速和授时有需求的领域。
2008年北京奥运会期间,北斗系统在交通、场馆安全的定位监控方面发挥作用。但该系统最为引人注目的表现,是在汶川地震救灾中。当时,中国卫星导航定位应用管理中心紧急调拨1000台“北斗一号”终端机配备给一线救援部队。中国自主研制的“北斗一号”卫星终端,在四川汶川地震造成通信中断的情况下,提供给救灾部队携带,以进行导航定位。由此可见,北斗导航系统在经济安全与国计民生的重要领域中正在发挥越来越显著的作用。
2.2.2 北斗系统应用局限性
尽管北斗系统近几年来应用得到推广,但是与GPS系统相比,北斗的应用还相当有限,主要表现在:
1)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。据有关方面数据显示,目前在我国整个卫星导航市场上,北斗系统注册在线的终端用户不足设计容量的千分之一,卫星资源闲置严重,系统效益远未充分发挥,与我国投入巨资发展北斗卫星导航定位系统的期望有较大差距;
2)北斗系统目前的技术体制决定了用户终端的价格偏高,缺乏竞争力。北斗用户终端成本昂贵,目前市场价格居高,多数用户难于接受。同样应用功能的用户终端产品,北斗终端要比“GPS终端+短信”价格高出许多倍,导致近几来北斗终端消费提高不是很大。以近5年来我国卫星导航终端消费情况比对表为例(如表1)。
3)北斗系统的用户终端设备严重滞后,跟不上应用需求。主要是由于关键器件部件生产基础差,没有与系统建设同步组织好力量攻关。北斗系统终端研制难度大,这种竞争方式耗时较长,以致在北斗系统建成运行时,民用终端设备尚不成熟;
4)政策缺位直接导致系统应用推动乏力。北斗卫星作为一种新技术新业务,尽管近两年来各大媒体或市场上关于北斗的新闻已有所增加,但宣传力度仍有待加强。广大用户特别是信息化人员,对其知之甚少,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;
5)卫星定位导航市场包括北斗民用市场的完全自由化和无序竞争,延缓了北斗应用市场的健康发展。由于国家对北斗系统民用的开发规划和北斗应用市场准入机制还不够完善,导致市场无序的自由竞争,一些企业单位对北斗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。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,影响北斗系统健康发展和推广应用。
2.3 推动我国卫星导航应用产业发展的几点建议
1)从吸引用户角度出发,应当尽可能提高系统性能。如信号选择和设计上要考虑定位的稳定性,星座设计上要考虑自主导航,应当完善相应的增强和辅助设施;
2)明确北斗系统的建设管理和应用方针及主管部门。例如可由军委指定的部门负责北斗系统的规划建设和管理;建立中国卫星导航定位应用协会协调各部门间的关系;
3)明确一些鼓励和支持北斗系统研制开发应用的经济和技术措施。如在近期如何加大政府对北斗系统终端开发、系统应用集成和重要应用项目的资金支持;如何鼓励北斗系统终端设备研发和应用需求的创新;
4)明确北斗系统的对外关系处理原则。允许北斗民用设备出口,允许先在周边国家开展民用应用,有利于扩大北斗的用户数量和推进北斗系统的发展完善;
5)建立市场准入机制,规定准入门槛,制定服务标准。卫星定位导航服务是对经济和社会的重要的基础服务,应视同通信信息服务一样规范管理。应强调和培育服务品牌名牌,不能像销售一般消费品一样,只顾及眼前利益。短期的销售行为只会把市场搞乱,使用户受损失。
3 结论
根据系统建设总体规划,按照三步走的发展战略,中国北斗卫星导航系统将于2012年前具备亚太地区区域服务能力,2020年左右,建设成由30余颗卫星、地面段和各类用户端构成的、覆盖全球的定位导航系统。北斗卫星导航系统复杂,它的建设应用,将实现中国航天从单星研制向组批生产、从保单星成功向保组网成功、从以卫星为核心向以系统为核心,从面向行业用户向面向大众用户的历史性转型,开启中国航天事业的新征程。
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[6]谭述森.卫星导航的地位与作用[J].中国航天,2008(2):17-18.
[7]唐金元,于潞,王思臣.北斗卫星导航定位系统应用现状分析[M].全球定位系统,2007,12(13):26-30.
