日前北斗方面宣布，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于去年底正式向亞太大部分地區(qū)提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)。

　　自“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供試運(yùn)行服務(wù)以來，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，已逐步拓展到交通運(yùn)輸、氣象、漁業(yè)、林業(yè)、電信、水利、測繪等應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會效益。在中國科協(xié)與中國航天科技集團(tuán)五院聯(lián)合舉辦的“科學(xué)家與媒體面對面再次走近‘北斗活動中，權(quán)威專家介紹了有關(guān)“北斗”導(dǎo)航的奧秘。

　　空間段、地面段、用戶段

　　導(dǎo)航系統(tǒng)分三部分

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段、用戶段三部分組成。其中空間段由分布在不同軌道的14顆衛(wèi)星組成，即由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星組成“北斗”區(qū)域性導(dǎo)航衛(wèi)星星座。在這個(gè)星座中，5顆地球靜止軌道衛(wèi)星+5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星是核心，一旦有衛(wèi)星失效或者處于在軌維修狀態(tài)，4顆中圓軌道衛(wèi)星可以起到部分替代作用。“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師楊慧表示，對于限定區(qū)域的服務(wù)區(qū)而言，“5+5+4”的混合星座結(jié)構(gòu)具有最佳的“魯棒性”(即穩(wěn)健性)和經(jīng)濟(jì)性，最符合“少花錢多辦事”的原則。

　　地面段由主控站、上行注入站和監(jiān)測站組成。而用戶段由北斗用戶終端以及與其它導(dǎo)航系統(tǒng)相互兼容的終端組成。

　　“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是：定位、測速、單雙向授時(shí)、短報(bào)文通信;服務(wù)區(qū)域?yàn)橹袊安糠謥喬貐^(qū);定位精度優(yōu)于10米;測速精度優(yōu)于0.2米/秒;授時(shí)精度50納秒;短報(bào)文通信120個(gè)漢字/次。

　　多普勒測速導(dǎo)航、時(shí)間距離導(dǎo)航

　　衛(wèi)星導(dǎo)航方法有兩種

　　衛(wèi)星導(dǎo)航的方法有兩種，一種是多普勒測速導(dǎo)航，另一種是時(shí)間距離導(dǎo)航。

　　所謂多普勒測速導(dǎo)航的原理是，導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的無線電頻率是不變的，但由于導(dǎo)航衛(wèi)星在高速運(yùn)動，相對地面的觀測者來說，頻率會發(fā)生變化。由遠(yuǎn)而近時(shí)，頻率會增高;由近而遠(yuǎn)時(shí)，頻率會降低，這與我們站在鐵路旁聽火車汽笛聲一樣，由遠(yuǎn)而近時(shí)，聲音越來越尖銳;由近遠(yuǎn)去時(shí)，聲音越來越低沉。這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。飛機(jī)、輪船、車輛等用戶，通過測量導(dǎo)航衛(wèi)星無線電波的多普勒頻移，就可以推算自己與導(dǎo)航衛(wèi)星之間的距離變化率。

　　所謂時(shí)間距離導(dǎo)航的原理是，用戶通過測量從導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航信號的傳播時(shí)間，推算自己與導(dǎo)航衛(wèi)星之間的距離，從而確定自己的瞬時(shí)所在位置。

　　目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第二代，第一代采用多普勒測速定位，而第二代采用時(shí)間測速導(dǎo)航定位。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又分有源(主動式)和無源(被動式)兩種，區(qū)別在于，前者的用戶端需要主動發(fā)出信號，而后者的用戶端只需被動接收信號。

　　全球?qū)Ш骄W(wǎng)至少需要18顆星

　　高精度定位要同時(shí)看到4顆星

　　衛(wèi)星導(dǎo)航的精度是由衛(wèi)星的數(shù)量決定的。如果導(dǎo)航對象同時(shí)只能觀測到一顆衛(wèi)星，根據(jù)衛(wèi)星和自身的相對運(yùn)動軌跡來判斷自身的位置，那么，精確的定位往往要持續(xù)一段時(shí)間才能做出。由于這期間導(dǎo)航對象處于運(yùn)動中，導(dǎo)航精度就必然產(chǎn)生很大的誤差。在衛(wèi)星數(shù)量少的情況下，高精度的定位必須在停止運(yùn)動的情況下才能做出，顯然這是不現(xiàn)實(shí)的。

　　根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航原理，最基本的全球?qū)Ш骄W(wǎng)至少需要18顆衛(wèi)星來維持，再加上必要的候補(bǔ)衛(wèi)星，同時(shí)要有近30顆衛(wèi)星在軌，才能可靠地對全球99%以上的地區(qū)提供導(dǎo)航信號。

