導(dǎo)航的英文是navigation，原為航行之意。初始形式是羅盤領(lǐng)航和天文導(dǎo)航，此后發(fā)展到陸地車輛和航空飛行器的行駛，如今navigation也被譯作領(lǐng)航或?qū)Ш街狻?/p>
從廣義上來講，通航就是引導(dǎo)車輛、航空飛行器等運(yùn)動載體沿一定航線經(jīng)濟(jì)而安全地到達(dá)目的地，我們最常見導(dǎo)航設(shè)備的有車載導(dǎo)航。不知道是否有人思考過，為什么我們的車載導(dǎo)航能準(zhǔn)確進(jìn)行定位呢?
我們看到導(dǎo)航系統(tǒng)是由衛(wèi)星、地面接收站和發(fā)射站來組成，但其工作機(jī)理卻比我們想象的要復(fù)雜得多。
在中國科學(xué)院國家授時中心(以下簡稱國家授時中心)有這樣一個研究部門，專門以高精度時間傳遞和信號傳播研究為基礎(chǔ)，開展衛(wèi)星導(dǎo)航授時及其他輔助導(dǎo)航授時與定時技術(shù)的研究工作，這就是中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室(以下簡稱重點實驗室)。
天空滿是導(dǎo)航星
自從人類出現(xiàn)最初的政治、經(jīng)濟(jì)和軍事活動以來，便有了對導(dǎo)航的要求。
1990~1991年，在阿拉伯半島爆發(fā)的海灣戰(zhàn)爭中，多國部隊幾乎每一種戰(zhàn)術(shù)操作都離不開衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)，反觀伊拉克軍隊僅有少量衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，明顯處于軍事弱勢。
進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著人類科技水平的提高，第一無線電導(dǎo)航系統(tǒng)——無線電信標(biāo)問世。我國在南海也建立了長河二號南海無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，自1990年起正式向國內(nèi)用戶開放使用。
“我的專業(yè)是無線電導(dǎo)航技術(shù)與方法，來到國家授時中心讀碩士和博士研究生時，選擇了時頻和衛(wèi)星導(dǎo)航兩個專業(yè)。”國家授時中心副研究員鄒得才目前在重點實驗室工作，他告訴《中國科學(xué)報》記者，“羅蘭c導(dǎo)航、基于正交頻分復(fù)用超寬帶(ofdm-uwb)技術(shù)的室內(nèi)精密定位導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航，這三類都是無線電導(dǎo)航。”
鄒得才介紹了羅蘭c導(dǎo)航主要用于海上，陸地也可以使用。他目前主要開展上述的第二類無線導(dǎo)航系統(tǒng)——ofdm-uwb導(dǎo)航的研究，也是“863”計劃項目。
衛(wèi)星導(dǎo)航，是接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，并以導(dǎo)航衛(wèi)星作為動態(tài)已知點，實時測定運(yùn)動載體的在航位置和速度，進(jìn)而完成導(dǎo)航。在第一顆人造地球衛(wèi)星于1957年10月入軌運(yùn)行的次年，美國科學(xué)家就開始進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究，人造地球衛(wèi)星的重要應(yīng)用，即全球無線電導(dǎo)航。
目前，已經(jīng)投入運(yùn)行的有美國全球定位系統(tǒng)gps和俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，正在建設(shè)的有歐洲的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，和中國的北斗全球定位系統(tǒng)。
其中，北斗全球定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成?？臻g段由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成。
評估空間信號質(zhì)量
導(dǎo)航系統(tǒng)的地面段由主控站、注入站和若干監(jiān)測站組成。
其中，主控站主要任務(wù)是收集各個監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成衛(wèi)星導(dǎo)航電文和差分完好性信息，完成任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制等。
注入站主要任務(wù)是在主控站的統(tǒng)一調(diào)度下，完成衛(wèi)星導(dǎo)航電文、差分完好性信息注入和有效載荷的控制管理。監(jiān)測站接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號，發(fā)送給主控站，實現(xiàn)對衛(wèi)星的跟蹤、監(jiān)測，為衛(wèi)星軌道確定和時間同步提供觀測資料。
國家授時中心副研究員王雪說：“由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號等影響，使得民用gps的定位精度只有100米。”
在國際上，國際全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)(igmas)正在建立一個全球分布的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(gnss)信號跟蹤網(wǎng)絡(luò)，通過多gnss高精度接收機(jī)和高增益全向天線，監(jiān)測gnss 的服務(wù)性能和信號質(zhì)量，為全球廣大用戶提供服務(wù)。igmas國內(nèi)跟蹤站建設(shè)由中國科學(xué)院國家授時中心牽頭。
2009年，國家授時中心作為第三方機(jī)構(gòu)，由重點實驗室派出成員參與北斗全球定位系統(tǒng)空間信號評估，王雪便是其中一員。
同年，國家授時中心在西安臨潼建成了中國首個北斗空間信號質(zhì)量監(jiān)測與評估系統(tǒng)，包含7.3m孔徑的天線。新的40m孔徑天線正處于研發(fā)中，預(yù)計將于2014年在西安市安裝。
“1月進(jìn)行評估的建設(shè)論證，我們從2月開始實施，到4月建成北斗空間信號質(zhì)量監(jiān)測與評估系統(tǒng)。”王雪表示，“不到兩個月的時間里，我們幾乎處于日夜趕工狀態(tài)，最終順利完成了這項任務(wù)。”
為精度出一份力
在重點實驗室里，有來自物理電子學(xué)、無線電技術(shù)與信息系統(tǒng)、計算機(jī)軟件、應(yīng)用數(shù)學(xué)、通信與信號系統(tǒng)等多學(xué)科領(lǐng)域的研究人員。“這些專業(yè)在我們這里都用得上。”國家授時中心副研究員成芳說。
成芳本科專業(yè)是應(yīng)用數(shù)學(xué)，碩士專業(yè)是衛(wèi)星導(dǎo)航，博士至今從事的是通信研究，主要開展衛(wèi)星導(dǎo)航的數(shù)據(jù)處理和算法分析，并且逐步參與一些項目。“我跨越了3個學(xué)科，但最終都是希望能提高我們的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。”
在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，最重要的指標(biāo)是精度。因為gnss與其他導(dǎo)航手段相比較，其最大的優(yōu)勢是高精度、全天候和全球化。這些年來，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度在不斷提高。
去年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，美國為提高gps控制精度，適應(yīng)gps現(xiàn)代化的需要，地面控制站已經(jīng)增加到12個，并最終將達(dá)到19個，分布在世界各地，以期保證在全球范圍內(nèi)對每顆在軌衛(wèi)星至少有兩個站對其實施連續(xù)的實時跟蹤觀測。
我國為進(jìn)一步提高定位精度，北斗系統(tǒng)計劃在中國建設(shè)北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)將開拓北斗精密定位應(yīng)用，提高北斗系統(tǒng)服務(wù)能力和競爭力。
成芳在今年5月曾參與了一次北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)，也是一項時間緊、任務(wù)重的工作，但成芳和來自重點實驗室的成員們?nèi)匀辉趲滋斓臅r間內(nèi)，完成了4個城市的調(diào)試工作。
近年來，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)正在全國各地普遍建設(shè)推廣，將更好地滿足北斗系統(tǒng)精密定位用戶和導(dǎo)航用戶的要求。重點實驗室也將繼續(xù)發(fā)揮自己的作用，為北斗建設(shè)貢獻(xiàn)自己的一份力。
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