论导航卫星在海洋测绘中的应用 第5篇
我国具有岛屿多、海域广、海岸线长等特点。因此, 做好海洋测绘工作, 对于维护国家安全和开发海洋资源来说, 意义重大, 除此之外, 海洋测绘工作还与海洋地质勘探、海洋工程、海上交通、管道敷设、开发海洋资源和海底电缆等相关工作息息相关。作者通过查找相关的资料和结合自身的工作经验, 得知导航卫星在海洋测绘中发挥的作用不容忽视。
2 海洋测绘在GPS信号接收机
通过人造地球卫星来对点位进行测量, 这种技术就是我们耳熟能详的卫星定位技术。在这种技术刚出来的时候, 人造地球卫星只是一种空间上的观测目标, 在地面测站实施摄影观测, 就是我们平时常说的卫星三角测量技术。这种技术在一定程度上可以解决陆地海岛联测定位的问题, 但是所消耗的人力、物力和时间比较大, 而且定位的精度不高, 难以对点位的地心坐标进行测量。所以, 卫星多普勒定位很快就取代了卫星三角测量技术, 取得了较大的进步, 也导致卫星定位技术从初级阶段上升到高级阶段, 实现了从空间观测目标到动态已知点卫星的转变。但是, 有一点必须要明确的是, 对子午卫星信号实施多普勒定位的时候, 需要间隔的时间比较长, 还要花上1-2 天的时间来观测。在连续定位问题上没有得到解决, 同时也没有实现厘米级的定位精度, 所以, 子午卫星导航系统的应用也受到了较大的约束。随着技术的发展, 人类也追求全球性、全天时、全天候和更加高精度的导航和定位技术, GPS卫星全球定位系统也随之诞生。这也使导航与定位技术的发展进入到一个全新的阶段, 其前景也相当可观。
在20 世纪的90 年代初期, 当时的在轨GPS卫星数量不多, 仅仅为15、16 颗, 但是, 那时候GPS卫星导航定位技术就已经深受海洋测绘人员的偏好。中国南海GPS岛礁联测分队由国家海洋局、测绘局和地震局于1990 成功建立起来, 同年, 乘坐“向阳红五号”前往中国南海, 并开展GPS岛礁联测的工作;测量的范围涉及广州、曾母暗沙、三亚和黄岩岛, 其面积多达200 万平方千米。海域面积相当大, 时间也长达52 天, 第一次通过3 台WM-102GPS双频接收机工作, GPS的定位联测工作点设立在南海8 个点位、陆地4 个大地和南海上的5 个岛礁, 而此次站间距离最大也实现了808687.519m, 在南海建立起一个精度较高的陆海大地测量控制网。
国家海洋局科技司于1991 年4 月提出, 全面推进GPS卫星定位技术, 将统一的陆海大地测量控制网建立在所有领海基点、岛屿测量大地测量控制点和基本验潮站中, 总共包含有345 个GPS测量定位点。这样做的主要目的就是为了能够将陆海大地测量控制网建立在我国专属经济区和大陆架中, 并提高其测量的精度, 从而为这些地区提供相关的基准数据。
中国测绘学会海洋专业委员会和大地测量专业委员会在1994年10 月13~16 日展开了相关的研讨会, 对20 世纪90 年代初期的GPS技术研发成果进行了深入的交流。作者查阅了相关的资料, 发现研讨会中的部分论文发表在期刊《海洋测绘》上, 其期刊数为1994年第4 期, 包含了14 名作者所发表的9 篇关于GPS技术应用的论文。这些学者进一步推动了海洋测绘GPS技术的应用, 随着其逐步完善和发展, 在海面变化、海港工程、海洋渔业、海上地位等领域上都得到了广泛的应用。
3 导航卫星技术与海洋测绘技术分析
GPS/GLONASS技术在近几年来, 发展比较稳定, 北斗星导航定位系统计划于2020 年实现全球性的覆盖;欧盟的伽利略全球卫星导航系统于2014 年8 月成功发射了卫星;印度也在积极进行IRNSS印度区域卫星系统的工作。将会有越来越多的导航卫星运行在天空中, 方便海洋测绘人员工作的开展, 也提高了海域定位的精度, 海洋测绘的研究价值相当有意义。
3.1 导航卫星在海洋强国建设中的意义重大
我国具有的岛屿较大, 而且岛屿面积大, 岛屿岸线也比较长, 除此之外, 还拥有很多岛群, 这些岛群也会发展成为我国核心的海岛综合经济带。再对《联合国海洋法公约》的规定进行分析, 划分在中国管辖的海域面积为400 万平方公里左右。海洋强国战略任务在《中国海洋21 世纪议程》中首次被提出, 主要解决海洋产业发展、海洋经济区域建设和海洋科技等问题之外, 还需要处理国家海洋权益和利益的维护、海上力量建设的强化等。从中我们可以看出, 要想真正落实海洋强国任务, 海洋测绘工作是必不可少的, 因为这是一项基础性和前期性的工作, 而点位测定工作, 则能够提供基准数据给海洋测绘, 是一项超前性工作。飞行在天空中的导航卫星, 能够将精度高、速度快的定位测量运用在广阔的海域上, 并且实现动静结合。举个例子说, 通过导航定位信号的载波相对测量数据解算, 就能够实现厘米级的动态定位测量精度。所以, 导航卫星对于实施海洋强国建设及其战略的意义来说, 是不容忽视的。
3.2 海域测量领域在GNSS三频接收机影响下的前景相当明朗