　　如此之多的導(dǎo)航衛(wèi)星，可以在天空沒有遮擋的情況下，保證地球上的用戶任何時(shí)候都能接收到來自4顆衛(wèi)星的信號。每個(gè)信號源都可以測出從衛(wèi)星到用戶的時(shí)間，再乘以光速(無線電波的速度)就是到衛(wèi)星的距離。根據(jù)簡單的數(shù)學(xué)原理，兩個(gè)球面交會于弧線，三個(gè)球面交會于點(diǎn)，所以同時(shí)取得三個(gè)衛(wèi)星信號就能夠確定任何一點(diǎn)的坐標(biāo)。為了保證用戶的時(shí)鐘和衛(wèi)星時(shí)鐘一致，第四個(gè)衛(wèi)星信號可以用來校正系統(tǒng)時(shí)間，于是4個(gè)衛(wèi)星信號就可以保證高精度的定位。再通過對衛(wèi)星信號變化率的測量，用戶就能知道當(dāng)下的運(yùn)行方向和速度。

　　引力變化、太陽影響、相對論效應(yīng)

　　計(jì)算衛(wèi)星軌道極其復(fù)雜

　　衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)是預(yù)先設(shè)定好的，但也在緩慢變動，所以，任何一個(gè)時(shí)刻衛(wèi)星的位置也是個(gè)變量。為了保證三個(gè)“球面”的球心位置準(zhǔn)確，衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號實(shí)際上是一段內(nèi)容豐富的電文，向用戶隨時(shí)通報(bào)衛(wèi)星的位置。

　　衛(wèi)星本身不具備計(jì)算能力，所以分布在全球的測控站必須隨時(shí)監(jiān)測衛(wèi)星的運(yùn)行，根據(jù)各種環(huán)境的微小變化來計(jì)算軌道，再把軌道信息傳遞給衛(wèi)星，由衛(wèi)星傳送給用戶。在計(jì)算中，地球各部分引力的微小變化、太陽活動對電離層的影響，甚至衛(wèi)星高速運(yùn)動帶來的相對論效應(yīng)都必須納入考慮。如果沒有豐富的地球物理數(shù)據(jù)以及強(qiáng)大的計(jì)算、通訊能力，衛(wèi)星導(dǎo)航的數(shù)據(jù)很快就會被誤差淹沒。

　　由此可見，建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅需要具備衛(wèi)星組批生產(chǎn)、發(fā)射，更需要具備多方面的技術(shù)做后盾，同時(shí)還需要足夠的資金來保證。因此，能夠建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家如同鳳毛麟角。

　　延伸閱讀

　　“北斗”可兼容其它導(dǎo)航系統(tǒng)

　　“北斗”是世界上首個(gè)集定位、授時(shí)和短報(bào)文通信為一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。免費(fèi)發(fā)送短報(bào)文是“北斗”獨(dú)有的一種重要功能，短短的120個(gè)字在很多時(shí)候是“救命”的法寶。通過GPS，用戶只能知道“自己在哪”。但是通過“北斗”，用戶還能讓別人知道“自己在哪”。把導(dǎo)航與通信緊密結(jié)合起來，很適用于交通運(yùn)輸、調(diào)度指揮、搜索營救等需要把導(dǎo)航與移動數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的用戶。

　　其另一大特點(diǎn)是它與別的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間具有兼容與互操作。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有其脆弱性，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)易被干擾、遮蔽，采用GPS+“北斗”的雙衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的可用性和導(dǎo)航精度。據(jù)介紹，GPS在亞太地區(qū)的覆蓋率一般只能達(dá)到60%~70%，如果加上“北斗”后覆蓋率可以達(dá)到80%以上，從而能提高衛(wèi)星導(dǎo)航的可用性，并使導(dǎo)航精度提高20%左右，比如，在GPS導(dǎo)航精度1米的地方，同時(shí)融合“北斗”的數(shù)據(jù)后，導(dǎo)航精度能達(dá)到大約0.8米。

　　與GPS相比，“北斗”的首次定位速度和授時(shí)精度都表現(xiàn)出更好的優(yōu)越性。“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)網(wǎng)完成后，系統(tǒng)用戶定位，電文通信和位置報(bào)告只需要幾秒鐘，而GPS首次定位卻需要1至3分鐘。

　　前景展望

　　2020年“北斗”將覆蓋全球

　　具有定位和授時(shí)功能的衛(wèi)星導(dǎo)航與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信已成為21世紀(jì)信息技術(shù)領(lǐng)域的三大技術(shù)之一，是當(dāng)今社會重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)分三個(gè)階段實(shí)施：

　　第一階段是用少量地球靜止軌道衛(wèi)星來完成試驗(yàn)任務(wù)，即建設(shè)一個(gè)區(qū)域性有源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。我國在1994年啟動了“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)，2000年形成了區(qū)域有源服務(wù)能力。