卫星定位正在改变我们的生活.doc

1、卫星定位正在改变我们的生活摘自 李兆荣 发表时间 2012-04-04 12:41:34标签：卫星定位 北斗 飞驿网 飞驿物流 物流 引子提起卫星定位，很多人马上联想到军事，其实通讯、航天、探矿、救援、国防安全等领域，都离不开卫星定位系统，尤其是近几年卫星定位向消费市场发展的势头非常强劲。种种迹象表明，以 GPS 为 代表的卫星定位应用产品，由于功能强大、使用方便、价格合适，很容易地提供位置、速度和时间信息，所以能很好的与其他系统结合，形成大量的新应用、新产 品，卫星定位系统迅速地进入我们日常工作、学习、生活和娱乐中，比如当前流行的汽车导航系统，手机导航系统等，卫星定位逐步地在改变我们的生活。

2、全球卫星定位系统，就好比“人类在太空里的眼睛”，哪个国家拥有这双“眼睛”，就好比掌握了太空战制胜的“王牌” 。军事需要和巨大的商业利益，使世界各国在这一领域的竞争日趋激烈。很多人一提到卫星定位，就想到 GPS，其实卫星定位系统不止 GPS，还有其他国家所研发的系统。目前，世界上仅有 4 套卫星定位系统处于工作或研制状态，即美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的“伽利略”以及我国的北斗。当然，GPS 是应用最广泛的一套卫星定位系统。很少有人知道， 格洛纳斯的正式组网比 GPS 还早， 这也是美国加快 GPS 建设的重要原因之一。格洛纳斯项目是苏联在 1976 年启动的项目，格洛纳斯系统将使用

3、24 颗卫星实现全球定位服务，可提供高精度的三维空间和速度信息，也提供授时服务。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，甚至无法为俄罗斯本土提供全面导航服务，更不要说和 GPS 竞争。GPS 是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星定位系统，其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。经过 20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到1994 年 3 月，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。2002 年，欧盟的“伽利略” 系统正式启动，目标是建成

4、覆盖全球的卫星定位系统，既可以为公众提供基本信号，也可以为政府提供高度保密的信号，从而打破美国在这一领域的垄断。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，

5、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，

6、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

7、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，

8、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

9、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

10、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

11、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

12、 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“33”（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

13、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

14、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

15、 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

16、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(1)，设立标校站之后为 20 米(类似差分状态) 。北斗导

17、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 555。 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

18、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

19、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

20、 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

21、，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

22、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。