GPS、GLONASS、Compass和伽利略全球卫星导航系统, 都能够将3 个导航定位信号向民间用户提供, 有一点必须要注意的是, CLONASS的不断发展, 可以提供8 个CDMA信号, 同时实现了GPS/Compass/Galileo良好的兼容性。开展定位测量工作时利用三个导航定位信号, 主要有下面的几大意义:
第一, 可以计算出排除电离层效应干预站星的距离, 从而进一步促进用户点位精度和置信度的提升;第二, 运用在军事领域上, 可以为用户解算出实时点位坐标, 这个坐标的精度和置信度更高, 那么高速飞行兵器就有了更加良好的数据基础。第三, 能够计算出更长的宽巷载波相位测量波长, 这样能够增加航解算算法的速度, 也有利于高动态用户可以获得精度更加高的实时点位坐标。
总而言之, 利用三个卫星导航定位信号, 在提高动态用户实时点位精度方面表现得相当出色, 也将定位测量与广阔海域的导航卫星紧密结合在一起。
3.3 GNSS导航卫星能够为航7 维状态参数和3 维姿态参数提供更加准确的精度
相对于水面测量船测量来说, 机载激光测深所耗用的费用仅仅为其1/6。可见, 机载激光测深系统的成本低而且效率高, 能够精密又快速地对海底地形进行测绘, 是一项先进的设备, 在今后的发展也会得到重视, 成为我国现代化海事测绘保障体系建设的一项重点工程。
在采用机载激光测探的时候, 一个必须具备的系统就是机载GNSS信号接收机, 主要测定飞机在航3 维姿态参数, 将基准数据提供给控制机载激光作业的平台, 确保其稳定性, 从而更加稳定地接收激光回波;还能够将时间同步源提供给机载激光测探等子系统, 确保不同子系统之间的协同性;对飞机在航7 维状态参数进行测定, 可以更好地引导飞机在昼夜作业。飞行在天空中的导航卫星和三个民用导航定位信号, 确保了机载激光测深系统的精确性, 促进了机载激光测深事业的发展。
4 结束语
对于海洋测绘作为一项超前期基础性建设工作, 其作用能够确保我国海洋国土的完整性, 有利于海洋资源的开发和利用, 导航卫星能够解决很多海洋工程项目问题, 并为其提供快而准的定位数据, 随着我国导航卫星与海洋测绘技术的不断发展, 在导航卫星在轨飞行影响下, 海洋测绘事业将会发展得更加兴旺。
参考文献
[1]林挺.海洋测绘中的信息化应用[J].工业B, 2015 (34) :321-322.
卫星导航应用人才 第6篇
全球经济一体化加重了世界各国对资源的依赖程度, 目前中国现有的矿产资源不能满足国民经济高速发展的需求。国家为鼓励建设更多的资源项目, 加大了对地质勘探事业的资金投入。传统的勘探测量方法工作效率低下, 已渐渐被市场所淘汰, 卫星导航 (GPS) 定位系统成为地质勘探中不可或缺的工具, 大大提高了地质勘探工作的效率。
1 卫星导航GPS定位系统
GPS (全球定位系统) 是以卫星导航为基础的定位系统, 具有实时性、连续性的强大定位功能, 被广泛应用在航空航天、军事国防、交通通讯、能源资源等各个领域[1]。利用GPS定位系统, 能够准确测量各个点的地理坐标, 结合相应的数据处理, 通过计算即可得出精确的地质勘探数据。
2 卫星导航GPS定位技术在地质勘探中的应用
目前在地质勘探测量中, 卫星导航 (GPS) 定位技术主要有GPS绝对定位技术 (手持GPS) 、GPS静态相对定位技术及实时动态定位测量 (GPSRTK定位) 技术[2]。本文将简要分析GPSRTK定位技术。
2.1 实时动态定位测量GPSRTK定位技术
在介绍GPSRTK技术之前, 我们有必要对整个卫星导航 (GPS) 定位系统的组成进行相关介绍。GPS由三部分组成, 分别为:空间部分、地面控制部分及用户设备部分, 如图1所示:
其中空间部分由GPS卫星群组成, 空间卫星群包括24颗卫星, 它们大约在2104km以上的高空。24颗卫星中有21颗实时工作, 3颗备用。因此在地面上任何时间、任何地点都可以同时接收4颗或4颗以上卫星传送的信号, 以备地质勘探之用;地面控制部分主要包括主控站、监控站及上行注入站。主控站的任务是将GPS卫星发送给各个监控站的全部信号和观测数据收集起来, 并通过这些信号和数据计算出每颗卫星的轨道分布及卫星钟的修正值, 然后依次外推1 d以上的卫星星历和钟差值。监控站的主要职能是在获取卫星观测信号和数据后, 将这些数据传输给主控站。上行注入站主要负责每颗卫星在运行到上空时, 将GPS导航系统数据和主控站的命令输送给卫星;而用户设备就是指下文即将提到的实时动态定位测量技术。
实时动态定位测量技术 (GPSRTK技术) 是通过载波相位对实时差分进行观测的测量技术, 基本原理通过基准站实时动态的测量伪距观测值、载波相位观测值、基准站坐标的相应数据然后通过无线电波传达给不断运动中的流动观测站, 在流动观测站将信号收集, 进行适时差分处理, 得到基准站和流动站的基线向量X、Y、Z;基准站的坐标加上基线向量即可得到流动站各点WGS84坐标, 转化坐标参数就可得出流动站各点的平面坐标X、Y及海拔高度H。RTK技术主要有以下优点:
a) 定位准确。在满足RTK基本工作条件时, 它的平面精确度和高程精准度都能达到厘米级别, 所得数据安全可信, 无误差累计;
b) 高效快捷。在普通的地质地形条件下, RTK一次性可测量区域内5 000 km半径的范围, 一人即可完成所有操作。测量速度快, 劳动强度低, 提高工作效率的同时也节约了成本;
c) 自动集成。RTK测量技术不需要过多的人工干预就可以实现很多种类的测绘要求, 将数据传输电脑, 稍微处理就可计算出结果, 减少了很多人为误差, 为作业精度提供了可能;
d) 操作简单。只需要在流动站和基准站进行简单的处理和设置, 就可以实时监测到数据, 使用方便、简单易学;
e) 影响因素小。只要电磁波信号能正常接收, RTK测量技术可以突破复杂地形、不良天气及季节变换的制约, 为人们提供精确的测量服务。
2.2 GPSRTK测量技术在地质勘探中的应用
要想探究卫星导航 (GPS) 定位在地质勘探中的应用, 必须结合各种各样的工程实例来加以验证。通常需要测量的区域大多分布在山区, 在山区进行作业时需充分考虑到影响测量效果的各种因素, 在最大程度上保证测量值精确的前提下进行地质勘探工作。
a) 确立作业方案。在确定实施作业前, 要先确立作业方案。硬件设备:2台双频GPS接收机、4台单频GPS接收机;2台电脑和一台绘图仪;1辆越野车。软件措施:使用南方CASS7.0及与之配套的文字和数据处理软件, 对基线向量、约束平差、无约束平差进行处理。文中所有提及到的野外作业设备均符合国家标准《全球定位系统GPS测量规范》[3]的要求;
b) 基础控制测量。平面测量要按照合同约定, 点位布置成网状, 充分利用测区各级点严格对图根控制点进行加密, 以保证整个GPS控制网络具备较好的安全性能。各级GPS网主要的技术要求应符合相关规定详见表1。
同时, 各级GPS控制网相邻点间基线的最小距离应控制在不小于平均距离的1/3, 而最大距离应控制在不大于平均距离的3倍。针对一级GPS网络, 当其边长小于200 m时, 其边长中误差应小于±20 mm。GPS各等级控制网相邻点间的基线精度用以下公式进行计算:
式 (1) 中, σ为标准差, mm;α为固定误差, mm (E级GPS网10 mm) ;b为比例误差系数 (E级GPS网20 mm) ;d为相邻点间距离, mm。
所测区域GPS控制网要采用点联和线联相结合的方式进行观测, 组成若干组三边形或多边形的独立观测环构网络。其中, 独立观测环形网络的边数禁止超过GPSRTK测量所规定的范围[4];
c) 地形图测量。充分考虑到所测区域的环境, 采用RTK测量技术来实现对地形图的测量。首先要将基准站设置在该矿区最高的点位上, 利用现有三个区域控制点的坐标求解相关参数, 并利用其它控制点的坐标去检验所求参数是否正确。然后将求得的参数输入到别的移动站中, 即可实现数据收集功能。对于植被相对茂盛的矿区, 可利用RTK加密地形图根本点;
d) 布设勘探基线、测线。利用GPS动态测量 (RTK) 技术在对山区进行布设勘探基线和测线时, 勘探时间适宜选在每年的4月份。因为这时气温适宜, 利于工作人员展开工作, 并且山上的树枝树叶较少, 有助于进行实时监控;
e) 工程点定位测量。传统的工程点定位测量通常采用交会法, 这种测量方法耗费了大量的人力物力, 要求透视条件较好才能完成测量工作。如采用GPS动态测量技术可利用所测区域首级控制点位测量基准点, 再进行相关参数的求解, 这个区域只要不超过15 km即可。
2.3 RTK技术在实际地质勘探中应注意的问题及对应对策
RTK测量技术虽然在地质勘查中有广泛的应用, 但作业环境的不同在一定程度上会影响RTK技术的发挥。笔者将就实际测量工作中常见的问题, 分析解决措施。
问题1:RTK测量技术与卫星的分布情况及数据链接的性能有直接关系, 且每个观测值都是独立观测的结果, 那么数据的可靠性就很难保证。解决措施:观测前一定要与已知点位进行对比分析, 确定基准站和流动站之间各个相关数据的准确性, 同时检查数据链接功能是否处于正常。
问题2:精度要求比较高的测区, 常常会出现观测值偏差。解决措施:利用RTK技术进行精准度要求比较高的点位时, 流动站部分可采用三脚架对准中杆, 稳定流动站天线, 提高精确值。
问题3:测量工作中常会出现外界无线电干扰数据的传输。解决措施:一旦数据链接功能出现不稳定, 应考虑到流动站信号与附近电台频率相同, 因而影响了数据的采集和传输, 这时应该立即通知基准站选择新的电台, 相应的流动站也重新接受新频率。
问题4:测量中常出现数据解算时间较长甚至无法读取的现象。解决措施:这种情况通常发生在某个特定区域的某一个时间段里, 原因是所测区域附近存在反射性较强的物体, 通过多种反射条件, 可引起多种路径数据读取, 对测量值产生影响。这些物体可能是山体、水面, 可在设备上选择复位功能重新观测并记录在案。但是这种情况也可能是由于区域内没有足够的卫星, 或者是当时的卫星分布不均匀, 可利用提高截止高度角度的方法改善。
3 结语
GPS地质勘探工作应注意提高定位精度, 充分发挥优势作用, 更多的利用在相关的勘探领域。
参考文献
[1]东海宇.RTK七参数在地质测量中的应用田[J].甘肃科技, 2011 (22) :60.
[2]张祯哲.RTK技术在地质测量中的应用田[J].西部探矿工程, 2012 (11) :192.
[3]叶积龙, 张维宽.关于GPS-RTK技术在地质工程测量中的应用[J].价值工程, 2012 (10) :183.
卫星导航应用人才 第7篇
1 全球卫星导航系统(GNSS)与新航行系统
随着全球航空事业的迅猛发展,飞行器自动化程度的提高,以及空中飞行流量的快速增长,原有的航行系统在容量扩展和安全保障方面难以适应,因而国际民航组织提出了新航行系统,并于近期发布了《基于性能导航(PBN)手册》,将其作为飞行运行和导航技术发展的基本指导准则。新航行系统是以星基为主的全球通信、导航、监视及自动化的空中管理系统,它是以卫星为基础的定位系统,结合航空数据通信技术,采用协同监视系统,可以实现飞机与地面、飞机与飞机的相互监视,使飞机由被动指挥,逐步向自选最优航线过渡,并最终实现“自由飞行”,从而彻底改变现有空中交通管理方法。
2 全球卫星导航系统(GNSS)简介
目前,全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)包含美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧洲联盟的Galileo系统,可用的卫星数目达100颗以上。GNSS不是一个单一星座系统,而是一个包括GPS,GLONASS,Compass,Galileo等在内的综合星座系统。
我国普遍使用的为陆基导航系统,即在飞机的飞行航路上设置若干个地面导航台,飞机在飞行过程中根据导航台信号引导实现台对台飞行,当到达机场上空之后,依靠仪表着陆系统将飞机引导着陆。在整个飞行区间,由分布在各地的雷达系统对飞行阶段的相关信息(即飞机的位置、高度、速度等)进行监视,地面管制员根据这些信息对飞机进行指挥。
GNSS卫星导航系统在全世界范围内可以同时为陆海空用户提供连续精确的三维位置、速度和时间信息。由于它具有连续的全球覆盖能力,使飞机可以在可遵循的条件下实现从一个地方到另一个地方的直线飞行,摆脱台对台飞行,明显降低航行时间和油耗。在GNSS接收机中包含数据处理系统,可将飞机位置、高度、速度信息实时发送到空中交通管制中心及相关部门,实现全程自动监视,为空中交通管制中心提供防撞预警。GNSS导航系统相对于陆基导航系统无法比拟的优越性和安全性。
3 GNSS存在的缺陷及解决方法
虽然随着GNSS系统的发展、频率L1(1 575.42MHz)和新频率L5(1 176.45 MHz)双频在航空导航的使用,使电离层和对流层对GNSS信号的干扰大大降低,GNSS系统的稳定性得到了很大的提高,但是GNSS导航系统在定位精度、可用性、完好性(航空导航系统完好性是指为系统本身出现故障或超差而无法提供正确的导航信息时,系统应向用户及时发出告警的能力。)方面还无法满足飞机在飞行阶段(尤其是进近和着陆阶段)对导航系统的严格要求。以GPS系统为例,美国联邦航空局对GPS导航系统精度和完好性提出明确要求,见表1。
由表1可知,GPS在水平定位精度和美国取消选择可用性(SA)限制后,已达十几米,应该可以满足所规定的要求,但是,GPS系统远不能满足表1对完好性的要求。GPS系统卫星会向用户提供完好性信息,但是有些系统故障主控站要经过半小时甚至几个小时才能发现,这对于民航的导航要求是不能容忍的。因此,为使GNSS系统完好性满足民用航空导航系统要求,就必须增加监视系统对GNSS系统完好性进行增强。增强GNSS系统完好性可以通过3种方式:一是机载增强系统(ABAS),包括:接收机自主完好性检测(RAIM);二是陆基增强系统(GBAS),包括:美国的地基增强系统(LAAS),澳大利亚的地面区域增强系统(GRAS),地面增强完好性检测(GAIM);三是星基增强系统(SBAS),包括:美国的广域增强系统(WAAS),日本的MSAS,欧洲发展的EGNOS。
3.1 接收机自主完好性检测
GNSS定位是利用一组卫星的星历、伪距、卫星发射时间等观测量来实现,同时还必须知道用户钟差。因此,要获得飞机的三维坐标,必须对4颗卫星进行测量。而GNSS系统可以为世界99.99%的地区提供5颗以上的卫星覆盖。当机载接收机视界内有5颗卫星时,由于4颗卫星便能提供飞机的位置信息,那么5颗卫星便可以经过5种组合提供5组位置信息,如果5颗卫星信号正常,且卫星几何因子较好,那么这5个位置就会在一定的位置内保持一致。反之,如果其中一颗卫星信号出现异常,那么这5个位置之间的差异就会很大,系统便能迅速判定有无卫星信号异常,从而提高GNSS系统的完好性。可见RAIM技术利用GNSS卫星的冗余信息,对GNSS的多个位置解进行一致性检验,来对GNSS系统完好性进行监测。
3.2 局域增强系统(LAAS)
LAAS系统是采用差分技术改善GNSS信号,使GNSS系统在精密进近和着陆阶段满足飞机所需的导航性能要求。它由GNSS卫星系统、局域增强系统LAAS地面站、GNSS参考信号接收机、甚高频VHF数据链广播系统组成。LAAS地面基站接收来自不同GNSS接收机收到的参考信息,计算差分修正值,并通过甚高频VHF数据链系统在约37 km的范围内将修正信息、卫星完好性信息进行广播。LAAS系统虽然提供的服务空间小于WAAS系统,但其精度远高于WAAS系统,它可以提供WAAS不能满足需求服务,如:引导飞机进离场、引导飞机复飞及对飞机地面运动进行引导和管制。LASS系统还可提供一个机场多条跑道的服务。
3.3 广域增强系统(WAAS)
WAAS系统是由美国FAA提出的为民航整个飞行阶段而建立的一个精密导航系统,它可以覆盖整个美国的GNSS增强服务。WAAS系统由2个地面主站、2个运行控制中心、25个地面参考站、地球静止同步卫星(GEO)组成。参考站收集GNSS卫星及近地轨道卫星发来的数据,并将这些数据发往主站,主站对数据进行汇集及处理,以确定每颗被监测卫星的完好性、差分校正适量值、残值和电离层信息,并计算出修正信息,然后将这些信息通过地球同步通信卫星送给用户接收。
4 GNSS在我国民航的应用
由于我国东西部发展的不平衡,因此在东西部采用GNSS导航系统具有不同的意义。我国西部地区多高原山区,地形条件复杂,陆基无线导航台稀少,大部分地区无雷达信号覆盖,使用GNSS导航系统,不仅可以提高飞行的安全,还将极大地解决西部机场、航路建设耗资巨大的难题。我国东部地区航路拥挤、飞行流量负荷大,采用GNSS导航系统可以设计平行航线,增加空域容量,缓解航路繁忙及终端取空中交通拥挤的状况,保证飞行安全减少航班延误。
因此,加强GNSS应用是我国民航实现跨域性发展的必然选择,根据国际民航组织全球新航行系统过渡实施规划和建议,以及欧美各主要国家具体实施情况,中国民航按照我国国情及政策要求开展了一系列应用和试验工程项目,其中包括:CNS ATM航路L888的开通、航路卫星导航完好性检测系统的研究、澳门LAAS可行性的研究、广播式自动相关监视的应用、RNP/RNAV到PBN的应用、缩小垂直间隔(RVSM)的实施、RIAM预测系统的建设、民航WGS-84坐标系的批准等。
5 我国民航GNSS应用的发展建议
卫星导航应用人才 第8篇
北斗卫星导航系统(COMPASS,中文音译名称BeiDou)[1]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,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。北斗卫星导航系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠覆盖全球的导航系统。
北斗卫星导航系统由空间端、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组成。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)、欧盟“伽利略”(GALILEO)等其他卫星导航系统兼容的终端组成[2]。
北斗卫星导航系统定位采用3球交会测星原理进行定位。其中以2个卫星为球心,2个球心至用户的距离为半径可做出2个球面,再以地心为球心,用户所在位置点至地心的距离为半径做出1个球面,3个球面的交会点即可确定用户的位置。
该系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信能力。中国国内目前生产定位服务设备的生产商,产品都将会提供对GPS和北斗系统的支持,会提高定位的精确度。而北斗系统特有的短报文服务功能将收费,这个功能的实用性还有待观察。
2 北斗导航系统特点
北斗导航终端与GPS及“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;全天候快速定位,极少的通信盲区,精度与GPS相当。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;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;独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计,可同时解决“我在哪?”和“你在哪?”;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[2]。
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10m,测速精度0.2m/s,授时精度10ns。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。导航精度上不逊于欧美之外,北斗卫星导航系统解决了何人、何时、何地的问题,这就是北斗的特色服务,靠北斗一个终端你就可以走遍天下[3]。
3 目前北斗导航系统进展
“北斗”卫星导航试验系统(也称“双星定位导航系统”)为我国“九五”列项,其工程代号取名为“北斗一号”,其方案于1983年提出。我国结合国情,科学、合理地提出并制订自主研制实施“北斗”卫星导航系统建设的“三步走”规划:第一步是试验阶段,即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务,为“北斗”卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才,研制一些地面应用基础设施设备等;第二步是到2012年,计划发射10多颗卫星,建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统(即“北斗二号[6]”区域系统);第三步是到2020年,建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统[4]。
中国目前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和十六颗北斗导航卫星,成功实现了对东南亚区域的全覆盖。今后北斗导航系统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。2012年12月27日国家公布了北斗系统空间信号接口控制文件(ICD)正式版。至此北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上,向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务;民用服务与GPS一样免费。
目前,在建的北斗卫星导航系统除空间段卫星系统、地面运控系统外,用户应用系统也在大力建设之中。我国已经把北斗系统用户终端机的开发作为推广应用的重要内容,不少国内厂商都在积极研制基于北斗系统的轻便、实用的用户终端设备。
4 国家规划及终端用户发展
科技部印发《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》提出,“十二五”末,导航与位置服务产业要形成1000亿元以上的规模,初步建立5个高新技术产业化基地,培育30家创新型企业。这意味着国家对导航与位置服务产业相关扶持政策的进一步落实。
科技部等部委将以企业为主体,加大国家科技引导投入,统筹多渠道资源,多种资助模式相结合,以产业需求为导向,加强部门联合、军民结合、科技计划与北斗系统建设的协同攻关,持续推动以北斗应用为核心的导航与位置服务技术研究和产品开发。作为科技含量极高、人力资本密集的战略性新兴产业,北斗导航卫星产业化的市场空间极富想象力。
北斗卫星导航系统卫星总指挥李长江说:“系统建成后,最重要的当然是应用了。在民用领域,我估计2012年完成区域系统的卫星发射后,到2013年,老百姓就可以开始使用北斗系统。我国已经把北斗系统用户终端机的开发作为推广应用的重要内容,不少国内厂商都在积极研制基于北斗系统的轻便、实用的用户终端设备。”国内拥有国家授权的企业已经开发出了具有自主知识产权的高精度北斗芯片。如南方测绘推出的北斗系列产品和北斗高精度应用解决方案,取得了阶段性的进展;中海达测绘推出的北斗系列产品,在矿山测绘及城市测绘等方面已经得到了广泛的应用。
孙家栋院士撰文指出,在与国外导航系统竞争的情况下,在较短时间内完成北斗在国家经济安全领域的推广应用和在大众市场的迅速扩展,还面临不少挑战:首先就是必须拥有核心自主知识产权的接收机芯片自主知识产权的挑战是不言而喻的。
其次,必须提出有竞争力的应用解决方案和规模推广策略目前,GPS已占据我国卫星导航应用绝大部分市场,在这种情况下,北斗系统产业化面临巨大挑战。我国拥有全球卫星导航应用的最大市场,紧紧抓住应用的基础市场,充分发挥北斗服务特色,创造性地提出应用解决方案和规模化推广策略,是北斗系统应用推广和产业化的关键。
5 测绘行业中的应用
北斗卫星导航定位系统,随着不断完善将成为继GPS及GLONASS后的第三套覆盖全球的卫星定位系统。其高精度的导航定位设备,如测绘领域经常使用的RTK设备,可依靠北斗卫星导航系统实现高达厘米级甚至毫米级的高精度差分定位,这已广泛应用于测绘领域。北斗系统特有的,有利于亚太地区用户应用的静止轨道卫星及倾斜轨道卫星等,更可以实现在亚太地区的全覆盖,大大增强和改善了以往应用中只借助GPS或GLONASS系统所导致的诸多信号盲区的问题。在以往诸如管网、水务、城管等行业用户作业环境较为复杂恶劣的应用中,以前由于只依赖GPS或GLONASS卫星系统,高楼耸立的城市环境无疑是巨大的障碍。无论是搜星情况还是解算精度,都受制于楼房建筑的遮挡和复杂环境等的干扰而不尽人意。南方测绘全新推出的该系列基于高精度北斗导航定位的GIS手持机产品,依靠北斗导航定位系统的特点,大多数时候都保证了高空中的卫星密度,良好的卫星截止角和卫星信号路径,使地理信息用户可以快速高效地获得卫星信号,并保证其作业精度。让用户畅游城市峡谷,穿越钢铁森林,真正享受到便捷精准的北斗应用,高效自如地完成作业,及时准确地把握地理信息。
2013年北斗导航将对北京全市范围内的1 141个地质灾害点,完成地质灾害监测预警全覆盖。北斗导航技术的地质灾害监测预警已在密云设立了32个监测点,作为北京市完成“全覆盖”前的示范工程。随着预警系统的建成和完善,北斗导航将能实现对5 mm以上地面变动的监测和预警,让有关部门和市民提前做好防灾准备[5]。
7月14日在北京召开的基于我国北斗卫星导航系统的野外地质调查应用高技术产业化示范工程项目工作会议消息,北斗双星野外地质矿产调查服务与管理系统基本研发完毕,并试运行成功。应用此系统在野外,无论身处高原雪山、大漠戈壁,还是莽莽林海,地质工作者都能够通过掌上移动终端直接检索下载遥感数据、地质资料,实时与野外同伴进行远程交流,甚至与家人视频聊天;指挥部能够随时与身处通信盲区的野外地质人员取得联系,并准确确定其所在位置和地调作业路线,实时掌握全国各地在野外工作的人员状况和整体态势,有效保障地质人员人身安全[6]。
6 结语
我国自主研发的北斗卫星导航系统是拥有完全自主知识产权的全球卫星导航系统,为确保北斗导航系统实现发展目标,促进北斗应用质量效益,有关部门将积极推动各项政策举措,促进系统建设应用又好又快发展。在系统服务方面,北斗系统将按计划建成,为全球用户提供免费、高质量、高可靠服务,并持续提升性能。在应用产业化方面,将逐步发布北斗公开服务接口控制文件,加大核心芯片等基础产品技术攻关力度,加快推进北斗行业和区域示范项目,推进以北斗为核心的位置服务产业。在关键技术攻关方面,持续推动系统建设与应用技术攻关,形成产、学、研、用体系,进一步加强基础学科研究和学术交流;在国际合作方面,积极参与全球卫星导航系统性能监测研究,推动北斗与其他卫星导航系统兼容与互操作,逐步融入国际民航、海事等标准体系[7]。
参考文献
[1]北斗卫星导航系统今日正式提供区域服务[EB/OL].新京报网,2012-12-27.
[2]北斗卫星导航系统[J].北斗卫星导航论坛,2013-2-1.
[3]伽利略导航卫星昨发射北斗系统组网速度仍领先[EB/OL].军事窝,2012-1014.
[4]中国发射北斗导航卫星[J].参考消息,2012-9-19.
[5]北斗导航将对1141个地质灾害点实现监测全覆盖[EB/OL].物联网智库,2012-12-12.
[6]国产卫星为野外地质调查护航[EB/OL].新华网,2012-7-17.
卫星导航应用人才 第9篇
北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的卫星定位与通信系统, 是国际上除美国的全球定位系统 (GPS) 、俄罗斯的GLONASS之后第三个独立、完整的卫星导航系统。
北斗卫星导航试验系统不仅能够提供定位服务, 其独特的RDSS定位方式还提供了GPS所不具备的服务功能——短报文通信, 这一功能使北斗系统成为可以独立构成覆盖区域内的监测, 监控、调度指挥系统。而GPS则必须借助另外的通信系统来完成这些功能。这在通信不畅的地区, 尤其是边远地区、海洋地区, 比GPS更具有优势。基于北斗卫星导航定位的人防应急指挥系统能适应人防特殊性的需求, 充分服务于人民防空作战、人防演练和应急救援等实践活动。
二、系统框架结构
2.1框架结构
人防卫星导航定位系统由国家、军区、省、市人防指挥中心以及各种北斗导航定位终端组成。各中心基于北斗卫星实现相互之间的通信和调度, 如下图所示。
2.2系统组成
人防卫星导航定位系统由省人防办北斗卫星指挥平台、各市人防办北斗卫星指挥平台、区县人防办北斗卫星应用终端和各级车载型用户机、手持型用户机、时统系统设备、基础地理信息平台、定位导航数据库、电子地图、人防北斗应急指挥软件等组成。
2.3应用模式
人防专业队伍指挥管理是人防卫星导航定位的典型应用场景, 人防专业队伍指挥管理的业务流程主要包括判断态势、定下决心、制定方案和组织实施几个环节。卫星导航定位系统的应用主要集中在组织实施环节, 对于省/市人防指挥机构主要包括统一作战时间、下达任务、监控行动和调整方案等过程, 对于人防专业队伍主要是统一作战时间、接收任务、实施行动和反馈情况等过程。统一作战时间基于北斗卫星导航系统提供的军用标准时间进行, 各级指挥机构用北斗用户机提供的时频信息统一各级指挥信息系统的时间, 并且按照上级指挥机关下达的指令统一设置作战时间。
三、关键技术及解决途径
3.1位置报告更新率的提高
位置报告更新率是指在一个指挥监控系统中, 指挥机关对下属单位位置数据获取的时间间隔, 也可以说是单位时间内获得的位置数据的个数。一般来说, 位置报告更新率越高, 指挥机关对下属单位位置的了解实时性就越好, 对实际位置了解的准确程度也越高。在基于北斗卫星导航系统RDSS服务的指挥监控系统中, 有两个因素制约着位置报告更新率的提高。
1) 由于RDSS方式通信带宽的限制, 对每一个用户的服务频度也有限制, 如工作于RDSS方式的普通级别北斗用户机的服务频度为60秒一次。这样对采用RDSS监控方式的指挥机来说至少60秒才能获得一次下属单位的位置。如果出现当次定位不成功则上级获得下属单位位置的时间比60秒还要长。
2) 对一个用户来说, 每一次请求RDSS服务只能选择一种服务方式, 要么是定位服务, 要么是通信服务。当用户机请求通信服务时, 则不能够定位。此时采用RDSS监控方式的上级指挥机也就无法获取下属单位的位置。只有当下级用户机请求定位服务时才有可能获得下级单位的位置。
3.2提高位置报告更新率的技术途径
1) 改变仅依靠RDSS方式的监控模式
采用RDSS方式的监控模式有其优点, 就是实现方式简单, 又不额外占用北斗导航卫星RDSS信道的带宽。北斗卫星导航区域系统建成以后, 不仅可以提供RDSS服务。还可以提供RNSS服务, 因此就为提高位置报告更新率创造了条件。对于一般单位, 仍然可以采用RDSS监控方式。而对于重点监控对象单位, 这个单位的用户机可以改变工作模式, RNSS方式定位+RDSS方式报告位置的工作模式, 利用RNSS定位方式, 可以每秒定位一次, 而每一次RDSS服务都是报文通信服务, 进行位置报告。这样基本上可以保证上级指挥机关每60秒获得一次下属单位的新位置。
2) 利用其它通信手段
人防指挥系统中装备有多种通信设备, 如卫星通信, 短波、超短波无线通信、网络通信、移动通信等, 这些通信手段的带宽远远大于北斗卫星导航系统RDSS服务的带宽。因此可以考虑利用这些通信手段来提高位置报告更新率。解决途径有2点: (1) 在人防信息化系统的通信系统设计中与考虑与人防北斗卫星导航定位的连接问题; (2) 设计一套人防北斗卫星导航定位系统位置及其他数据 (报告、命令等) 利用人防通信系统进行传输的通信协议, 实现快速、准确地数据传输。
参考文献
[1]赵琳, 丁继成, 马雪飞.卫星导航原理及应用[M].西北工业大学出版社, 2011.
